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GRL发表我院石润副教授等关于极光粒子加速理论的研究成果

时间:2021-04-09浏览:10

20211月,国际知名地学期刊Geophysical Research LettersGRLMode coupling from kinetic Alfvén waves to electron acoustic waves in the topside ionosphere为题发表了我院石润副教授的研究成果。


1 随着波的垂直波长的减小,修正电子声波的激发越来越强(红色),相反色散阿尔芬波的反射越来越弱(蓝色),说明色散阿尔芬波的大部分能量被转移给修正电子声波

 

极光是由高能带电粒子沉降至大气层顶,使高层大气分子或原子激发而产生。极光弧是最为常见的极光形态。大量研究表明产生极光弧的高能粒子都经历了加速过程,而且是受平行于磁力线的电场加速。对于极光粒子的加速电场,目前认为存在两种,一种是准静态电场,另外一种是和阿尔芬波相关的动态电场。

阿尔芬波是一种磁流体波,兼具流体性质与电磁性质,其频率远低于离子回旋频率,它携带场向电流,是磁层与电离层耦合的能量和信息传递的重要载体。当阿尔芬波在垂直于磁力线方向上的尺度接近电子惯性长度或离子回旋半径时,阿尔芬波演变为色散阿尔芬波,携带平行电场。根据平行电场的成因不同,色散阿尔芬波又被分为惯性阿尔芬波和动力阿尔芬波。以往对这两种色散阿尔芬波加速电子的研究已比较充分。

事实上,还存在另一种甚低频波——修正电子声波可以携带平行电场并对电子加速。等离子体中存在三种重要的静电波:朗缪尔波(电子静电波)、离子声波、电子声波。它们与阿尔芬波之间的相互作用是阿尔芬波能够加速粒子的关键。惯性阿尔芬波的平行电场的成因与朗缪尔波的平行电场成因相同;动力阿尔芬波的平行电场是阿尔芬波与离子声波耦合的结果;电子声波与阿尔芬波的耦合给出修正电子声波。

继通过数值模拟发现修正电子声波可以在磁层电离层过渡区(约6000公里高度)从色散阿尔芬波获得能量并通过非线性作用加速电子的新加速机制后,石润等又通过数值模拟深入研究了修正电子声波的作用。

以往的研究认为色散阿尔芬波的能量耗散机制主要包括:电离层焦耳加热、反射、朗道阻尼。但修正电子声波从色散阿尔芬波提取能量并加速电子的机制为色散阿尔芬波的能量耗散提供了新方式。垂直波长与电子温度是影响色散阿尔芬波加速电子的关键参量。本项研究工作阐明,随着垂直波长减小和热电子温度的升高,修正电子声波的激发越来越强,入射到过渡区的色散阿尔芬波将大部分能量转移给修正电子声波,而反射的色散阿尔芬波越来越弱(图1)。

本项工作的重要意义在于说明了修正电子声波加速电子这种以往未获重视的加速机制在极光粒子加速中占据重要地位,尤其是在电子惯性尺度和离子回旋尺度上。

该文第一作者及通讯作者均为我院石润副教授,该项研究得到国家自然科学基金项目资助。

 

论文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020GL091702


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