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科研進展

2021年10月28日
中國科大合作團隊提出空間等離子體中合聲波掃頻機制新模型

中國科大地球和空間科學學院陶鑫教授聯合意大利 ENEA研究所Fulvio Zonca教授,浙江大學陳騮教授聯合提出空間等離子體中合聲波的新激發理論模型--TaRA模型。該結果發表在空間物理專業雜志《Journal of Geophysical Research – Space Physics》上,并被推薦為美國地球物理學會研究亮點(Research Spotlight)

合聲波為等離子體中的一種電磁波動,廣泛存在于行星磁層中。從其電磁信號轉換而來的聲音信號,聽起來如同清晨群鳥合鳴,所以被命名為合聲(chorus)。合聲波可以通過共振的方式與空間中的電子快速交換能量與動量,形成范阿倫電子輻射帶,彌散極光,與脈動極光。合聲波的頻譜非常獨特,展現出窄帶寬的快速掃頻結構(圖1)。合聲波因為其重要實際意義與奇特性質,吸引了對其掃頻過程的廣泛科學研究興趣。

圖(tu)1 衛(wei)星觀(guan)測到的合聲波(bo)頻譜所展現出的掃(sao)頻結構

合(he)聲波掃頻(pin)(pin)機制的(de)(de)(de)研(yan)究歷(li)經半個多世紀,存在多個物理模(mo)型,但至今依然飽受爭議(yi)。特別的(de)(de)(de),歷(li)史(shi)上的(de)(de)(de)不(bu)同模(mo)型中出現了兩種理論掃頻(pin)(pin)率,一(yi)種正比于背(bei)景(jing)磁場不(bu)均勻度,與地球(qiu)磁層中的(de)(de)(de)觀測穩合(he)較好,但無法解釋均勻磁場下的(de)(de)(de)掃頻(pin)(pin);另一(yi)種正比于波動振(zhen)幅(fu),被自(zi)洽的(de)(de)(de)粒(li)子模(mo)擬所驗證。兩種掃頻(pin)(pin)率的(de)(de)(de)形式迥異。

本研究根據粒子模擬中波動增長率的分析,電子的相空間動力學以及非線性波粒相互作用理論,提出了一個名為“Trap-Release-Amplify” (TaRA) 的理論模型(圖二)。當應用于地球磁層時,該模型依據波動傳播方向,將空間中赤道附近區域(波動源區)分成上下游。這兩個區域在波動激發中扮演相對不同的角色。在下游區,非線性波粒相互作用形成了相干的電子相空間結構;而在上游區域的釋放點,當粒子與波動滿足相位鎖定條件時,波和粒子能量交換達到最大化,使得該相干相空間結構通過選擇性激發過程產生具有掃頻的合聲波。在釋放點由相位鎖定條件計算所得的掃頻率正比于背景磁場的不均勻度,且可以證明該掃頻率與之前的理論掃頻率之一相同。同時因為使用了更廣義的非線性波粒相互作用理論,TaRA模型沒有之前模型所面臨的均勻磁場掃頻難題,且與另一類模型一樣,可以給出正比于波動振幅的掃頻率。最后TaRA模型也給出了合聲波的精細結構,窄帶特性,以及其演化過程的理論解釋。

圖(tu)2 TaRA模型示意圖(tu)

圖3 美國地(di)球物理學會的研究亮(liang)點(dian)報道(dao)

該文第一及通迅作者為陶鑫教授。研究受到自然科學基金重點項目,面上項目,中科院行星先導專項,以及愛游戲app重要方向項目培育基金的支持。美國地球物理學會以“Unifying models of chorus wave frequency chirping”為題進行了報道(圖三)。

論文鏈接:

AGU報道鏈接:


(地球和空間科學學院、科研部)

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