关键词： 地球辐射带   人工甚低频台站信号   波粒相互作用   电子投掷角扩散系数  

摘要： 人工地面甚低频台站发射的10-30 kHz信号主要在地球-低电离层波导传播,部分能量会泄露进入内磁层,进而会影响近地空间中高能电子的动态变化过程.本文详细研究了NWC,NAA和DHO38三个人工甚低频台站信号对内辐射带和槽区高能电子的散射作用.基于准线性理论,分别计算了三个甚低频台站信号单独和共同作用时对高能电子的弹跳平均投掷角扩散系数,并进一步利用Fokker-Planck扩散方程模拟内辐射带及槽区的高能电子在200 d内的动态演化过程.结果表明,在低L-shell(L≤1.8),NWC台站信号对电子的损失占主导作用,可以使能量在100 keV附近、投掷角小于60°的电子出现明显损失;在较高的L-shell(2.2≤L≤2.7),主要是NAA和DHO38台站信号占主导作用,可以使能量小于20 keV、投掷角小于70°的电子通量显著下降;三个甚低频台站信号对高投掷角(>80°)的电子均无显著影响.

关键词： 地球辐射带   槽区   中轨卫星   带电粒子环境   辐射带模型   电离总剂量   辐射效应  

摘要： 中轨卫星运行于地球辐射带槽区,而槽区粒子辐射环境可能存在显著涨落,增加卫星抗辐射设计输入的不确定性。文章利用典型地球辐射带模型,对中轨卫星累积性辐射效应的主要来源进行深入分析,再结合槽区粒子辐射环境动态变化特征,初步量化分析其对中轨卫星遭遇辐射效应的影响。结果表明:槽区粒子辐射环境的动态变化对星表材料及太阳电池辐射损伤的附加影响较小;槽区质子填充事件对8000 km以上高度轨道的电离总剂量有明显影响(但此类事件遭遇概率很低);槽区电子填充事件使10000 km以上高度轨道的电离总剂量明显增大,这点必须在相应的卫星抗辐射设计要求中予以考虑。

关键词： 范艾伦卫星   GOES卫星   地球电子外辐射带   多维数据同化   电子相空间密度  

摘要： 地球电子外辐射带对太阳与地磁活动呈现高度动态变化的响应,了解外辐射带的全球动态变化过程对于近地空间粒子辐射环境的理解认知和预测预报具有重要意义.基于卡尔曼滤波数据同化方法,本文利用范阿伦A星、B星和GOES-13和GOES-15四颗卫星的辐射带电子观测数据,分别利用三种不同维度的辐射带物理模型,将观测结果与数值结果有机融合,对2013年3月地球外辐射带电子通量的径向分布与变化进行数据同化分析.结果表明,考虑了磁层波动与辐射带电子共振作用引起的径向扩散、投掷角扩散以及能量扩散过程的三维同化模型可有效、合理地重现外辐射带电子通量的径向分布.本文进一步利用该三维同化模型对2013年一整年外辐射带电子的相空间密度分布进行重构与分析,得到了不同绝热不变量和不同地磁活动条件下电子辐射带的时空演化过程,从而为深入理解外辐射带电子的变化过程和动力学机制提供了强有力信息.通过分析同化过程中的新息矢量以及度量同化过程中观测数据在多大程度上修改了物理模型结果,还有助于定量分析现有辐射带物理模型中的源项和损失项的相对贡献以及可能忽略的物理机制或过程.

