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+电磁离子回旋(EMIC)波是在地球内磁层中广泛分布的一种等离子体波动,其频谱常被离子回旋频率分隔成氢、氦、氧三个不同的波段,具有独特的多波段结构。相比于内磁层中其他常见的等离子体波动,EMIC波具有相对较大的振幅,被认为可以通过波粒相互作用迅速地将辐射带电子和环电流质子沉降至地球极区大气层。EMIC波对环电流质子的损失导致了亚极光区孤立质子极光的产生。因此,EMIC波对地球内磁层中粒子的动态变化有着十分重要的作用。尽管前人已经对EMIC波的波动特性、空间分布及其对粒子的散射效应开展了大量研究,然而一些重要的问题仍亟待解决。本文旨在结合多种粒子散射效应模型及粒子观测数据,围绕EMIC波对辐射带电子的多波段联合散射效应及其对环电流质子散射引起的质子能谱演化两个重要问题展开研究。本文的主要研究内容及结论如下:1.本文基于准线性扩散理论和试验粒子模型,计算了多波段EMIC波对辐射带电子的散射系数,并通过追踪单个电子的运动轨迹,量化了EMIC波对电子的多波段联合散射效应。研究结果表明,尽管不同波段的EMIC波可以在同时、同纬度散射具有相同能量和投掷角的电子,但是电子受到不同波动的散射效应仍然可以线性叠加。为了进一步验证并推广此结论,我们改变了波粒相互作用的背景粒子成分,并采用了宽频且幅值分别为1 n T,5 n T和10 n T的EMIC波和单频且幅值从0.1 n T至10 n T变化的EMIC波分别讨论波动对电子的线性和非线性联合散射效应。我们发现无论是EMIC波的频谱、幅值还是背景的粒子成分变化,同时发生的多波段波动产生的联合散射效应与线性叠加的单波段波动散射效应都基本一致。结果表明对单波段波动引起的散射结果进行线性叠加可以有效地评估多波段波动引起的联合散射效应。2.本文基于准线性扩散理论和动理学模拟,从EMIC波与环电流质子的共振区间出发,量化了不同频率的氢、氦波段EMIC波在不同L-shell处对质子的散射系数。我们发现随着波动频率和L-shell的增加,EMIC波对质子的散射倾向于发生在更低的质子能量范围。基于计算的散射系数,我们进一步模拟了EMIC波引起的质子损失时间尺度,发现氢波段EMIC波作用的质子能量范围约小于10 ke V,而氦波段EMIC波作用的质子能量范围约大于10 ke V。通过求解二维Fokker-Plank扩散方程,我们模拟了EMIC波对质子能谱演化的影响,发现EMIC波会导致一种新的质子能谱结构形成,根据其形态我们称之为质子反转能谱。进一步,我们以范阿伦卫星观测的质子通量数据为初始分布,结合EMIC波对粒子的散射系数,模拟了不同投掷角时质子能谱的演化过程。通过对比分析模拟和观测结果,我们发现EMIC波可以使得中低投掷角上的质子能谱从单调递减的变化趋势演变为反转结构,从而给出了质子反转能谱形成的主要物理机制。3.本文基于范阿伦B星观测的2013年1月1日至2019年7月15日约6.5年的质子通量数据,分析了质子通量在不同时间尺度内对地磁活动的依赖性,并对质子反转能谱的全球空间分布和地磁活动的依赖性进行了细致的统计分析。结果表明,质子反转能谱主要发生在等离子体层内,在地磁活动平静期、L～2–4的范围内质子反转能谱的发生率可以高达90%左右。随着地磁活动增强,等离子体层顶的位置向低L处偏移,对应质子反转能谱的位置也集中在更低的L范围。质子反转能谱的极大值和极小值对应的能量分别为约200–400 ke V和50–100ke V,极大值与极小值之比约为3–30。这三个特征参数都表现出随着L的增加而逐渐减小的趋势。除此之外,我们结合质子反转能谱的统计分析结果,讨论了可能形成质子反转能谱的机制,包括EMIC波对质子散射作用的波粒相互作用、场线曲率散射、以及电荷交换和库伦碰撞两种碰撞损失过程。本文的研究结果有助于进一步理解内磁层中高能电子的损失和环电流质子的演化过程,对内磁层粒子的动态变化及空间天气都具有非常重要的意义。