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李柳元等人揭开了卫星“杀手电子”时空变化之谜

2017年06月07日 08:35
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在地球上空大约1.27个地球半径的空间区域分布着大量的高能带电粒子(主要为高能质子和电子)。这些高能带电粒子除了围绕地球磁场线做回旋运动和沿着磁场线在南北磁镜点之间做弹跳运动之外,还围绕着地球做方位漂移运动并形成地球辐射带(如图1所示)。辐射带高能粒子严重地威胁着航天器和宇航员的安全。其中,能量达到兆电子伏特(MeV)以上的高能电子可以穿透卫星绝缘层并造成卫星深层充电甚至完全毁坏,因此被称为卫星杀手电子。尽管辐射带被发现50多年了,但是辐射带高能电子的数量和空间分布变化机理一直是空间科学界尚未解决的科学难题。

最近,空间与环境学院李柳元副研究员和俞江博士等人分析了RBSP卫星过去两年的探测数据并应用计算机模拟了波粒相互作用过程,他们发现外辐射带高能电子数的增加主要是由于等离子体层顶外面的哨声模合声波加速电子造成的,而在高密度等离子层内持续性喷发的哨声模嘶声波(俗称等离子体层嘶声)能够造成等离子体层顶高度以下(譬如槽区)高能电子的减少甚至完全消失。在不同的地磁条件下,等离子体层会发生膨胀或收缩,从而影响层外合声波和层内嘶声波的强度和空间范围,哨声模波诱发的电子加速和损失区域的变化在一定程度上直接导致了辐射带高能电子的时空变化(如图1所示)。

1. 哨声模合声波造成外辐射带兆电子伏特(MeV)能量电子(e-)的增加,而哨声模嘶声波可以造成槽区和内辐射带区域MeV电子的减少甚至完全消失掉(选自Li et al., JGR, 2017)。

与哨声模波不同的是,磁声波可以在等离子体层内外的任何地方喷发。尽管过去的研究一直认为磁磁声波可以加速电子到接近光速并因此造成高能电子的增加,但是李柳元等人的观测和模拟证明在持续性嘶声波扩散电子损失的情况下,磁声波几乎不影响高密度等离子体内高能(MeV)电子的数量,它们对等离子层顶外面的高能电子的影响也是远远弱于合声波的。

李柳元等人的研究首次揭开了卫星杀手电子时空变化之谜。相关的研究结果已经被国际地球物理杂志<<Journal of Geophysical Research: Space Physics>>作为高闪光论文发表(文章标题为“Roles of whistler mode waves and magnetosonic waves in changing the outer radiation belt and the slotregion”, 链接地址http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2016JA023634/abstract;同时被美国地球物理学会(AGU)官网作为地球和空间科学新闻(EOS)详细地报道了(新闻标题为How “Whistling” Plasma Waves Shape Earth’s RadiationBelts,链接地址https://eos.org/research-spotlights)。图2给出了当天的EOS新闻主页

2. 当天的EOS新闻主页(选自AGU-EOS官网https://eos.org

 

文章引用格式:

Li, L. Y., J. Yu, J. B. Cao, J. Y. Yang, X. Li, D. N. Baker, G. D. Reeves, and H. Spence (2017), Roles of whistler mode waves and magnetosonic waves in changing the outer radiation belt and the slot region, J. Geophys. Res. Space Physics, 122, doi:10.1002/2016JA023634.




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