关键词： 地球辐射带   电子相空间密度   数据同化建模   卡尔曼滤波  

摘要： 地球辐射带是日地系统中的一个重要空间区域,充满被地磁场捕获的能量粒子,对在轨卫星和宇航员的安全带来潜在威胁。虽然卫星观测能得到不同能量段和投掷角范围的辐射带电子观测数据,但具有固有的时空局限性。比较而言,数值模型能基于一定的物理机制模拟辐射带电子动力过程及其完整的时空动态变化。但是数值模型结果只是真实状态的近似,并不能替代卫星实际观测。因此,本研究利用数据同化方法将物理模型和观测数据有机融合,分别考虑模型和观测的不确定因素和限制条件,进而对地球辐射带电子的动态演化过程进行重构,为深入理解辐射带电子的加速与损失过程及机制提供有利信息。本文内容主要包括磁暴期间辐射带电子相空间密度的多卫星联合观测和基于卡尔曼滤波的辐射带数据同化建模两个部分。主要研究工作及结论总结如下:(1)结合两颗范艾伦卫星和三颗GPS导航卫星在2013年3月的同步电子通量观测数据,发现在3月17日磁暴期间,当太阳风动压增大、行星际磁场南向时,辐射带电子通量会发生骤降。通过将电子通量转换成电子相空间密度,并利用不同第一、第二绝热不变量(μ,K)组合条件下PSD径向分布的差异性,深入分析磁暴期间辐射带电子的动态变化机制。结果表明,磁暴主相期间,主要是由于磁层顶阴影效应以及伴随的向外径向扩散损失导致PSD快速降低;磁暴恢复相,主要由于局地加速作用导致PSD大幅增加。位于不同空间位置的多颗卫星观测为明晰辐射带电子动态变化背后的物理过程与机制提供了重要便利。(2)基于范艾伦卫星和GOES卫星观测数据,结合一维径向扩散模型、一维投掷角扩散模型、二维径向-投掷角混合扩散数值模型,利用卡尔曼滤波的方法,在数据同化模式下重构辐射带电子通量的时空动态分布。一维径向扩散数据同化模型可以很好地重构地磁活动期间高L-shell区域辐射带电子的加速过程,却由于损失机制的缺失而严重高估了低L-shell区域的电子通量;一维投掷角扩散数据同化模型可以很好地重构辐射带电子在地磁活动期间的损失过程,而由于加速机制的缺失不能复现低L-shell区域的电子加速过程。通过同时考虑径向扩散效应和投掷角扩散效应,本文建立了二维径向-投掷角混合扩散数据同化模型,并对不同MLT区间的辐射带电子动态演化过程进行了细致重构,通过与观测数据进行比对,验证了卡尔曼滤波在构建辐射带电子动态变化完整图像的适用性以及同化模型的可靠性。二维电子辐射带数据同化模型的建立有助于加深对辐射带电子的加速与损失过程及背后机制的理解,同时也为辐射带电子动态预报创造了有利条件。

关键词： 地球辐射带   日侧合声波   能量电子   波粒相互作用   波传播与不稳定性特性  

摘要： 地球辐射带是由大量捕获在地球磁场的高能带电粒子组成,主要位于1.2-8个地球半径之间,这些能量粒子会对在轨航天系统造成多种故障,并给宇航员的健康带来严重威胁。合声波与高能电子的相互作用在辐射带电子的演化过程中有着非常重要的作用。目前研究表明,夜侧合声波是由～keV-100 keV的各向异性电子激发形成,但日侧合声波的激发机制和传播特性仍需进一步研究。本论文主要通过多卫星观测数据分析与处理,结合理论分析和数值模拟,深入研究日侧合声波的产生机制、传播特性和不稳定性过程。本文首先通过两个事件研究了低L区域日侧合声波的产生机制。当～keV-100 keV的能量电子从等离子体片注入并从午夜经过黎明漂移到日侧的过程中,范艾伦卫星同时观测到了强烈的合声波和各向异性的能量电子。我们采用kappa分布函数的拟合参数和真实的等离子体参数计算了斜传播的合声波增长率。计算结果表明增长率γ随着传播角θ的增加而下降,平行传播时归一化的峰值增长率可达γ/Ωce=2.6 ×10-3(Ωce是电子赤道角回旋频率)。模拟结果在低频段的峰值频率以及上截止频率和观测非常吻合。目前的结果说明了观测到的低L区域日侧合声波能够被始发于等离子体片从夜侧漂移到日侧的各向异性电子激发。然后通过范艾伦卫星和ERG卫星联合观测到的两个事件,利用从夜侧到日侧的合声波数据,我们使用已构建的三维电磁波路径跟踪模型对不同波谱参数的日测合声波进行了模拟计算。发现波可以从低MLT(磁地方时)区域传播到高MLT区域。两个事件中合声波传播的范围分别可以从6.6-11.1 MLT和7.2-10.8 MLT。初始方位角控制着波在MLT方向传播的范围,较高频率和较高传播角的波能在MLT的方向传播更远。模拟结果表明合声波能通过沿着纬度和MLT的方向从晨侧传播到达日侧。最后模拟计算了日侧合声波对电子的演化作用。我们通过对范艾伦卫星观测到的日侧合声波进行高斯拟合,利用已开发的辐射带高能电子三维动力学演化模型,计算日侧合声波和高能电子相互作用的弹跳平均扩散系数和相应的PSD(相空间密度)演化。模拟结果发现投掷角扩散系数(Dαα>/p2最大值在10-3 s-1左右,/p2最大值在10-5 s-1左右,并且最大值都位于较高投掷角区域。较低能量电子的PSD在4小时内比初始值下降了几十到几百倍,较高能量电子的PSD则比初始值上升了几十到几百倍。模拟结果说明日侧合声波对辐射带低能电子主要是投掷角散射作用,对较高能量电子主要是加速作用。这些结论进一步证明了日侧合声波对高能电子的随机加速和投掷角扩散过程均起重要作用。

