（空间物理学专业论文）地球磁层中微观等离子体不稳定性的粒子模拟.pdf

摘要 本文中，我们用粒了模拟的方法研究了磁层中的两种微观不稳定性：磁尾电流j i 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 h a r r i s 电流片中低混杂漂移小稳定性的维伞粒子模拟 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b j 能在磁层物理中起荤要作用。我们利片j 2 维伞粒子模拟程序模拟磁 尾电流片参数下的h a r r i s 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h a r r i s 电流”的非线性演化，有较长波长的电磁波动将在电流j 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卜被加速，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h e 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三钟类型的离子 回旋波谱 a n d e r s o ne ta 1 ，1 9 9 4 i ，它们是l o w 型，其特征是连续波谱，丰要频率低 于0 5 q p ；c o n 型，为主要频率能延伸至o5 q p 以上的连续波谱；b i f 型，波谱有两个 峰值，其中较高频的峰延伸至。粒子的回旋频率( o 5 q 。) 以上，而较低频率的峰则低 于0 5 ，在0 5 q ，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h e 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l 口| 旋波首先被激发，然后氦离子囱i 旋波被激发。在线性增长阶段，质子州旋波的 丰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。当崩i ，较小 时，质了回旋波的主频近似为一个常数。当氦离了回旋波被激发以后，会形成b i f 型波 谱。当崩l ，较大时，波谱会变宽。质子回旋波的土频在非线性阶段将降低，在氦离子回旋 第i 页，共：；s 页 摘要 波被激发以后，质子回旋波的波谱会和氦离子回旋波的波潜合并。这可以解释p d l 巾观 测到的g o 型波谱。而l 0 型波谱的形成是由于在崩，较小时氦离子对质子川旋波的共 振吸收，或在口i l p 较大时质子回旋波的频率漂移军低于氦离子回旋频率。 第i i 页共捧页 乒j 管 a b s t r a c t w ep e r f o r mp a r t i c l es i m u l a t i o n st os t u d yt w om i c r o i n s t a b i l i t i e si nm a g n e t o s p h e r e ，i e l o w e r - h y b r i dd r i f ti n s t a b i l i t y ( l h d i ) i nm a g n e t o t a i lc u r r e n ts h e e ta n di o nc y c l o t r o nw a v e 8 e x c i t e db yi o nt e m p e r a t u r e si nm a g n e t o s h e a t h 1 2 - d i m e n s i o n a lf u l lp a r t i c l es i m u l a t i o no fl h d ii nh a r r i sc u r r e n ts h e e tm o d e l l h d ii sd r i v e nb yt h ed i a m a g n e t i cc u r r e n ti nt h ep r e s e n c eo fi n h o m o g e n e i t i e si nt h e d e n s i t ya n dm a g n e t i cf i e l d ，a n di sl o n gc o n s i d e r e da sa ni i n p o r t a n tm o d ei nm a g n e t o s p h e r i c p h y s i c s w ep e r f o r m2 - d i m e n s i o n a lf u l lp a r t i c l es i m u l a t i o nt oi n v e s t i g a t et h ee v o l u t i o no f h a r r i sc u r r e n ts h e e tu s i n gt y p i c a lm a g n e t o t a i ln e u t r a ls h e e tp a r a m e t e r s i nt h ei n i t i a lp h a s e t h el o