左旋尋常的極光千米波與輻射帶高能電子相互作用的參數(shù)化研究*

李文濤 張賽 賀佳貝 鄧舟坤 楊奇武 商雄軍 周慶華

1(長沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 長沙 410114)

2(中國科學(xué)院空間天氣學(xué)國家重點實驗室 北京 100190)

3(騰訊云計算(長沙)有限責(zé)任公司 長沙 410221)

4(湖南省普通高校重點實驗室 近地空間電磁環(huán)境監(jiān)測與建模實驗室 長沙 410114)

0 引言

極光千米波（Auroral Kilometric Radiation，AKR）是地球磁層等離子體中相速度大于光速的電磁波，頻率在30～800 kHz，功率可達(dá)107～109W[1-3]。目前，普遍認(rèn)為極光千米波是來自磁尾的超熱電子（能量1～10 keV）在極區(qū)由于電子回旋注入不穩(wěn)定性ECMI（Electron Cyclotron Maser Instability）激發(fā)的[4]?？臻g等離子體中的極光千米波存在三種模式，即右旋奇異（Right-hand Extraordinary,R-X）模、左旋尋常(L-O) 模和左旋奇異（Left-hand Extraordinary,L-X）模。極光千米波的產(chǎn)生機制預(yù)測地球磁層中的極光千米波主要以R-X 模為主，很多觀測數(shù)據(jù)也證實了這一點[4-8]。Summer等[9]研究了第一階共振驅(qū)動的極光千米波與輻射帶電子的相互作用，結(jié)果表明極光千米波能夠?qū)Ω吣茈娮赢a(chǎn)生明顯加速效應(yīng)。隨后，Xiao等[10]構(gòu)建了包含波磁場分量的極光千米波局地擴散系數(shù)表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，Xiao等[11,12]隨后使用假設(shè)的極光千米波磁場分量參數(shù)，計算了由15 階共振驅(qū)動的極光千米波彈跳平均擴散系數(shù)，結(jié)果表明極光千米波能在一天內(nèi)對電子產(chǎn)生有效加速，甚至能將電子能量加速至約100 倍，而這些被加速的電子有可能嚴(yán)重威脅航空系統(tǒng)及空間天氣。

由于極光千米波的源區(qū)位于高度為1～3Re的高緯極光區(qū)[1,3,13]，因此早期對極光千米波的觀測主要集中在高緯區(qū)域。2015 年Kurth等[14]基于Van Allen 探測器的數(shù)據(jù)報道了輻射帶低緯區(qū)域的極光千米波，說明產(chǎn)生于極區(qū)的極光千米波能夠出現(xiàn)在輻射帶甚至赤道附近。Xiao等[15]利用3D 射線追蹤方法研究了不同地磁條件下極光千米波的傳播，證明在一定條件下極光千米波可以從高緯極區(qū)傳播至低緯區(qū)域甚至赤道區(qū)域。2019 年基于Van Allen 探測器數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果表明，輻射帶的極光千米波存在于L為3～6.5 和整個磁地方時的廣泛區(qū)域[16,17]。

由于缺乏高頻電磁波磁場分量的觀測數(shù)據(jù)和其他判斷電磁波極化的手段，之前對極光千米波的傳播機制及其與電子相互作用的研究主要是基于極光千米波為R-X 模的假設(shè)。雖然Hanasz等[18]2003 年在使用Interball-2 數(shù)據(jù)研究極光千米波發(fā)生率分布的工作中發(fā)現(xiàn)磁層高緯區(qū)域存在L-O 模，但是輻射帶的中低緯區(qū)域長期以來沒有關(guān)于L-O 模的報道，因此關(guān)于輻射帶中L-O 模與電子之間的相互作用尚未被系統(tǒng)性研究。2018 年Nakamura等[19]利用Arase 衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)報道了極光千米波極化的研究事例，發(fā)現(xiàn)在輻射帶中不僅存在R-X 模，同時也存在L-O 模?；诖?，本文通過改變L-O 模的峰值頻率(ωm)、傳播角(θ)分布和緯度(λ)分布，計算電子彈跳平均擴散系數(shù)，參數(shù)化研究L-O 模與外輻射帶高能電子的相互作用。

