极地中心高空团队在地球辐射带动力学研究方面取得重要进展

地球辐射带是近地宇宙空间中大量带电粒子聚集而形成的高能辐射层，这些能量高达兆电子伏特的带电粒子会对人造卫星和宇宙飞船产生极大的破坏，因此有效的预测辐射带高能粒子的通量和分布是空间天气领域重要的研究课题。在考虑构建辐射带动态模型时，等离子体波动和辐射带电子的相互作用导致的高能电子的产生和损失机制扮演着重要的角色。在发生地磁活动期间，地球磁层中会激发丰富的等离子体波动（哨声波，离子回旋波，磁声波等），这些波动可以和辐射带电子发生相互作用，引起局地加速和投掷角散射过程，局地加速可以造成辐射带高能电子通量增加，而投掷角散射会将高能电子沉降到极区大气层造成辐射带电子的损失。并且，这些沉降粒子在撞击极区大气层时还会形成弥散极光现象。因此，深入研究辐射带等离子体波动不仅有助于构建辐射带动力学模型从而预报空间天气，还可以加深我们对南北极观测台站所观测到的空间物理现象的理解。

图1: 地球辐射带，图片源自NASA官网https://www.nasa.gov

近日，极区空间物理与天文研究所（筹）极地大气与空间物理学研究团队在国际主流期刊 Journal of Geophysical Research: Space Physics 发表了“Modulation of magnetosonic waves by background plasma density in a dipole magnetic field: 2-D PIC simulation”的研究论文。该项工作使用原创的曲线坐标系粒子模拟方法，研究了地球偶极场中磁声波被背景等离子体调制的现象。该研究发现，在地球辐射带中，磁声波可以在低密度区域由环分布质子激发，而在高密度区域环分布质子无法激发磁声波。磁声波在被热质子激发之后会对背景冷等离子体加热和加速（Sun et al., 2017），反过来，背景等离子体会对磁声波产生耗散，这导致磁声波在被激发后会被限制在源区附近，这样磁声波便被背景等离子体所调制。该研究表明，背景等离子体密度对辐射带中磁声波的空间分布至关重要。

       该论文第一和通讯作者为中国极地研究中心副研究员孙继承，其他合作者分别来自于极地中心极地大气与空间物理学研究团队、中国科学技术大学、美国奥本大学和美国德州大学达拉斯分校。研究工作得到了国家自然科学基金重点项目（41831072），美国NASA基金（NNX17AI52G），以及天河超算的支持。

图2: 粒子模拟对应的真实空间区域，虚线表示地球磁场。

图3: 磁声波被背景等离子体密度调制。

相关论文：

Sun, J., Lu, Q., Wang, X., Liu, X., Gao, X., & Yang, H. (2021). Modulation of magnetosonic waves by background plasma density in a dipole magnetic field: 2-D PIC simulation. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 126, e2021JA029729. https://doi.org/10.1029/2021JA029729

Sun, J., Gao, X., Lu, Q., Chen, L., Liu, X., Wang, X., Tao, X., and Wang, S. (2017), Spectral properties and associated plasma energization by magnetosonic waves in the Earth's magnetosphere: Particle-in-cell simulations, J. Geophys. Res. Space Physics, 122, 5377– 5390, doi:10.1002/2017JA024027.