山东大学山东大学在等离子体层嘶声波局地激发机制研究方面取得新进展

近日，前沿交叉科学青岛研究院空间天文物理融合研究中心，“从太阳风暴到地球极光”集成攻关创新团队在等离子体层嘶声波的起源机制识别方面取得重要进展。相关研究成果以“Identification of Locally Generated Plasmaspheric Hiss”为题，发表在空间物理TOP期刊Geophysical Research Letters。前沿交叉科学青岛研究院硕士研究生路明月为论文第一作者，研究院教授朱辉为唯一通讯作者，山东大学为唯一完成单位。

等离子体层嘶声波是一种广泛存在于地球高密度等离子体层内的哨声模电磁波，其能够与电子发生回旋共振作用导致电子沉降损失，是地球辐射带高能电子损失的重要原因。嘶声波的来源包括电子不稳定性局地激发、等离子体层外的哨声模合声波传播进入等离子体层，以及闪电激发哨声模的传播。目前局地激发机制已通过多个观测事例得到验证，但其统计分析仍需完善。

图1：分布于地球空间区域的等离子体波动（图源：NASA）

朱辉带领课题组成员，基于范艾伦探测器2013–2018年期间的高分辨率电磁场与粒子观测数据，从嘶声波的频率与空间分布出发，首次构建了基于L值与归一化频率（f/fce）的分类方法。通过统计分析波的法向角、电磁平面性和坡印廷能流方向，朱辉带领团队识别出四类具有代表性的波动区域。其中具备局地激发特征的嘶声波主要分布于L > 3区域，并据此提出了局地激发嘶声波的频率下边界（R_lower），其数值依赖于L值与地磁扰动指数（AE^*），为区分局地激发与传播起源提供了参数化标准。

图2：不同地磁活动水平下，嘶声波的功率、传播特性及增长率在L-f/f_ce中的统计分布

在此基础上，课题组进一步结合HOPE仪器提供的统计电子分布数据，利用WHAMP程序计算了不同L值与地磁活动下的嘶声波线性增长率。结果表明，增长率在R_lower以上区域明显增强，且与法向角、平面性及坡印廷能流方向特征高度一致，构成了观测-理论双重证据。此外，电子能谱的统计结果显示局地激发区域的频率边界对应的最低共振能量与高能电子能谱的上能级高度匹配，进一步验证了局地激发条件的空间一致性。

该研究首次提出了基于归一化频率与L值联合分区的嘶声波识别方法，建立了空间分布图谱与增长率模型，在观测尺度上实现了局地激发机制的系统识别，并从粒子统计特性出发验证其一致性，为深入理解等离子体层波动的起源与辐射带动力学建模提供了数据基础和观测证据。

朱辉一直致力于磁层中波粒相互作用、辐射带电子演化及等离子体波动特性研究，该系列论文受国家自然科学基金、山东省自然科学基金和山东大学齐鲁青年学者基金联合支持。