南科大劉凱軍團隊在磁層中氧離子迴旋諧波的激發問題上取得成果
2020-11-24 南方科技大學近期，南方科技大學地球與空間科學系教授劉凱軍課題組在磁層中氧離子迴旋諧波的激發問題上取得研究成果，發表在空間物理領域權威學術期刊Geophysical Research Letters。
氧離子迴旋諧波是一種在內磁層中觀測到的等離子體波動,其顯著的特徵是在氧離子迴旋頻率的整數倍附近有離散頻譜峰值。這種波動的激發機制尚存爭議，主要是因為衛星波動數據分析中常用的奇異值分解（SVD）方法計算出的波的傳播方向為準平行方向，而等離子體動力學理論得出的在氧離子迴旋頻率整數倍附近的不穩定波模為準垂直傳播。劉凱軍課題組利用自洽的混合模擬，證明了環狀速度分布的超熱氧離子可以激發氧離子迴旋諧波。他們的三維混合模擬結果表明氧離子迴旋諧波的傳播方向為準垂直傳播，但由於不同方位角的波模疊加，使得SVD方法給出了錯誤的準平行傳播估計。此外，模擬結果還顯示這種波可以通過迴旋共振加熱較冷的背景氧離子，並可以與輻射帶能量電子相互作用。
氧離子迴旋諧波是地球內磁層中觀測到的眾多等離子體波動的一種，它因在氧離子迴旋頻率及倍頻附近存在離散的頻譜峰值這一特徵而得名。基於對觀測到的波動磁場的奇異值分解（SVD）分析，前人研究認為氧離子迴旋諧波準平行於背景磁場傳播。後續的等離子體動力學不穩定性研究發現與波動同時觀測到的環狀速度分布的超熱氧離子可以在氧離子迴旋頻率的諧波頻率上激發不穩定波模，產生的波很多性質也與觀測一致，但一個很大不同在於這些波是準垂直於背景磁場傳播。
圖1. 一維混合模擬給出的磁場波動的功率譜。
劉凱軍課題組對此開展了混合模擬研究。他們首先利用一維混合模擬證實了等離子體動力學不穩定性線性理論分析的預測，即氧離子環速度分布可以在多個氧離子迴旋頻率的整數倍上激發波動（圖1）。更重要的是，該研究通過三維混合模擬證實，雖然激發的波動為準垂直傳播（圖2），但多個不同方位角波模的疊加使得SVD方法中的平面波近似得不到滿足，從而導致SVD方法給出準平行傳播的錯誤結果（圖3）。最後，模擬結果還表明氧離子迴旋諧波可以通過迴旋共振引起冷的背景氧離子的垂直加熱，並可以與輻射帶中的能量電子相互作用。
圖2. 三維模擬給出的波數空間的磁場波動功率譜等值面圖顯示激發的波動為準垂直傳播。注意背景磁場在z方向，而z方向與x、y方向的坐標軸比例不同。
圖3. (a)三維模擬的磁場波動頻譜圖；(b) 奇異值分解方法計算的波動傳播角。
南科大為論文的第一通訊單位，劉凱軍為論文的第一作者和通訊作者。該成果得到了中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金和深圳市科技計劃等項目的資助。
文章連結：https://doi.org/10.1029/2020GL090575
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