关键词： Physics  

摘要： Since their discovery in 1958, the Earth's radiation belts have been studied extensively using a variety of measurement techniques. However, there are many questions left outstanding in the field of radiation belt physics. In the following thesis, we study the energization, loss, and variability of charged particles. We also describe, in detail, a new CubeSat mission. This work contains information on Geant4 simulation for design and characterization of charged particles, as well as calibrations from instrument testing. The CubeSat, CeREs, was launched in December, 2018. The first study addresses loss mechanisms, particularly electron loss through relativistic microbursts. While it is postulated that microbursts can empty the radiation belts over the course of days, the correlation is not well established. This study addresses the connection between microburst loss and longer term flux decay, finding that microburst loss is well associated with global loss in the radiation belts, particularly for CME-driven storms and quasi-trapped populations of electrons. Next, we quantify the pitch angle distribution evolution between relativistic and ultra relativistic electrons measured by the Van Allen Probes, distinguishing a global coherence in the evolution of electron pitch angle distributions during geomagnetic storms. Pitch angles, across energies 1.8-6.3 MeV, change in tandem, anisotropizing and isotropizing simultaneously, on the timescale of one orbit of the spacecraft. In addition, we find a pattern in pitch angle distributions across storms, and that CME- and CIR-driven storms have different rates of isotropization. These studies look at electron loss and acceleration in the outer radiation belts in new ways, helping to understand the delicate balance of mechanisms that affect these populations. We also study protons in the inner belt, tracking the secular drift of the South Atlantic Anomaly over nearly two solar cycles and compare it to the IGRF12 model, corrected

关键词： 地球辐射带   范艾伦卫星   磁声波   合声波   电子散射  

摘要： 地球辐射带充满了大量的高能电子,被称为“杀手”电子,这类“杀手”电子对人造卫星以及宇航员具有极大的威胁,因此非常有必要研究这类高能电子的动态变化情况。本文使用范艾伦卫星高精度数据,研究磁声波与哨声模合声对辐射带电子投掷角分布的影响,重点考察波动与电子蝴蝶状分布的相关性,然后从物理机制角度分析磁声波与合声波对电子的加速与散射效应及其在电子蝴蝶状分布产生过程中的作用。本研究将加深对辐射带高能电子动态分布现象背后的物理机制的理解,有利于更精确的辐射带动力学过程建模。本文的研究内容及主要结论包括:1.基于范艾伦卫星观测结果,利用2014年1月至2015年12月共24个月的数据来统计磁声波空间分布特征,在此基础上统计地磁平静时期的磁声波分布特征,然后利用全相对论试验粒子模拟计算了L-shell=4.5时等离子层顶内外情况下由不同参量的磁声波引起的电子扩散系数。该扩散系数同时包括了朗道共振、弹跳共振和渡越时间效应共同引起的能量和投掷角散射效应。相应的磁声波散射参量研究讨论了背景等离子体密度、波动频谱以及波动传播角等参数对磁声波散射电子产生扩散系数的影响和变化,结果表明这些参量对磁声波导致的辐射带电子散射系数均有重要的影响,需要在实际模拟过程中给予考虑。2.选取了2014/12/11日13UT至2014/12/12日14 UT的范艾伦卫星三个轨道周期的数据,通过观测分析细致研究了辐射带电子蝴蝶状投掷角分布的产生与演化过程。分析发现,在第二个轨道,从能级为80 ke V到3.4 Me V的电子均有蝴蝶状投掷角分布出现;在第三个轨道,597 ke V一直到3.4 Me V能级电子的蝴蝶状分布经历了出现后消失再到出现的过程。利用电子蝴蝶状分布的具体判定条件,计算了所选能级电子蝴蝶状分布的显著程度,并分析了电子蝴蝶状分布与能量、L-Shell以及太阳风活动的相关性。结果表明,太阳风动压能够诱发电子在所有观测能级(80 ke V至3.4 Me V)上呈蝴蝶状分布:在597 ke V能级及以下,能级越高,出现电子蝴蝶状分布的程度越强;在1 Me V以上,所有能段电子都呈现蝴蝶状分布,且各能级对应的蝴蝶状分布均能达到程度最强。从产生时间上来看,当能级越高,电子通量演化出现蝴蝶状分布的速度越快。此外,发现磁声波(MS waves)通常与电子蝴蝶状分布伴随发生,具有强关联性。3.在该事件中,除了磁声波,卫星数据还观测到了哨声波合声(chorus)。为分析两类波动在电子蝴蝶状分布演化过程中的具体作用,利用全相对论试验粒子模型和准线性散射系数模型,分别计算了磁声波和合声波对辐射带电子的散射系数,继而将散射系数代入动理学Fokker-Planck方程模拟了电子相空间密度随时间的演化过程,进而具体分析该事件中电子蝴蝶状分布的产生、演化及消失的背后物理机制。模拟结果表明,在第一个轨道周期,高能级电子主要受漂移壳分裂影响从而产生了蝴蝶状分布;在第二个轨道周期,受MS波和漂移壳分裂同时影响,电子蝴蝶状分布能够发生在更广泛的能级上;在第三个轨道周期,电子蝴蝶状分布出现了分裂,并且同时观测到了哨声波合声,此时chorus波,MS波和漂移壳分裂同时对电子蝴蝶状分布产生了影响。因此,辐射带电子蝴蝶状投掷角分布体现了明显的时空、能量、波动分布与磁层状态的依赖性,其动态演化过程也受到了多个物理过程的影响,能帮助进一步认知理解辐射带电子复杂变化特性及其动理学过程与机制。