w e r h y b r i dd r i f t ( l h d ) w a v e sa r ec o n f i n e da tt h ee d g eo fc u r r e n ts h e e t a st h ec u r r e n t e v o l u t e s ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e sw i t hl o n g e rw a v e l e n g t h e sw i l lb ee x c i t e di nt h ec e n t e r o fc u r r e n ts h e e t a tt h es a m et i m e ，t h el h dw a v e sc a ns t r o n g l ym o d i f yt h ep l a s m ad e n s i t y o fc u r r e n ts h e e t t h en o n l i n e a re v o l u t i o no fl h d lw i l lf o t i ne l e c t r o ne bv o r t i c e s t h e s e v o r t i c e sw i l lm a k et h ee l e c t r o n sd e p a r tf r o mi o n ss i n c et h em o t i o no fi o n sa r ev e r yd i f f e r e n t f r o ma to fe l e c t r o n si nt h i nc u r r e n ts h e e t t h i ss e p a r a t i o nw i l lc r e a t et h ee l e c t r o s t a t i ce l e c t r i c f i e l da n dt h e r e f o r ea c c e l e r a t e se l e c t r o n si nt h ed i r e c t i o no fc u r r e n ts h e e t t h e s en o n l i n e a r e f f e c t sw i l lm o d i f yt h es t r u c t u r eo fc u r r e n ts h e e t ，w h i c hi sf r e q u e n t l yo b s e r v e di nt h ee a r l y p h a s eo fm a g n e t i cr e c o n n e c t i o n ，a n dm a yp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h eo n s e ta n dn o n l i n e a r e v o l u t i o no fm a g n e t i cr e c o n n e c t i o n 2 t h ei o nc y c l o t r o nw a v e se x c i t e db yt e m p e r a t u r ea n i s o t r o p i e so f 日+ a n dh e 2 + t h r e ec a t e g o r i e si o nc y c l o t r o nw a v es p e c t r u ma r eu s u a l l yo b s e r v e db yt h ei n - s i t uo b - s e r v a t i o no fm a g n e t o s h e a t ht r a n s i t i o nl a y e r ，i e p l a s m ad e p l e t i o nl a y e r ( p d l ) a n d e r s o ne t a 1 1 9 9 4 t h e ya r el o w ，w h e r et h ei o nc y c l o t r o nw a v e sh a v eac o n t i n u o u ss p e c t r u mw i t h m a i np o w e rb e l o w0 s d p ，( i st h ep r o t o ng y r o - f r e q u e n c y ) ；c o n ，w h e r et h em a i np o w e r i nt h ec o n t i n u o u ss p e c t r u mo ft h ew a v e sc a ne x t e n df r o m olu pt o1 o f f p ；a n db i f 第i i i 页共琳页 英文摘要 w h e r ead i m i n u t i o na r o u n d0 5 q 口o c c u r sb e t w e e nt w oa c t i v i t yp e a k si nt h es p e c t r u m w