1 模型介紹

在忽略離子運動及無碰撞的冷等離子體時，高頻斜傳播的L-O 模的色散關(guān)系為[9,10,20]

其中，μ為等離子體的折射率，ω為波的角頻率，ωpe為電子等離子體頻率，Ωe為電子回旋頻率，θ為波傳播角。根據(jù)波的色散關(guān)系得到L-O 模的下截止頻率為

電磁波與電子之間的n階諧波回旋共振條件為

其中，k‖=kcosθ為波的平行波數(shù)；v‖=vcosα，v為電子速度，α為電 子投擲角；γ為洛倫茲因子。由于極光千米波為超光速波，由其定義可知相速度u=ω/k ＞c，回旋共振階數(shù)n只能取負(fù)值-1，-2，-3，···，∞。

在描述波粒相互作用的準(zhǔn)線性擴散方程中，彈跳平均的投擲角擴散系數(shù)、動量擴散系數(shù)和交叉投擲角擴散系數(shù)＜Dαα＞，＜Dpp＞，＜Dαp＞=＜Dpα＞具體形式為[21,22]

式中，歸一化的彈跳時間可以通過T(αe)≈1.30-0.56sinαe得 到，這里αe為 電子赤道投擲角；λm為L-O模存在的最大緯度，Dαα，Dpp，Dαp=Dpα分別為局地的投擲角擴散系數(shù)、動量擴散系數(shù)及交叉投擲角-動量擴散系數(shù)，其均具有與p2/t相同的量綱[22-24]。局地擴散系數(shù)矩陣D的每個元素均可以表示為一個在波的傳播角范圍內(nèi)對X（X=tanθ）的積分和對所有共振階數(shù)n的求和，即

其中，Xl為 傳播角正切值的下限，Xu為傳播角正切值的上限，并滿足高斯分布。

根據(jù)以往研究[10]可以求得投擲角擴散系數(shù)

其中，B0為背景磁場強度，ω取所有共振頻率，|Φn,k|2與 波的色散關(guān)系相關(guān)，N(ω)則是一個使得每單位頻率的波能量等于的歸一化因子，后兩個量在之前的研究中已經(jīng)得到[22,25]。而交叉及動量局地擴散系數(shù)與的關(guān)系如下：

2 數(shù)值結(jié)果與分析

此前對極光千米波的研究表明，在一定條件下極光千米波能夠從高緯極區(qū)傳播進(jìn)入輻射帶的低緯區(qū)域，甚至到達(dá)低緯赤道附近。在這些區(qū)域，輻射帶中的高能電子會與極光千米波發(fā)生回旋共振，這可能引起高能電子的顯著加速，從而導(dǎo)致空間天氣災(zāi)害的發(fā)生。Xiao等[11]曾針對R-X 模的極光千米波對輻射帶電子的動力學(xué)演化進(jìn)行了系統(tǒng)的參數(shù)化研究。以此為參考，這里通過計算L-O 模在不同的峰值頻率(ωm)、傳播角(θ) 分布和波緯度(λ)分布情況下，輻射帶電子的彈跳平均擴散系數(shù)，對L-O 模與輻射帶電子的相互作用進(jìn)行參數(shù)化研究。

分析中假設(shè)是在強磁暴（KP=5）期間的 L-O 模與高能電子發(fā)生階數(shù)n為-1～15 的回旋共振作用，其發(fā)生區(qū)域為L=4.5 的外輻射帶區(qū)域。在磁暴發(fā)生期間，等離子層頂會向地球壓縮，導(dǎo)致所選區(qū)域的等離子體密度變低（這里選取的等離子體密度參數(shù)ωpe2/Ωe2=2.0，電子數(shù)密度n0=ωpe2ε0me/e2=2.0Ωe2ε0me/e2，其中ε0為 介電常數(shù)，me為電子質(zhì)量，e為電子電荷量值）[26]；極光千米波的波幅度在磁暴時可以達(dá)到0.1 nT 左右[27]，這里選取L-O 模的幅度Bt=0.1 nT。根據(jù)既有研究結(jié)果，極光千米波的傳播路徑十分傾斜[9,28]，且目前缺少輻射帶關(guān)于極光千米波傳播角的具體觀測數(shù)據(jù)。為使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，這里選取較大的 L-O 模傳播角范圍作為計算擴散系數(shù)的參數(shù)。采用的參數(shù)具體如下：Xl=tan5°，Xu=tan89°，Xm=tan60°，Xω=tan50°。選擇的頻率參數(shù)為ωl/(2π)=10 kHz，ωu/(2π)=500 kHz，δω/(2π)=100 kHz。同時假設(shè)L-O 模存在于沿著整個磁場線的所有緯度，具有恒定的波幅Bt=0.1 nT。