关键词： 地球辐射带   磁暴   电子通量响应   波粒相互作用   范艾伦卫星  

摘要： 地球辐射带是一个充满被地磁场捕获的高能带电粒子,距离地球表面约六百公里至四万公里的重要空间区域。其中的电子特别是相对论电子对航天器探测设备和航天员的生命安全具有巨大的威胁,因此对地球辐射带电子动态变化的研究具有重要的科学意义和潜在的应用价值。本文充分利用2012年8月发射的Van Allen Probes双星提供的高质量和高精度辐射带电子通量和等离子体波动数据,对磁暴期间外辐射带电子通量的变化特征进行了细致分析和统计研究。基于磁暴发生前3天、后5天没有其它磁暴发生的判定标准,从2012年9月到2017年12月的观测数据中挑选出68个孤立磁暴事件,研究132 ke V到7.7Me V共17个能级的电子通量对这68个磁暴的三种响应:增加,不变和减少。发现电子通量响应对电子能级、空间位置和磁暴强度有很强的依赖性,具体表现为:随着电子能级的增高,增加型事件数减少,不变型事件数增多;在L=3.0-5.0区间增加型磁暴事件数随L的增大而增多;弱磁暴期间,>2Me V电子几乎没有增加,强磁暴期间,<2 Me V能段的电子通量暴后几乎都增加。另外,与无磁暴期间的电子通量响应分布特征进行对比发现,电子通量减少现象在无磁暴期间多出现在L=4.5-5.5区间的132-354 ke V能段,在磁暴期间多发生在L=4.0-6.0区间的Me V能段。磁暴的发生是辐射带电子通量出现两个及以上数量级变化的重要条件,也是>2Me V电子通量变化的重要条件。为了分析电子通量对磁暴响应的影响因素,采用时序叠加方法对三个典型能级(604 ke V,1728 ke V和3.4 Me V)电子的响应与太阳风参数、磁层顶和等离子体层顶位置、等离子体波动之间的关系进行分析。结果表明,和另外两种响应类型相比,增加型事件要求更快的太阳风速度,更强的太阳风动压,更长时间的南向磁场,更小的SYM-H指数最小值,更靠近地球的磁层顶和等离子体层顶位置;而对于同一响应类型事件,越高能级的磁暴初相期间有更高的太阳风动压,磁暴主相期间有持续时间更长的南向且更强的磁场,磁暴恢复相期间有更快的太阳风速度;相对论(604 ke V)电子增加型事件对应更大的chorus和MS波幅值,而这两种波动在减少型事件期间发生率和幅值都较小,三种类型事件对应的hiss波无明显区别,说明相对论电子的变化可能对chorus波和MS波引起的加速机制更加敏感;超相对论(3.4 Me V)增加型事件恢复相期间观察到较强的MS波,证实MS波对超相对论电子的增加有促进作用,不变型和减少型事件恢复相期间对应的hiss波幅值较强,说明损失机制在超相对论电子的变化中占主导地位。

