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南科大地空系刘凯军团队在磁层中氧离子回旋谐波的激发问题上取得成果

近期,南方科技大学地球与空间科学系教授刘凯军课题组在磁层中氧离子回旋谐波的激发问题上取得研究成果,发表在空间物理领域权威学术期刊Geophysical Research Letters

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氧离子回旋谐波是一种在内磁层中观测到的等离子体波动,其显著的特征是在氧离子回旋频率的整数倍附近有离散频谱峰值。这种波动的激发机制尚存争议,主要是因为卫星波动数据分析中常用的奇异值分解(SVD)方法计算出的波的传播方向为准平行方向,而等离子体动力学理论得出的在氧离子回旋频率整数倍附近的不稳定波模为准垂直传播。刘凯军课题组利用自洽的混合模拟,证明了环状速度分布的超热氧离子可以激发氧离子回旋谐波。他们的三维混合模拟结果表明氧离子回旋谐波的传播方向为准垂直传播,但由于不同方位角的波模叠加,使得SVD方法给出了错误的准平行传播估计。此外,模拟结果还显示这种波可以通过回旋共振加热较冷的背景氧离子,并可以与辐射带能量电子相互作用。

氧离子回旋谐波是地球内磁层中观测到的众多等离子体波动的一种,它因在氧离子回旋频率及倍频附近存在离散的频谱峰值这一特征而得名。基于对观测到的波动磁场的奇异值分解(SVD)分析,前人研究认为氧离子回旋谐波准平行于背景磁场传播。后续的等离子体动力学不稳定性研究发现与波动同时观测到的环状速度分布的超热氧离子可以在氧离子回旋频率的谐波频率上激发不稳定波模,产生的波很多性质也与观测一致,但一个很大不同在于这些波是准垂直于背景磁场传播。

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图1. 一维混合模拟给出的磁场波动的功率谱。 


刘凯军课题组对此开展了混合模拟研究。他们首先利用一维混合模拟证实了等离子体动力学不稳定性线性理论分析的预测,即氧离子环速度分布可以在多个氧离子回旋频率的整数倍上激发波动(图1)。更重要的是,该研究通过三维混合模拟证实,虽然激发的波动为准垂直传播(图2),但多个不同方位角波模的叠加使得SVD方法中的平面波近似得不到满足,从而导致SVD方法给出准平行传播的错误结果(图3)。最后,模拟结果还表明氧离子回旋谐波可以通过回旋共振引起冷的背景氧离子的垂直加热,并可以与辐射带中的能量电子相互作用。

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图2. 三维模拟给出的波数空间的磁场波动功率谱等值面图显示激发的波动为准垂直传播。注意背景磁场在z方向,而z方向与x、y方向的坐标轴比例不同。

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图3. (a)三维模拟的磁场波动频谱图;(b) 奇异值分解方法计算的波动传播角。


南科大为论文的第一通讯单位,刘凯军为论文的第一作者和通讯作者。该成果得到了中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金和深圳市科技计划等项目的资助。

 

文章链接:https://doi.org/10.1029/2020GL090575

 

 

供稿:地球与空间科学系

通讯员:黄惠婧

编辑:程雯璟

主图设计:丘妍