2.1 波的不同峰值頻率對輻射帶電子的影響

為研究峰值頻率ωm對L-O 模與輻射帶電子相互作用的影響，分別考慮ωm/(2π)=150 kHz，250 kHz和350 kHz三種情況。

從圖1 中可以明顯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)峰值頻率為150 kHz時，1 MeV 以下能量電子的有效擴散系數(shù)（＞ 10-9s-1）覆蓋了整個投擲角范圍，擴散系數(shù)隨著電子能量的增加而逐漸減小。隨著波的峰值頻率從150 kHz 增大到350 kHz，投擲角、動量以及交叉擴散系數(shù)覆蓋的投擲角區(qū)域逐漸減小。同時，從圖1 中可以得知，對于三種峰值頻率的L-O 模與電子相互作用，有效的動量擴散系數(shù)覆蓋的投擲角范圍均大于投擲角擴散系數(shù)覆蓋范圍。

圖1 不同峰值頻率的投擲角（上）、動量（中）及投擲角-動量交叉（下）彈跳平均擴散系數(shù)2D 結(jié)果Fig.1 2D bounce-averaged diffusion coefficients of pitch angle (top),momentum (middle),and cross (bottom)

圖2 表明，在小投擲角區(qū)域（＜ 30°），峰值頻率為150 kHz 的L-O 模對1 MeV 的電子，動量擴散系數(shù)比投擲角擴散系數(shù)約高10 倍；但是在大投擲角處（＞ 60°），動量擴散系數(shù)比投擲角擴散系數(shù)高約100 倍，這說明L-O 模對電子的主要作用是導(dǎo)致其動量擴散，因此L-O 模具有加速電子的可能。圖3 給出了1 MeV 能量電子的投擲角擴散系數(shù)與動量擴散系數(shù)的對比，研究表明，對于這三種不同峰值頻率的L-O 模，擴散系數(shù)均隨投擲角的增大而下降，特別是在峰值頻率為250 kHz 和350 kHz 時，隨著投擲角的增大，擴散系數(shù)的下降更為迅速。此外，對比分析三種頻率的擴散系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)彈跳平均擴散系數(shù)會隨著峰值頻率的增加而降低。這是因為在其他條件不變的情況下，L-O 模與電子共振時，共振頻率大多集中在較低頻率且不會隨峰值頻率變化，當(dāng)峰值頻率增加時，這些共振頻率會越遠(yuǎn)離峰值頻率，共振能量將減弱，使得擴散系數(shù)減小，這與R-X 模的情況較為相似[11]。

圖2 不同峰值頻率的投擲角（上）、動量（中）及投擲角-動量交叉（下）彈跳平均擴散系數(shù)1D 結(jié)果Fig.2 1D bounce-averaged diffusion coefficients of pitch angle (top),momentum (middle),and cross (bottom)

圖3 能量為1 MeV 的投擲角擴散系數(shù)（Dαα）與動量擴散系數(shù)（Dpp）的對比Fig.3 Comparison of the pitch angle diffusion coefficient (Dαα) and momentum diffusion coefficient (Dpp) with energy of 1 MeV

2.2 波的不同傳播角分布對輻射帶電子的影響

此前針對準(zhǔn)線性散射率對亞光速合聲波傳播角分布情況的敏感性研究發(fā)現(xiàn)，散射率對高能量波的傳播角分布相對不敏感[29]。2007 年Xiao等[28]基于射線追蹤技術(shù)針對極光千米波傳播路徑的研究發(fā)現(xiàn)，極光千米波初始傳播角的不同會在一定程度上影響其傳播路徑。