关键词： 范艾伦卫星   地球辐射带   下频带合声波   全球分布   半球分布  

摘要： 哨声模合声波是地球磁层中一种强电磁波模,既能加速辐射带电子至相对论能级,又可以散射辐射带能量电子到中高层大气造成其沉降损失。合声波与辐射带电子之间的波粒相互作用是导致辐射带电子增强事件的核心机制之一;另外,它导致的辐射带电子沉降能激发弥散极光和脉动极光现象,是影响磁层-电离层耦合系统的重要过程。其中,下频带合声波(即频率低于0.5电子回旋频率)发挥着重要的散射作用,是理解地球内磁层波粒相互作用过程、机制与效应的关键。本文以地球内磁层下频带合声波为研究对象,基于范艾伦卫星EMFISIS波动仪器采集的数据(超过100个月),开展下频带合声波空间分布特性的详细研究。主要研究内容包括:下频带合声波的平均波动磁场幅值Bw、平均波峰频率f/f和波动倾角WNA对空间位置参数,即磁壳值L、磁地方时MLT、磁纬度MLAT,和地磁活动指数AE*的依赖性分析及其发生率分布特征;在明晰其全球分布特征的基础上,开展了下频带合声波的(地磁南北)半球分布模式的详细分析,研究了其南北半球分布的异同性。本文的主要工作与结论如下:(1)利用范艾伦卫星勘察数据模式提供的波动频谱信息,采用了ECH波强度大小和等离子体密度陡降梯度两种方法并通过定量比较建立了更准确的等离子体层顶位置,在此基础上建立了更可靠的内磁层合声波观测数据库。(2)通过统计分析,细致描述了下频带合声波平均波动磁场幅值随MLAT的变化特征,即日侧、夜侧反转现象,且下频带合声波在晨间扇区可扩展至20°,而在午间扇区限制于～15°、在夜间扇区受限于～12°。中等幅值的下频带合声波在L～4-6.5的几乎所有MLT区间都存在,发生率的典型值为20%-30%;极强幅值的下频带合声波的发生率非常小,主要发生在夜侧、L～5-6范围内,典型的发生率<～1%。(3)统计而言,下频带合声波的Bw及f/f在南半球的峰值大于在北半球的峰值,尤其是在1200 MLT附近和0300-0600 MLT,而北半球则在黄昏扇区Bw更大。在强磁扰期,下频带合声波Bw在南半球的峰值可达～105 p T,大于在北半球的峰值～82 p T。下频带合声波在南、北半球对AE*均存在正向依赖性,分布区域广且呈现出明显的晨昏不对称性。下频带合声波发生率在南北半球的分布具有类似趋势,但是整体上下频带合声波在北半球的发生率更大,在中纬午间与午后区间波动发生率明显大于南半球的发生率。此外,低频区间的下频带合声波在北半球的发生率总体上大于南半球的发生率。(4)下频带合声波WNA发生率在北半球及南半球的分布趋势大致相同,均在倾角近场向区(10°附近)出现发生率的峰值。随着WNA的增大,其发生率在南、北半球均快速下降,南、北半球WNA发生率均在倾角近垂直区发生率最低。虽然南半球的下频带合声波WNA发生率在远场向区至近垂直区范围(70°附近)会出现一个微弱的二级峰值,但在北半球没有显示出类似的特征。本文开展下频带合声波的全球和(地磁南北)半球分布特性的细致研究,得到了关于该重要波动在不同半球分布的相似性和差异性,进一步完善了现有的内磁层合声波分布统计模型,可为后续深入、全面理解哨声模合声波的激发、传播以及定量分析合声波对辐射带电子的加速及损失效应提供更合理的波动模型支持。

关键词： 极光千米波   地球辐射带   热电子通量   全球分布   正相关  

摘要： 极光千米波简称为AKR(Auroral kilometric radiation)是最强的无线电辐射之一,其频率范围约为30到800kHz,功率范围较高,在107到109W之间。最早是于1965年被苏联的Benediktov等人观测并报道的,由于其波长是在千米的范围,所以被称为千米波。AKR爆发的出现与全球极光成像,尤其是与分立极光弧密切关联,同时AKR也提供了磁层-电离层-大气层耦合的重要信息。AKR一般出现在高纬度区域,它的爆发可将热电子加速为相对论电子。如果出现在赤道附近,将对辐射带动力学产生显著影响并且对地球同步卫星造成严重的破坏。因此,通过综合观测和统计来研究它们的空间分布有着重要的意义。我们基于Van Allen探测器观测到的51个月数据库,研究了辐射带中极光千米辐射的全球分布特征。每个月的事件数与月平均地磁活动指数Dst和AE之间的绝对线性相关系数都接近0.4,表明低纬度极光千米辐射的发生与等离子体层压缩和超热电子通量的增强密切相关。详细的统计数据表明,低纬度极光千米辐射在活跃的时间延伸到较低的L壳层并覆盖更广的经度范围,其在夜侧区的发生率明显高于日侧区,高频率发生区域为5≦L≦6.5,20≦MLT≦24,00≦MLT≦04的部分环形区域内,本文结果能应用于辐射带中相对论电子动力学演化的研究。