超光速电磁波的传播特性及与高能粒子相互作用研究的新进展.PDFVIP

第２６卷　第５期 地球科学进展 Ｖｏｌ．２６　Ｎｏ．５ ２０１１年５月 ＡＤＶＡＮＣＥＳＩＮＥＡＲＴＨＳＣＩＥＮＣＥ Ｍａｙ，２０１１ 文章编号：１００１８１６６（２０１１）０５０４９３０６ 超光速电磁波的传播特性及与高能粒子 相互作用研究的新进展 肖伏良，何兆国，陈良旭，贺艺华，杨　昶 （长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南　长沙　４１０００４） 摘　要：超光速（相速度大于光速）电磁波是广泛存在于空间等离子中的高频电磁波，总结了超光 速电磁波的产生机制———回旋微波激射不稳定性，介绍了超光速波在地球磁层中的传播特性，分析 了其从高纬极光源区传播到低纬区域的基本原因：磁暴时由于等离子层顶压缩，超光速波传播时不 会遇上反射，从而能向下传播。重点介绍了超光速波产生的地球辐射带区域高能电子的随机加速 与投掷角扩散过程。发现超光速波能量扩散过程一般大于投掷角扩散过程，在合适的条件下超光 速波对高投掷角的高能电子主要起随机加速作用，而对低投掷角的高能电子主要起投掷角扩散作 用。这些必威体育精装版进展有助于进一步了解超光速电磁波的激发与传播特性，以及地球辐射带高能电子 的动力学行为。 关　键　词：超光速电磁波；传播特性；随机加速；投掷角扩散 中图分类号：Ｐ６３１　　　文献标志码：Ａ ［１０］ 的高能量 。另一种机制是波—粒相互作用产生 １　引　言 ［１１～１３］ 的高能电子随机加速与投掷角扩散过程 。这 电磁波与高能粒子相互作用是空间等离子中普 些电磁波既包括众所皆知的亚光速波模（如哨声波 遍存在的能量传输和转换的重要物理过程。观测事 模，离子回旋波模），也包括超光速电磁波模。由于 实表明：磁暴时地球外辐射带区域高能电子的通量 超光速电磁波模频率高，相应的观测数据少，因而目 急剧增加，而高纬区域高能电子的沉降活动加 前有关研究甚少，这正是本文的出发点。 ［１，２］ 剧 。由于高能电子对航天器材料能产生“充电” ２　产生机制和传播特性 效应，其通量增加将严重损害同步轨道的航天器等； 而电子沉降活动是提供磁层和中层大气层耦合作用 超光速电磁波模由３种波模组成：右旋异常模 的重要因素，能影响大气层的电性和化学特性，因而 （ＲＸ），左旋寻常模（ＬＯ）以及左旋异常模（Ｌ ［１４～１６］ 高能电子沉降活动的加剧对全球大气环境有着重要 Ｘ） 。地球极光千米波辐射（ＡＫＲ）和木星十米 的影响。一般认为：导致辐射带区域高能电子通量 波辐射主要是 ＲＸ模。超光速电磁波ＲＸ模的产 变化的机制主要有２种：一种机制是磁暴时增强的 生机制主要为回旋微波激射不稳定性（ＣＭＩ）———吴 地磁脉动ＵＬＦ波加剧高能电子向内径向扩散过程， 李的奠基石工作［１７］。早期 的 ＣＭＩ主要特点 由于在此过程中第一和第二绝热不变量守恒，从而 为［１７～２１］： 假设电子分布为损失锥分布函数，即存 ① 导致高能电子加速［３～９］。但径向扩散过程（特别是 在ｆ／ ＞０的正梯度区域能产生自由能； 波粒相