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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(yuan)陶鑫教(jiao)(jiao)授(shou)聯合(he)意大利 ENEA研究所Fulvio Zonca教(jiao)(jiao)授(shou),浙江大學陳騮教(jiao)(jiao)授(shou)聯合(he)提(ti)出(chu)空間等離子體中合(he)聲波的新激(ji)發(fa)理(li)論模(mo)(mo)型(xing)--TaRA模(mo)(mo)型(xing)。該結果發(fa)表在空間物(wu)理(li)專業雜志《Journal of Geophysical Research – Space Physics》上,并被推薦為(wei)美國地球物(wu)理(li)學會研究亮點(Research Spotlight)。

合(he)聲(sheng)波(bo)為(wei)等離子(zi)體(ti)中(zhong)的(de)一(yi)種電磁(ci)波(bo)動(dong),廣泛存在于行星磁(ci)層中(zhong)。從其(qi)電磁(ci)信號轉換(huan)而來(lai)的(de)聲(sheng)音信號,聽起來(lai)如同清晨群鳥合(he)鳴,所(suo)以(yi)被命名為(wei)合(he)聲(sheng)(chorus)。合(he)聲(sheng)波(bo)可以(yi)通過共振的(de)方式與(yu)空間中(zhong)的(de)電子(zi)快速交換(huan)能量與(yu)動(dong)量,形成(cheng)范阿倫電子(zi)輻射帶,彌散極光,與(yu)脈動(dong)極光。合(he)聲(sheng)波(bo)的(de)頻譜非常獨特(te),展現(xian)出(chu)窄帶寬的(de)快速掃頻結(jie)構(圖(tu)1)。合(he)聲(sheng)波(bo)因為(wei)其(qi)重(zhong)要實際意義與(yu)奇特(te)性質,吸引了對其(qi)掃頻過程的(de)廣泛科學研究興趣(qu)。

圖1 通信衛星氣象觀測到的合超聲波頻譜所展露出的掃頻結構特征 合超聲波掃頻措施的研發飽經二個別的個世紀,留存別的個熱學模板,但到目前為止還是深受矛盾。特備的,歷程上的不同的模板中出現了有三種按理來說掃頻帶寬度,1種正比于游戲 背景磁體不更加平滑度,與地球表面磁層中的監測穩合較高,但不可解釋一下更加平滑磁體下的掃頻;另1種正比于上下波動幅值,被自洽的a粒子仿真模擬所驗證通過。有三種掃頻帶寬度的主要形式迥異。

本研究根據粒(li)子(zi)(zi)模(mo)擬中(zhong)波(bo)(bo)(bo)動(dong)(dong)增長率(lv)的(de)(de)分析,電子(zi)(zi)的(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)空(kong)間動(dong)(dong)力學以(yi)及(ji)非線性波(bo)(bo)(bo)粒(li)相(xiang)(xiang)(xiang)互作用(yong)理(li)(li)論(lun),提出了一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)名為“Trap-Release-Amplify” (TaRA) 的(de)(de)理(li)(li)論(lun)模(mo)型(xing)(xing)(圖(tu)二(er))。當應用(yong)于地球(qiu)磁(ci)層時(shi),該(gai)(gai)模(mo)型(xing)(xing)依據波(bo)(bo)(bo)動(dong)(dong)傳播方向(xiang),將空(kong)間中(zhong)赤(chi)道附(fu)近(jin)區(qu)域(yu)(波(bo)(bo)(bo)動(dong)(dong)源區(qu))分成上下(xia)游(you)(you)(you)。這兩個(ge)(ge)區(qu)域(yu)在波(bo)(bo)(bo)動(dong)(dong)激發中(zhong)扮(ban)演相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)不同(tong)(tong)的(de)(de)角色。在下(xia)游(you)(you)(you)區(qu),非線性波(bo)(bo)(bo)粒(li)相(xiang)(xiang)(xiang)互作用(yong)形成了相(xiang)(xiang)(xiang)干的(de)(de)電子(zi)(zi)相(xiang)(xiang)(xiang)空(kong)間結構(gou);而(er)在上游(you)(you)(you)區(qu)域(yu)的(de)(de)釋放(fang)點,當粒(li)子(zi)(zi)與波(bo)(bo)(bo)動(dong)(dong)滿足(zu)相(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)鎖定(ding)條件時(shi),波(bo)(bo)(bo)和粒(li)子(zi)(zi)能量交換達到最(zui)大化,使(shi)得(de)該(gai)(gai)相(xiang)(xiang)(xiang)干相(xiang)(xiang)(xiang)空(kong)間結構(gou)通(tong)過(guo)選擇性激發過(guo)程產(chan)生具有掃(sao)頻(pin)(pin)的(de)(de)合聲(sheng)波(bo)(bo)(bo)。在釋放(fang)點由相(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)鎖定(ding)條件計算所得(de)的(de)(de)掃(sao)頻(pin)(pin)率(lv)正(zheng)比(bi)于背景磁(ci)場(chang)的(de)(de)不均勻(yun)度,且可以(yi)證明該(gai)(gai)掃(sao)頻(pin)(pin)率(lv)與之前的(de)(de)理(li)(li)論(lun)掃(sao)頻(pin)(pin)率(lv)之一(yi)(yi)(yi)相(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)(tong)。同(tong)(tong)時(shi)因為使(shi)用(yong)了更廣(guang)義的(de)(de)非線性波(bo)(bo)(bo)粒(li)相(xiang)(xiang)(xiang)互作用(yong)理(li)(li)論(lun),TaRA模(mo)型(xing)(xing)沒有之前模(mo)型(xing)(xing)所面臨的(de)(de)均勻(yun)磁(ci)場(chang)掃(sao)頻(pin)(pin)難題,且與另一(yi)(yi)(yi)類模(mo)型(xing)(xing)一(yi)(yi)(yi)樣,可以(yi)給(gei)出正(zheng)比(bi)于波(bo)(bo)(bo)動(dong)(dong)振幅的(de)(de)掃(sao)頻(pin)(pin)率(lv)。最(zui)后TaRA模(mo)型(xing)(xing)也給(gei)出了合聲(sheng)波(bo)(bo)(bo)的(de)(de)精細結構(gou),窄帶特性,以(yi)及(ji)其演化過(guo)程的(de)(de)理(li)(li)論(lun)解釋。

圖2 TaRA仿真模型示意向圖

圖3 新加坡太陽系物理化學掌握的科研特色報導

該(gai)文(wen)第一及通迅作(zuo)者為(wei)陶(tao)鑫(xin)教授(shou)。研(yan)究受到自然科(ke)學基金(jin)重點項(xiang)目(mu),面上項(xiang)目(mu),中科(ke)院(yuan)行星先導專項(xiang),以及愛游戲app重要方向(xiang)項(xiang)目(mu)培育(yu)基金(jin)的支持。美國地球物理學會以“Unifying models of chorus wave frequency chirping”為(wei)題進(jin)行了報道(圖(tu)三(san))。

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(宇宙和范圍科學學師范學院、科研工作部)
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