e i m p l e m e n t1 - dh y b r i dc o d et os t u d yt h ei o nc y c l o t r o nw a v e se x c i t e db y t h et e m p e r a t u r e a n i s o t r o p i e so fp r o t o n sa n dh e 2 + t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si np d l a l eu s e d f i r s tt h e p r o t o nc y c l o t r o nw a v e sa r ee x c i t e da n dt h e nt h eh e l i u mc y c l o t r o nw a v e sa r ee x c i t e d i n t h el i n e a rg r o w t hp h a s e t h em a i nf r e q u e n c yo fp r o t o nc y c l o t r o nw a v e si sh i g h e rt h e nh e 2 + c y c l o t r o nf r e q u e n c y ，m e a n w h i l et h ef r e q u e n c yo fh e l i u mc y c l o t r o ni sb e l o wh e 2 + c y c l o t r o n f r e q u e n c y i nt h es i t u a t i o nt h a tt h e 卢l i pi ss m a l l e r ，t h em a i nf r e q u e n c yo fp r o t o nc y c l o t r o nw a v e si s a p p r o x i m a t e l yac o n s t a n t a f t e rt h eh e l i u mc y c l o t r o nw a v e sa l ee x c i t e d ，t h eb i ft y p ew a v e s p e c t r u mw i l lf o r m e d w h e nf i l l pi sl a r g e r ，t h ew a v es p e c t r u mw i l lb eb r o a d e n e d t h em a i n f r e q u e n c yo fp r o t o nc y c l o t r o nw a v e sw i l ld e c r e a s ei nt h en o n l i n e a rs t a g e i ns p e c t r u mo f p r o t o nc y c l o t r o nw a v e sw i l lc o m b i n ew i t ht h a to fh e l i u mc y c l o t r o nw a v e s ，w h i c hc a ni n t e r p r e t t h ec o nt y p es p e c t r u mo b s e r v e di np d l t h el o wt y p es p e c t r u mw i l lb ef o r m e db yt h e r e s o n a n ta b s o r p t i o no fp r o t o nc y c l o t r o nw a v e sb yh e 2 + w h e nt h e 岛pi ss m a l l ，o rb yt h e f r e q u e n c yd r i f to fp r o t o nc y c l o t r o nw a v e s 第i v 页，共孙页 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阗或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 加护7 年j 月嗲日 | j一寻 第一章引言弟一早，i 函 地球磁层是地球内禀磁场与太阳风等离了体以及行星际磁场l 同作用而形成的空腔 状结构，是太阳风与近地空间之间的过渡区。由太1 5 日风不断向磁层输入能量，经过在磁 层内的转换和传输，进i 山通过与电离层、热层的耦合，影响近地环境。磁层的结构非常 复杂，图1 1 显示了磁层的主要结构，磁层中几乎每个区域都处于非平衡念，因此磁层内 存在非常丰富的等离子体不稳定性及波动玑象。这牡现象对磁层中的能景转换和传输具 有非常重要的意义。地球磁尾电流片和磁鞘层足两个典型的微观4 i 稳定性发生的区域， 而这些不稳定性的产生是与其发生区域的特征决定的，下l f l i 我们将就地球磁尾和磁鞘层 的观测特征做一介绍。 