金星前兆激波中超低频波动特征及波动边界的研究

The ULF wave is a significantly physical phenomenon in the planetary foreshock, which is very interesting and important in the study of particle-wave interactions and the generation of energetic particles. Due to the lack of an intrinsic planetary magnetic field, the size of the Venusian bow shock is less than 1/10 of the Earth’s bow shock. In consideration of the small distance in dimension between the Venusian bow shock and the ionopause or induced magnetosphere, the neutral particles are easily leaked from the ionosphere and then ionized. So the interactions between the solar wind and Venus have some special characteristics. Recently, a lot of researches based on the observations focused on the ULF waves in the Earth’s foreshock. However, they pay little attention to the statistical study of waves in the Venusian foreshock. With the observations by Venus Express from 2006 to 2012, this program will be conducted to make analyses on the characteristics (frequency, amplitude, power spectra, propagation angle and polarization) of ULF waves in the Venusian foreshock. Then, the ULF wave boundary in the foreshock will also be determined by new criteria. The results will be compared with those at the Earth. This work will be helpful for our comprehension in the wave properties and wave-particle interactions in the nonmagnetic planet.

超低频波动是行星前兆激波的固有性质之一，起源于行星激波附近等离子体的不稳定性，对认识波粒相互作用及高能粒子的产生机制有着重要的意义。金星没有内禀磁场，激波尺寸较小，大气中的粒子更容易逃逸到激波上游，形成复杂的空间等离子体环境，从而影响前兆激波中波动特征。之前由于对磁化和非磁化行星前兆激波中超低频波动认识的局限性，观测研究主要集中在地球上，而对金星前兆激波中超低频波动的独特物理特征认识不够；鉴于金星快车（Venus Express）卫星2006-2012年累计了大量观测数据，本项目拟对金星前兆激波中超低频波动进行统计分析，描述波动的频率、波幅、功率谱、传播角和极化特征；并挑选典型波动事例，与地球上的研究结果进行对比分析，获得金星超低频波动的特性；确定超低频波动的边界，分析金星前兆激波中波粒相互作用以及波动的产生机制。这一研究能帮助我们更好的理解无内禀磁场行星环境下前兆激波中波动特征。

行星前兆激波中超低频波动是空间物理中重要的研究方向。在把上游太阳风的动能转化成激波下游热能方面，行星激波起着重要的作用。激波可以反射部分太阳风粒子到上游，并且这部分粒子可以与上游太阳风粒子驱动束流不稳定性来激发大量前兆激波波动。这两个过程对研究波粒相互作用及高能粒子的产生有着重要意义。金星尺寸与地球差不多，但是没有内禀磁场，金星激波在尺度上不及地球激波的十分之一，因此，很多物理过程与地球有着很大的区别。采用金星快车2006年5月到2012年2月观测的磁场数据，分析辨别出115个准单色超低频波动事件。统计研究结果显示在卫星坐标系下波动周期主要为20~30秒，大概是局地质子回旋周期的2~3倍；大多数波动是横波占主导，并且波动呈现近圆极化或者略微椭圆极化特征。此外，相对背景磁场，大多数波动拥有小的平行背景磁场波幅 (δB||/Bo<0.3), 然而垂直背景磁场的波幅拥有比较大的范围 （大概0.1~1.0）。相对背景磁场方向，波动传播方向小于30度。波动的这些特征与地球前兆激波中的超低频波动特征很相似。这也揭示金星前兆激波中的回流离子为超低频波动的激发提供了主要的能量。此外，对金星激波上游的准单色超低频波动的触发位置进行了细致研究。研究发现在金星前兆激波中存在超低频波动的边界。通过与行星际磁场方向角相关性分析，我们发现当磁场方向角大于30度时，超低频波动的边界受磁场方向的影响。在金星前兆激波中，超低频波动边界的斜率随着磁场方向角的增大而减小，并且与太阳-金星连线成~70º的倾角。研究还发现如果离子沿着超低频波动边界运行，则这些离子行为与被激波准绝热反射的离子一致。在经典的行星际磁场方向情况下，与波动边界相关的离子有足够的动量克服太阳风的对流作用。所有这些特征都强烈的支持激波上游的回流离子可以提供能量来激发前兆激波中的超低频波动。本课题的研究能帮助我们更好的理解无内禀磁场行星环境下前兆激波中波动特征。