地球磁层中微观等离子体不稳定性的粒子模拟

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本文中,用粒子模拟的方法研究了磁层中的两种微观不稳定性:磁尾电流片中的低混杂漂移不稳定性和磁鞘层中由于离子温度各项异性激发的离子回旋波。 1.Harris电流片中低混杂漂移不稳定性的二维伞粒子模拟低混杂漂移不稳定性是由于抗磁电流在密度和磁场的不均匀的情形下驱动的不稳定性,长期以来被认为可能在磁层物理中起重要作川。我们利用2维伞粒子模拟程序模拟磁尾电流片参数下的Harris电流片随时间的演化。存初始阶段,低混杂漂移波被局限在电流片的边缘区域,随着Harris电流片的非线性演化,有较长波长的电磁波动将在电流片的中心被激发。同时低混杂漂移波能有效改变电流片中的等离子体密度。低混杂漂移不稳定性的非线性演化将形成电子E×B旋涡结构,由于薄电流片中电子和离子运动的差异,这种旋涡状结构将产生电荷分离,形成在密度梯度方向的静电场,静电场和磁场的作用将使电子在电流方向上被加速,从而造成电流片结构的改变,这种电流片结构的改变经常在磁重联发生之前被观测到,因此可能在磁尾磁场重联的起始和非线性演化中起重要作用。 2.由于质子和He<2+>温度各项异性激发的离子回旋波动地球磁鞘层过渡区即等离子体消蚀层的实地观测经常观测到二钟类型的离子回旋波谱[Anderson et al.,1994],它们是LOW型,其特征是连续波谱,主要频率低于0.5Ω<,p>;CON型,为主要频率能延伸至0.5Ω<,p>以上的连续波谱;BIF型,波谱有两个峰值,其中较高频的峰延伸至α粒子的回旋频率(0.5Ω<,p>)以上,而较低频率的峰则低于0.5Ω<,p>,在0.5Ω<,p>附近有一极小值。我们用一维混合模拟的方法模拟等离子体消蚀层典型参数下由于质子和He<2+>的温度各项异性激发的离子回旋波,并与观测做比较。模拟发现质子回旋波首先被激发,然后氦离子吲旋波被激发。在线性增长阶段,质子回旋波的主频大于氦离子的回旋频率,同时氦离子回旋波的丰频小于氦离子回旋频率。当β<,‖p>较小时,质予回旋波的主频近似为一个常数。当氦离子回旋波被激发以后,会形成BIF型波谱。当β<,‖p>较大时,波谱会变宽。质子回旋波的主频在非线性阶段将降低,在氦离子回旋波被激发以后,质子回旋波的波谱会和氦离子回旋波的波谱合并。这可以解释PDL巾观测到的CON型波谱。而LOW型波谱的形成是由于在β<,‖p>较小时氦离子对质子回旋波的共振吸收,或在β<,‖p>较大时质子回旋波的频率漂移罕低于氦离子回旋频率。
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