图1 - 1 地球磁层的手要结构摘自i 肖池阶磁层物斗概述报告中国科学技术大学2 0 0 6 l 第i 页共：谓页 11 地球磁尾电流片的主要观测粹征 1 1 地球磁尾电流片的主要观测特征 地球磁尾足由太阳风迫使在日向侧重联的磁力线向背阳而延伸而形成 d u n g e y ，1 9 6 5 】 ，其形状受太阳风等离子体和行星际磁场的共同影响，其长度可能达到上千个地球半 径。磁尾等离子体的丰要来源是太阳风，同时有部分来源于电离层。磁尾的等离子体口r 分为两部分一部分组成了尾瓣，存存于磁尾磁场的开放磁力线结构中。另一部分组成 了等离子体片，存在于闭合的磁力线中。在磁鞘层、尾瓣、以及等离子体片之间，存在 很多过渡区和边界层，可参见 n i s h i d a ，2 0 0 0 l 。 等离子体片位于磁尾中心区域，是磁尾热等离子体的主要储存区，等离子体数密度 为0 1 一l c r n _ ，电子能量约l k e v ，离子平均能量为5 k e v 。主要成分为氧离子。磁扰日时 氧离子可占很大的比例。按与地球距离可分为近地等离子体片( 8 2 0 r e ) ，中磁尾等离子 体片( 2 0 6 0 r e ) 和远磁尾等离子体片( 6 0 r e ) 。存磁静时等离子体片在赤道两侧的半宽 度约为4 r f 近地内边界距地心平均为t 0 r z 。磁扰时内边界可侵入同步高度以内，半厚 度可减4 , n 1 r e 以下。 从等离子体片两侧到磁尾外边界之间的区域，称为尾瓣，其中等离子体密度稀，温 度低。磁力线是“开放”的，磁场强度大，一侧伸往极区磁层( 极盖区) ，另一侧通向太 阳风，它是磁尾磁能的主要储存区。尾瓣和等离子体片之间的交界阮叫等离子体片边界 层，它起自远磁尾“中性点”，通往地球的。端连接高纬电离层，它是非常活跃和不稳 定的区域。太阳风能量在磁尾的储存、转化和释放，是引起磁层扰动的重要起源。 等离予体片中心有很强的跨越磁尾的电流，电流区很薄，磁场极弱，叫中性片，义 叫磁尾电流片。磁尾电流片一般可以用一维h a r r i s 电流片近t 以 h a r n s ，1 9 6 2 1 。但观测发 现，磁尾电流片有时呈现与h a r r i s 电流片不同的几何位彤和结构。例o f l l u i 等人 1 9 7 8 1 发 现晨昏方向呈现波动结构。电流片有时会在( y z ) 平丽和( x z ) 平面内上下摆动，特 征速度为l o o k m s 。有时会成为分又电流片( 电流集中为两个峰的电流片) 【s e r 9 e e ve ta l ， 1 9 9 3 1 。在等离子体片中，离子温度是电子温度的3 罕5 倍，其原因被认为与磁尾中的加热 加速机制有关 f r a n k ，1 9 8 5 1 。 磁尾电流片的演化被认为与地磁亚暴有密切的火系，在经典的地磁业暴模型中， 被用来解释触发地磁贬暴的物理机制。例如中性线模型( n e n l ) e g b a k e re ta 1 ，1 9 9 6 】 第2 页，共；8 页 譬亭i ： 中，磁层亚暴被认为是在磁尾赤道吲一1 5 r e 附近发生重联触发，造成x 型中性线尾侧的 等离子体与电离层退耦，越尾电流减弱，场向电流增强。膨胀相爆发。而在l u i 1 9 9 6 1 等 人电流中断模型中，磁层暴被认为是近地( 4 5 。) 或是准平行( o b 。 6 0 。) ，近磁层顶的磁鞘层将更加不稳定，但没有很明显的等离 子体参数的过渡变化结构出现。p d l 不会出现，从弓激波剑磁层项的磁鞘层的参数性质 保持不变。 1 2 2 等离子体消蚀层( p d l ) 的主要特征 上面已经提到，等离子体消蚀层( p l a s md e p l e t i o nl a y e r ( p d l ) ) 位f 地球磁层顶的 向阳侧，是由于磁力线伸展和堆积产生的磁场强度增强同时伴随等离子体密度降低的 i x 域。很多学者曾讨论过其产生机制，例朝l ：m a n dk e n n e l 【1 9 9 2 ；z w a na n dw o l f 【1 9 7 6 】，描述了在弓激波和磁层顶之间，太阳风等离子体沿行犀际此产被挤出的过程。由 于磁层的存在，弓激波将使太阳风等离予体偏转并沿磁力线被排出，这样在磁层顶的向 阳侧将形成一个消蚀层，这一区域将具有较低的等离子体密度。 p d l 的存在同样得到了观测方面的证实 c r o o k e re ta 1 ，1 9 7 9 ；p a s c h m a n ne ta 1 ，1 9 7 8 ； p h a ne ta 1 ，1 9 9 4 1 。p d l 中的等离子体参数与周围磁鞘层中的等离子体参数有显著不 同。在p d l 中，随着磁鞘层中等离子体住平行方l 匈卜的损失，等离子体温度将降低，i _ j 时离了温度各项| 异性( 垂直温度比平行温度n ；t f h ) 将增大。在磁鞘层中典型的离了参 数平行于磁场方向的质子p 数凤， l 瓯，= 8 1 r n p 可协s 2 ，其中- 为质子数密度，后为 波尔兹曼常数，司i ，为平行磁场方向的质子温度，b 为磁场的总强度。而在p d l 中，由丁 磁场较强，粒子数密度较低一般有岛， i ；口j 能提供足够的反常电 阻。这个结果被磁层顶的局地观测【b o 地e ta 1 ，9 o c l 2 1 、磁尾的 澳! j , g h i n o h a r ae ta l ，1 9 9 8 】 和等离子体实验【c h 7 t e la 1 ，2 【) 0 2 】证明。 