地球辐射带哨声波驱动的能量电子分布函数变化过程研究

发布时间：2020-10-31 10:09

　　 在地球一定的空间范围内存在着大量被地磁场捕获的高能(200keV-几十MeV)带电粒子,这个捕获区域称之为辐射带,它是地球磁层中的一个比较特殊的区域。被地球磁场捕获的太阳风粒子是高能粒子的主要来源,高能粒子在辐射带的两个磁镜点之间来回做弹跳运动。辐射带环绕地球呈轮胎状分布,按空间分为内辐射带和外辐射带两层。两层中间高能粒子密度较低的地方称为槽区。高能带电粒子有三个绝热不变量,能够在辐射带中存在很长时间。这些高能粒子能够使飞行在外辐射带中的航天器电子元器件的状态发生改变,从而使航天器的运行出现异常,同时也容易导致宇航员等人员健康受到损害,给国家航天安全带来严峻的挑战。在大的地磁暴期间,地磁场的剧烈扰动会产生强大的地面电势,威胁到电网和输油管道的安全。所以研究、预测辐射带的高能粒子的动力学演化过程具有重要的科学意义。目前研究表明,地球辐射带夜侧合声波能够有效地加速高投掷角电子,而日侧合声波可以优先加速中投掷角电子,产生能量电子的蝴蝶型分布,但这需要进一步观测数据验证。本文利用NASA的Van Allen Probes卫星的观测数据,分析了 2013年3月17日至18日期间发生强磁暴时外辐射带中高能电子(1.8-2.6 MeV)通量的演化。在L = 4.1的附近,Van Allen Probes同步观测到夜侧合声波增强,高能电子通量增涨约50-100倍。同时我们还研究了 2016年1月20日期间发生强磁暴时外辐射带中高能电子(1.8-3.4 MeV)通量的演化。在L=5的附近,VanAllenProbes同步观测到日侧合声波增强,高能电子通量增涨约一个数量级。本文利用基于高斯分布的哨声波谱密度分布和偶极子背景磁场模型,计算了弹跳平均电子共振扩散系数,通过求解Fokker-Planck扩散方程,得到高能电子相空间密度的演化过程。数值计算结果表明观测到的合声波能够与辐射带高能电子产生回旋共振作用,有效地加速高能电子。同时,本文根据Van Allen Probes卫星观测数据,研究了 2014年4月11日至13日强磁暴期间外辐射带高能电子通量的演化。发现在L = 4.52的附近,相对论电子通量呈现蝴蝶型分布,同时伴随着日侧合声波强度增大。通过数值模拟,结果表明日侧合声波导致的高能电子通量增加幅度与分布函数形状和观测数据相吻合。本文结果为电磁波驱动的相对论电子形成蝴蝶型分布机制提供了进一步的证据。
【学位单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P353.4
【部分图文】：

硕士学位论文??降到两极，形成了极光现象［３］。磁层顶高纬度处南北半球各有一个中性点，磁场为零。??如图１．１所示。??在磁鞘中弓形激波下游的太阳风等离子体不易透过进入地球磁场，而主要会绕过??它，这是因为行星际磁场不能穿透进入地球磁场，而且因为太阳风中的高导电等离子体??具有冻结特征，从而使得它的粒子也不能离开行星际磁场［５］。大量高能（２００ｋｅＶ￣Ｋ＋??ＭｅＶ）粒子困在地球的内磁层区，由于能量差异较大，根据从低阶能量到高阶能量的顺??序，将其依次划分为等离子体层（几个ｅＶ）、环电流（１到ｌＯＯｋｅＶ）和范艾伦辐射带??（大于１００ｋｅＶ）［６ｌ，如图１．２所示。??Ｍｒ＾Ｏｒ！ｆ?＾?ｉｌｌ??图１．２内磁层带电粒子捕获区示意图［ＥｂｉｈａｒａａｎｄＭｉｙｏｓｈｉ，２０１１］??ｉ．ｌ．ｉ福射带??福射带（ＲａｄｉａｔｉｏｎＢｅｌｔ）是在１９５８年被美国物理学家詹姆斯？范？艾伦（ＪａｍｅｓＶａｎ??Ａｌｌｅｎ）所发现的

第一章绪论??周期不长，时间量级１０－３秒左右。在投掷角不是９０°的情况下，带电同时还会沿着磁场中的磁力线作来回的弹跳运动。当带电粒子离开赤导致投掷角逐渐变大，直至大于９０°时，带电粒子的作用方向与运动反弹回来，在两极的强磁场之间做往返的运动。这种磁场结构称之为回运动就是弹跳运动，周期大约在０．１到１秒之间。反弹点称之为磁期运动形成的原因则是粒子受到了不均匀磁场力从而呈现出了横向漂运动与回旋运动会令磁力线对带电粒子产生束缚，该情况发生在带电到某一足够小的数值的时候。但是又因为偶极场是非均匀的磁场，会跳运动的时候，运动轨迹会慢慢地从原来的磁力线移到与之相邻的磁束缚是相对的，而非绝对的，这种运动也被称之为漂移运动，周期大个小时［８］。如图１．５所示。??

ｉｎｄｕｃｅｄ?ｗｈｉｓｔｌｅｒ－ｍｏｄｅ?ｗａｖｅｓ和磁声波（ｍａｇｎｅｔｏｓｏｎｉｃｗａｖｅｓ）都能够与辐射带高能粒子发??生波粒回旋共振作用，有效地加速或者减速高能电子，使较大投掷角的高能电子相空间??密度下降，驱动高能电子进入损失锥发生沉降［１８】。如图１．６所示是这些等离子体波的空??间位置。等离子体波与高能粒子之间的相互作用能对福射带动力学演化具有非常重要的??作用。??７??
【参考文献】

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本文编号：2863806