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科研进展

2021年10月28日
中国科大合作团队提出空间等离子体中合声波扫频机制新模型

中国科大地球和空间科学学院陶鑫教授联合意大利 ENEA研究所Fulvio Zonca教授,浙江大学陈骝教授联合提出空间等离子体中合声波的新激发理论模型--TaRA模型。该结果发表在空间物理专业杂志《Journal of Geophysical Research – Space Physics》上,并被推荐为美国地球物理学会研究亮点(Research Spotlight)

合声波为等离子体中的一种电磁波动,广泛存在于行星磁层中。从其电磁信号转换而来的声音信号,听起来如同清晨群鸟合鸣,所以被命名为合声(chorus)。合声波可以通过共振的方式与空间中的电子快速交换能量与动量,形成范阿伦电子辐射带,弥散极光,与脉动极光。合声波的频谱非常独特,展现出窄带宽的快速扫频结构(图1)。合声波因为其重要实际意义与奇特性质,吸引了对其扫频过程的广泛科学研究兴趣。

图1 卫星观测到的合声波频谱所展现出的扫频结构

合声波扫频机制的研究历经半个多世纪,存在多个物理模型,但至今依然饱受争议。特别的,历史上的不同模型中出现了两种理论扫频率,一种正比于背景磁场不均匀度,与地球磁层中的观测稳合较好,但无法解释均匀磁场下的扫频;另一种正比于波动振幅,被自洽的粒子模拟所验证。两种扫频率的形式迥异。

本研究根据粒子模拟中波动增长率的分析,电子的相空间动力学以及非线性波粒相互作用理论,提出了一个名为“Trap-Release-Amplify” (TaRA) 的理论模型(图二)。当应用于地球磁层时,该模型依据波动传播方向,将空间中赤道附近区域(波动源区)分成上下游。这两个区域在波动激发中扮演相对不同的角色。在下游区,非线性波粒相互作用形成了相干的电子相空间结构;而在上游区域的释放点,当粒子与波动满足相位锁定条件时,波和粒子能量交换达到最大化,使得该相干相空间结构通过选择性激发过程产生具有扫频的合声波。在释放点由相位锁定条件计算所得的扫频率正比于背景磁场的不均匀度,且可以证明该扫频率与之前的理论扫频率之一相同。同时因为使用了更广义的非线性波粒相互作用理论,TaRA模型没有之前模型所面临的均匀磁场扫频难题,且与另一类模型一样,可以给出正比于波动振幅的扫频率。最后TaRA模型也给出了合声波的精细结构,窄带特性,以及其演化过程的理论解释。

图2 TaRA模型示意图

图3 美国地球物理学会的研究亮点报道

该文第一及通迅作者为陶鑫教授。研究受到自然科学基金重点项目,面上项目,中科院行星先导专项,以及中国科学技术大学重要方向项目培育基金的支持。美国地球物理学会以“Unifying models of chorus wave frequency chirping”为题进行了报道(图三)。

论文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2021JA029585

AGU报道链接:https://eos.org/research-spotlights/unifying-models-of-chorus-wave-frequency-chirping


(地球和空间科学学院、科研部)

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