虽然前人认为l h d i 彳 0 ，b o o 处，a b 0 ， 。 0 ，b o 0 ，从2 2 b i j 以看出，存电流片中心方i 句的电场毛旱现小尺度的 波动结构，而较长波长的静电波动被限制在电流j j 以外。在图2 2 c 中，电流；中心的离了 密度将减小并且向外扩散。 2 3 2 低混杂漂移不稳定性对电流片结构的影响 低混杂漂移不稳定性的激发的波动将改变电流片的结构，前人研究发现电流片的改 变丰要是由于电子在y 方向加速造成的，例如 & h o l e ，e ta l ，2 0 0 3 】。图2 一：i n 2 - 4 分别显列i 了f 方向电了速度灰度图和在方向平均得到的图形。可以看出- 由于低混杂漂移 不稳定性的影响，在电流片的中心，电子在轴负方向被加速，并沿轴有类似波动的结 第9 页：共。似页 23 拦拟结果 图2 - 1n 。t ；1 8 * 1 ，( a 1 磁场丰“对初始值变化( b 。一风，l ( ：l ) 1 的甲面幽，初始 的“r r z s 屯流片磁场已纾被减去。( b ) y 方阳的电场( c 1 1 ) 毛b o ( c ) 离+ r 密度m 珈。 第【1 页洪3 b 页 i 。5 ：；，+ j j ， 。：i ：4 ；7 ；。1 二f ， 图2 - 2n 。f = 4 ，8 州，( a ) 磁场丰i i 埘初始值变化( 毋一b o t a n h ( z l l ) ) b o c j 甲面i 墨i ，初始 的日n r r z s 电流片磁场已纾跛减去。( b ) y j l h j f f c q z t t d , ：, ， ) 岛6 b ( c ) 离f 南度m 瑚。 第n 页，共：强页 2 3 模拟结果 构出现。而在电流片两侧，电子将在口轴的正方向被加速，同时台在v 轴负方向加速的 区域，呈现一种双极结构。电子在v 方向上的加速将改变电流片的整体结构，图2 5 和 图2 一“分别显爪了电子电流j 。口的灰度图和对9 方i 幻做平均的图，口j 以看到对应2 一蚜u 2 - 4 ，电 流片将被改变为中心电流密度增强而两侧电流密度减弱的电流片，电流片中心处的电流 密度有明显的电流密度增强的二维结构，而在边缘处由于电子沿轴正向被加速，电子电 流密度方向指向轴的负方向。 d n u 9 h t c m 2 0 0 4 】和s c 。f e r 【2 0 0 翻都曾对日o r r z s 电流片中由于l 日d ，的效应引起的电子 加速做过讨论d a u g h t o n 等人认为电子加速的原因是由于j f 电荷在电流片两侧堆积形 成静电势场而使电了沿y 方向做e b 漂移产生的。而s c h o l e r 等人认为诱导电场是加速 的主要原因。图2 7 和图2 8 显示了z 方向上的电场e 及其对y 傲平均得到的图，可以看到 在电流片内侧( 1 z l o2 5 c ) ，z 方向电场有朝向电流片中心的周期出现的电场结构。 而在电流片外侧( o 2 5 c “协 五i 。形成这种温度各项异性的原因是准垂直激波在垂直 丁磁场方向加热等离子体。根据线性v l a s o v 理论，在无限均的等离子体中，这种温度 各项异性分布可以激发离子回旋波和压缩镜波( c o m p r e s s i b l em 打r d rm o d e ) 。南于在p d l 中，质子的口值常常小于1 ，住这种情况下，由离子的温度各项异性激发的波动主要为离 子回旋波，而镜波的增长率町以忽略。 观测表明p d l 中存在着多种磁场波动。这磐磁场波动丰婴为横向于背景磁场 的波动，其频率范围可以达到质了回旋频率。通过资料分析的研究发现这些波动主 要是由于质子和日e 2 + 的温度各项异性激发的电磁离子回旋波。a n d e r s a n 和f u s e l i e r f t 9 9 3 1 ，a n d e r s o n 等 1 9 9 4 的观测资料分析结果表明。较高频率段的坡动为左旋偏振，同 时较低频牢段的波动为线性偏振。 a m p t e c c e - p - 星 a n d e r s o ne ta 1 ，1 9 9 4 1 对准垂直激波下游磁鞘层探测观测 到p d l 中的j 种离子回旋波谱。分别为： 1 l o w 离子回旋波的波谱丰要为频率低于05 n 。的连续谱。 2 c o n 离子回旋波的丰要波谱为口j 以延伸到0 5 n 。的连续谱。 3 b i t ：- 分叉的横向波谱，有两个峰值，其中较商频的峰延伸罕q 粒子的回旋频 率q 。( o 5 q ，) 以上，而较低频率的峰则低于q 。在q 。( o 5 ) 附近有一极小值。 离了回旋波的特点是实频率u 小于莨回旋频率见，极化特性为左旋极化，其最大增 ，长率在k 垂直于背景融场处。由动力论方程可以得出，其频率范围v 可h ) 激 发的离子回旋波动。混合模拟方法将离子看作粒子处理而将电子看作无质量流 体。着重讨论离子的动力学过程。 m 忽略了宅子的动力学效应 l ha n dw a n g ，2 0 0 5 ； 啪，b 妇。1 9 8 5 。从丽人人节省了计算量，艿提高了计算的稳定性。在程序中，粒子 的运动方程通过b o r i s 算法得出而电磁场通过隐式算法计算得出。