為研究不同傳播角對L-O 模與輻射帶電子間相互作用的影響，選取了4 組不同L-O 模傳播角分布范圍進(jìn)行計算與分析。這4 組范圍分別是：完整傳播角范圍5°＜θ＜89°，中等及大的傳播角范圍25°＜θ＜89°，大傳播角范圍45°＜θ＜89°，中等傳播角范圍45°＜θ＜65°。計算采用的波的傳播角參數(shù)均與2.1 節(jié)中一致。在4 種傳播角范圍的計算中采用的L-O 模峰值頻率均為ωm/(2π)=150 kHz。

圖4 給出的是在4 種不同L-O 模傳播角分布情況下的二維電子彈跳平均擴散系數(shù)。從情況1～3 可以明顯看出，在最小傳播角不同而最大傳播角相同的條件下，三種情況之間的擴散系數(shù)沒有明顯差異。圖4 中，情況4 采用的最小傳播角與情況3 是一致的，最大傳播角則與前三種情況不同，但是可以發(fā)現(xiàn)情況4 的擴散系數(shù)與前三種情況未發(fā)生較大變化，因此可從圖4 中得到在峰值傳播角及半寬帶不變的情況下，傳播角范圍對L-O 模與電子相互作用的擴散系數(shù)影響很小。

圖4 不同傳播角分布的投擲角（左）、動量（中）及投擲角-動量交叉（右）彈跳平均擴散系數(shù)2D 結(jié)果Fig.4 2D bounce-averaged diffusion coefficients of pitch angle (left),momentum (middle),and cross (right) for different wave normal angle distributions

圖5 是與圖4 對應(yīng)的一維擴散系數(shù)，與圖4 類似，在最小傳播角不同而最大傳播角相同的條件下（情況a～c），三種情況的擴散系數(shù)沒有明顯差異。在最大傳播角變小后（情況j～l），擴散系數(shù)相比前三種情況同樣未發(fā)生明顯變化，同樣也能說明在峰值傳播角及半寬帶不變的情況下，L-O 模與電子相互作用的擴散系數(shù)對傳播角范圍的依賴較弱。

圖5 不同傳播角分布的投擲角（左）、動量（中）及投擲角-動量交叉（右）彈跳平均擴散系數(shù)1D 結(jié)果Fig.5 1D bounce-averaged diffusion coefficients of pitch angle (left),momentum (middle),and cross (right)for different wave normal angle distributions

2.3 波的不同緯度分布對輻射帶電子的影響

既有研究結(jié)果表明，波存在的緯度分布會影響其與粒子之間的相互作用[30,31]，R-X 模對電子的動力學(xué)影響會隨著緯度的不同而發(fā)生變化，高緯的R-X 模會導(dǎo)致電子投擲角散射，而在赤道附近或者低緯處，則會有效加速電子[32-34]。

為了探究不同緯度分布對L-O 模與輻射帶電子相互作用的影響，同樣選擇三個具有代表性的L-O 模緯度分布范圍計算擴散系數(shù)：所有緯度區(qū)域（λ＞0°），中高緯度區(qū)域（λ＞20°），高緯區(qū)域（λ＞40°）。在此計算中采用的L-O 模的峰值頻率同樣為ωm/(2π)=150 kHz。

圖6 給出的是在三種不同L-O 模緯度分布情況下，電子二維彈跳平均投擲角、動量及投擲角-動量交叉擴散系數(shù)。從圖6(a)～(c)可以清晰發(fā)現(xiàn)，在緯度分布為所有緯度區(qū)域時，有效擴散系數(shù)覆蓋了整個投擲角范圍。然而隨著緯度分布變?yōu)橹懈呔晠^(qū)域后，擴散系數(shù)會移動到較小的投擲角區(qū)域（＜60°）如圖6(d)～(f)所示。到了高緯區(qū)域時，擴散系數(shù)只存在于30°以內(nèi)的投擲角區(qū)域，如圖6(g)～(i)所示。同時，隨著波存在緯度范圍的減小，擴散系數(shù)會有一個數(shù)量級左右的減小。

