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中國(guó)科大地球和空間科學(xué)學(xué)院陶鑫教授聯(lián)合意大利 ENEA研究所Fulvio Zonca教授，浙江大學(xué)陳騮教授聯(lián)合提出空間等離子體中合聲波的新激發(fā)理論模型--TaRA模型。該結(jié)果發(fā)表在空間物理專(zhuān)業(yè)雜志《Journal of Geophysical Research – Space Physics》上，并被推薦為美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)研究亮點(diǎn)(Research Spotlight)。

合聲波為等離子體中的一種電磁波動(dòng)，廣泛存在于行星磁層中。從其電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換而來(lái)的聲音信號(hào)，聽(tīng)起來(lái)如同清晨群鳥(niǎo)合鳴，所以被命名為合聲(chorus)。合聲波可以通過(guò)共振的方式與空間中的電子快速交換能量與動(dòng)量，形成范阿倫電子輻射帶，彌散極光，與脈動(dòng)極光。合聲波的頻譜非常獨(dú)特，展現(xiàn)出窄帶寬的快速掃頻結(jié)構(gòu)(圖1)。合聲波因?yàn)槠渲匾獙?shí)際意義與奇特性質(zhì)，吸引了對(duì)其掃頻過(guò)程的廣泛科學(xué)研究興趣。

圖1 衛(wèi)星觀測(cè)到的合聲波頻譜所展現(xiàn)出的掃頻結(jié)構(gòu)

合聲波掃頻機(jī)制的研究歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)，存在多個(gè)物理模型，但至今依然飽受爭(zhēng)議。特別的，歷史上的不同模型中出現(xiàn)了兩種理論掃頻率，一種正比于背景磁場(chǎng)不均勻度，與地球磁層中的觀測(cè)穩(wěn)合較好，但無(wú)法解釋均勻磁場(chǎng)下的掃頻；另一種正比于波動(dòng)振幅，被自洽的粒子模擬所驗(yàn)證。兩種掃頻率的形式迥異。

本研究根據(jù)粒子模擬中波動(dòng)增長(zhǎng)率的分析，電子的相空間動(dòng)力學(xué)以及非線性波粒相互作用理論，提出了一個(gè)名為“Trap-Release-Amplify” (TaRA) 的理論模型(圖二)。當(dāng)應(yīng)用于地球磁層時(shí)，該模型依據(jù)波動(dòng)傳播方向，將空間中赤道附近區(qū)域（波動(dòng)源區(qū)）分成上下游。這兩個(gè)區(qū)域在波動(dòng)激發(fā)中扮演相對(duì)不同的角色。在下游區(qū)，非線性波粒相互作用形成了相干的電子相空間結(jié)構(gòu)；而在上游區(qū)域的釋放點(diǎn)，當(dāng)粒子與波動(dòng)滿(mǎn)足相位鎖定條件時(shí)，波和粒子能量交換達(dá)到最大化，使得該相干相空間結(jié)構(gòu)通過(guò)選擇性激發(fā)過(guò)程產(chǎn)生具有掃頻的合聲波。在釋放點(diǎn)由相位鎖定條件計(jì)算所得的掃頻率正比于背景磁場(chǎng)的不均勻度，且可以證明該掃頻率與之前的理論掃頻率之一相同。同時(shí)因?yàn)槭褂昧烁鼜V義的非線性波粒相互作用理論，TaRA模型沒(méi)有之前模型所面臨的均勻磁場(chǎng)掃頻難題，且與另一類(lèi)模型一樣，可以給出正比于波動(dòng)振幅的掃頻率。最后TaRA模型也給出了合聲波的精細(xì)結(jié)構(gòu)，窄帶特性，以及其演化過(guò)程的理論解釋。

圖2 TaRA模型示意圖

圖3 美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)的研究亮點(diǎn)報(bào)道

該文第一及通迅作者為陶鑫教授。研究受到自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目，面上項(xiàng)目，中科院行星先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)，以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)重要方向項(xiàng)目培育基金的支持。美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)以“Unifying models of chorus wave frequency chirping”為題進(jìn)行了報(bào)道(圖三)。

論文鏈接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2021JA029585

AGU報(bào)道鏈接：https://eos.org/research-spotlights/unifying-models-of-chorus-wave-frequency-chirping

（地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部）