等离子体由两种 离了( 口+ 和嚣e 2 + ) 手 i 瞧予组成。初始时，+ 和日e 2 + 均满足无平均流速的双m a x w e l l 速 度分布，并且在平行背景磁场方向具有相同的热速度。在模拟中，我们采用岗期性 边界条件背景磁场设为b o = 口0 童。在程序中，空间单位为质子惯性长度c 嘞，其 中c 为光速，嘞为质子等离子体频率。时闾单位为质子回旋频率啄1 ，其中纬为质子回 旋频率。在模拟中，网格数设为2 5 6 ，网格距为z = 1 0 c 蜘，每个网格里的离子数 为5 0 0 ，时间步长设为q 。t = 0 0 2 5 初始时，系统满足准中性条件( 马勺唧= o ) 和零电流 条件( j 勺吩= o ) 。其中，白为各种孝盘了所带电荷t 吩为各种粒了的数密度，2 协为备种 粒子初始时的整体速度。 第2 0 页，共 h 页 j ：一事t t + 7 _ + 。：1 。? 。p t 一。- ： 3 3 模拟结果 本文中，我们使用一维混合模拟程序研究由h + 帮1 月e 2 + 的温度各项异性激发的离 子回旋波谱的演化。模拟中的参数见表l ，其中2 上p v l , p 和丁l t , 。分别表征日+ 和h e 2 + 的 温度各项异性，下标代表h + ，a 代表h e 2 + 。q = 九。( n 。+ ) ，其中n p 为+ 的数密 度，n 。为h e 2 + 的数密度。 表3 1 算例1 7 中的模拟参数 图3 _ l 显示了算例l 中日+ 和h e 2 + 的温度各项异性随时间的变化。随着离子回旋波的 激发，日+ 和h e 2 + 的温度各项异性均随时问减小。因此离子 口【旋波应包括质子温度各项 异性激发的离子回旋波和h e 2 + 的温度各项异性激发的离子回旋波。由于h e 2 + 与h + 相 比有较小的荷质比，由h e 2 + 的温度各项异性激发的离了回旋波将更晚被激发。可以看 出，h + 的温度各项异性在t 2 0 附近快速减小，在q 一一1 0 0 处趋近常数。而h e 2 + 的 温度各项异性在一1 0 0 附近开始快速减小，在一2 0 0 处趋近常数。在达到准平衡态 时，日+ 和h e 2 + 的瀛度各项异性分别达到2 7 5 和2 5 。 图善? 显尔了算例1 中升i l - j 的四个时间段内被激发波谱的演化：a 为从q p t = 0 到q p t = 5 1 2 ；且为从q p t = 5 1 2 到t = 1 0 2 4 ；e 为从n p t = 1 0 2 4 到q p f = 1 5 36 ：d 为从n p t = 2 0 48 到q ，t = 2 5 6 0 。波谱的曲线根据以下方法获得：首先对每个网格点的磁场y 分 第2 l 页，共 8 页 33 模拟结果 e i - - q t 图3 - 1 箅例l 中h + 4 l h e 2 + 的温度各j | ；! 异竹随时州的变化，实线和虚线分别代表h + 和j h e 2 + 的 温度各项异性。 景b 。进行时间的傅j ：叶变换，然后对所有点取甲均值。在曲线a 中，所激发波谱的频率 在0 6 2 f t 。而在曲线b 中可以石到，波谱的振幅持续增加。对比图：；1 可以看出a 雨j b 中激 发的波动为质子回旋波其频率可以超过。村子的回旋频率。在曲线c 中，随着氦离子回 旋波的激发，在频率u o 2 5 9 。处形成了一个新的波段。这种波谱与a 们p 丁e c e e 观测 中的b i f 型潜线相似，其中的较高波段划应质子回旋波，较低波段对应氦离子回旋波。 在算例2 和算例3 中，我们将进一步证明这个结论。 在算例2 中我们仅考虑质子的温度各向异性，即7 1 上。五l 。= 1 ，而在算例3 中我们仅 考虑氦离子的温度各向异性，即2 1 上p 五陋= l 。图3 a 和图3 3 b 分别显示算例2 和算例3 中 被激发波谱在不同时间段的演化：a 为9 , f 2 p t = o 到n p t = 5 1 2 ：b 为从t = 5 1 2 刽q p t = 1 0 2 4 ；e 为从= 1 0 2 4 到q = 1 5 3 6 ；d 为从d p t 一2 0 4 8 到q 一= 2 5 6 0 。可以清楚 的看到，在算例2 中，丰要波动为频率高于氦离子回旋频率的离子回旋波动，而在 算例3 中，主要波动功率为频率低于氦离予回旋频率的波动。它们的峰值频率分别 为o 6 2 9 t f 和0 2 5 n p 。可以看到，质子回旋波的峰值频率始终不变但在非线性阶段振幅将 第2 2 页共：蚺页 一譬抄? f 寸；一一 一+ ， ，。一” o l 图3 - 2 算例l 中，激发的离f 旋波召+ 4 ；同时闻段l 4 的频率谱史线、虚线点线、 点虚线分删代表o , j 凸j 段：a 从( b f = o 到【! = 5 1 2 ：b ，从! 一= 5 t 2 到n 一= 1 0 2 4 ；c ， 从f k = 1 0 24 到f 2 一= 1 5 36 ；d ，从f k ；2 0 4 8 到f 2 p = 2 5 0 0 减小。在图3 - 2 的d 中，质子回旋波对应波段消失，只有氦离子回旋波对应的波段仍然存 在，其频率谱峰值频率低于氦离子川旋频率，与p d l 中观测到的l d 型波谱相似。 一般来说，由于温度各项异性激发的波动频率谱的峰值频率在非线性阶段将减小