圖6 不同緯度分布的投擲角（上）、動量（中）及投擲角-動量交叉（下）彈跳平均擴散系數(shù)2D 結(jié)果Fig.6 2D bounce-averaged diffusion coefficients of pitch angle (top),momentum (middle),and cross (bottom) for different wave latitudinal distributions

圖7 是與圖6 對應(yīng)的不同能量電子的一維擴散系數(shù)。如圖7(a)～(c)所示，當(dāng)緯度分布為整個緯度區(qū)域時，在整個投擲角區(qū)域中，擴散系數(shù)變化較為平緩。但是在中高緯度區(qū)域，擴散系數(shù)在投擲角為50°附近會急劇下降，如圖7(d)～(f)所示。而在高緯區(qū)域，在投擲角為25°時擴散系數(shù)急劇下降，如圖7(g)～(i)所示。這說明緯度分布對L-O 模與電子之間的相互作用有著較大影響，L-O 模存在的緯度變化會導(dǎo)致電子動力學(xué)過程發(fā)生劇烈變化。

圖7 不同緯度分布的投擲角（上）、動量（中）及投擲角-動量交叉（下）彈跳平均擴散系數(shù)1D 結(jié)果Fig.7 1D bounce-averaged diffusion coefficients of pitch angle (top),momentum (middle),and cross (bottom) for different wave latitudinal distributions

3 結(jié)論

通過使用L-O 模3 組不同的峰值頻率參數(shù)、4 組不同的傳播角分布參數(shù)以及3 組不同的緯度分布參數(shù)，分別計算了電子彈跳平均的投擲角、動量及投擲角-動量擴散系數(shù)，探討了不同參數(shù)的L-O 模對輻射帶中高能電子的影響。得到結(jié)論如下。

（1）隨著L-O 模峰值頻率的增加，有效擴散系數(shù)覆蓋的投擲角范圍會逐漸減小，并且擴散系數(shù)也會逐漸減小。這可能是由于對電子彈跳平均擴散系數(shù)的影響主要來自波高斯分布的峰值頻率附近的根，而共振頻率大多集中在較低的波頻率附近。此外，動量擴散系數(shù)均大于投擲角擴散系數(shù)與交叉擴散系數(shù)，最大高出約100 倍，這說明L-O 模對電子的主要影響是導(dǎo)致其動量擴散，也證明L-O ?？赡軙﹄娮舆M(jìn)行有效加速。

（2）在L-O 模的峰值傳播角及半寬帶不變，最大傳播角相同時，其與電子相互作用的擴散系數(shù)之間沒有明顯差異。在最大傳播角相同而最小傳播角不同時，擴散系數(shù)同樣沒有發(fā)生較大變化，說明L-O 模與電子相互作用的擴散系數(shù)與傳播角范圍之間沒有很密切的聯(lián)系。

（3）當(dāng)緯度分布為整個緯度區(qū)域時，在所有投擲角范圍內(nèi)，擴散系數(shù)的變化較為平緩。但是在緯度分布為中高緯區(qū)域時，擴散系數(shù)在投擲角50°附近會急劇下降。而在高緯區(qū)域，在投擲角為25°時擴散系數(shù)急劇下降。這說明緯度同樣會對L-O 模與電子之間的相互作用造成較大影響，L-O 模的緯度分布變化會對其與電子的相互作用過程發(fā)生顯著影響。

需要指出的是，Denton等[35]2002 年的研究工作發(fā)現(xiàn)，電子密度沿磁力線會隨緯度的升高而增加，在L=4.5 的磁力線上，L-O 模分布的維度范圍內(nèi)電子密度變化不大（例如緯度50°處的電子密度是赤道處的1.76 倍）。在采用上述計算參數(shù)的情況下，場向密度變化對擴散系數(shù)的影響較小。為突出L-O 模的頻率、傳播角和分布緯度等特性在與電子相互作用中的影響這一重點，同時也為了減少計算量，這里沒有討論場向密度變化對擴散系數(shù)的影響，這方面研究將在今后工作中開展。同時，計算采用了假設(shè)的波譜參數(shù)，進(jìn)一步的工作將基于衛(wèi)星對L-O 模波的觀測數(shù)據(jù)，研究其與輻射帶電子的相互作用。