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项目年度编号
2100130045
中图分类号
P17
成果公布年份
2021
成果简介
地球辐射带中存在大量高能粒子和各种等离子体波动，构成日地空间环境中物质与能量传输、交换的关键纽带，并对航天器和宇航员的安全带来潜在的重大威胁。深入、全面地认知辐射带粒子加速、损失与波粒能量转化的复杂过程与机制，不仅对理解灾害性空间天气过程、效应与变化规律具有重要科学意义，同时对提升空间辐射环境预报能力、保障在轨空间安全也具有重要应用价值，因此是近几十年来空间天气学的重要前沿科学方向。
实现地球辐射带精确有效的动态预报，空间波粒相互作用是核心物理机制，其复杂性（区域广、机制多和观测难等）一直是空间科学领域公认的国际性难题，需要从理论、机制、观测、建模和同化等多个维度对辐射带波粒相互作用进行全方位的理解和认知。在国家自然科学基金、湖北省杰出青年基金等项目的支持下，项目团队瞄准地球辐射带动态演化预测预报这一基础应用研究目标，围绕地球辐射带中各类波粒相互作用的过程和机理，开展了系统深入的研究工作，其主要科学发现和创新性研究成果如下：
1.地球弥散极光的激发机制与分布特征。针对地球弥散极光产生机制等问题，通过统计地球弥散极光的全球分布和数值模拟研究，揭示了合声波和电子回旋谐波在不同磁层区域主导弥散极光激发的物理机制，确定了高纬地区能量电子沉降的关键来源，获得了沉降电子与弥散极光生成的直接关系，从而解决了国际上有关弥散极光生成机制的长期争论。
2.辐射带电子快速损失的多种机制与各自贡献。针对辐射带电子快速损失过程复杂、机制难以确定的问题，通过建立多离子成分背景下斜传播的电磁离子回旋波的散射系数计算模型、定量化分析了电磁离子回旋波散射沉降相对论电子的典型效应，证实了这种波动是辐射带电子快速损失事件的主导机制之一，进而首次定量明确了辐射带电子快速损失机制的三种类型：磁层顶阴影效应主导，电磁离子回旋波散射主导，以及二者共同主导。
3.人工影响地球辐射带的理论依据和建模体系。通过建立人工激励甚低频波散射辐射带电子的分析模型，发现人工甚低频波可有效地将高能电子散射进入大气层，给出了人工甚低频波缩短相对论电子生存周期的定量分析结果，初步建立了人工影响地球辐射带的理论认知与模拟仿真体系。
项目成果获得了国际大地测量与地球物理联合会（IUGG）“Early Career Scientist Award”、中国地球物理学会“傅承义青年科技奖”、第四届空间天气科学青年创新奖、全球华人空间天气科学大会优秀论文奖以及中国大地测量和地球物理学学术大会（CCGG）优秀青年论文奖等奖项。十年来，依托项目发表高水平SCI论文86篇，其中5篇论文获选ESI高被引文章。2篇代表性成果分别获选地学顶级期刊JGR-Space Physics的“亮点文章”和“年度十大高被引论文”。3篇英文代表作的SCI总他引108次，2篇中文代表作的CNKI他引次数为17次。该项目研究促进了地球辐射带波粒相互作用过程研究的发展，推动了辐射带空间高能粒子预报技术的进步，先后培养国家杰青、中国科协青年人才托举工程、博士后创新计划和楚天学者计划等国家级和省级优秀人才各1名，以及硕、博研究生30多名。
完成单位
武汉大学
完成人
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