地球磁暴期间辐射带能量电子通量变化的统计研究：Van Allen Probes卫星观测

发布时间：2020-11-11 14:47

　　 地球辐射带是近地空间的重要圈层之一,与磁层和电离层等其他区域会发生许多耦合作用,航天器的通信和运行也常常受到辐射带环境的高度影响,因此对日地空间环境和空间天气预报具有非常重要的研究意义,引起了空间物理学家们的广泛关注,成为空间物理研究的热点之一。几十年来,人类发射了许多卫星去测量辐射带各个方面的物理特性,为空间探测、载人航天和卫星通信应用等提供更准确更详细的现报和预报。2012年8月,美国NASA成功发射了Van Allen Probes卫星,对地球辐射带在不同时间和空间尺度上的动态过程和对近地空间环境的影响,进行了长时间和多点观测,积累了大量有效观测数据,对辐射带粒子动力学过程和动态变化的研究进一步深入,为辐射带观测研究和理论建模提供了很好的机遇。在辐射带能量电子通量变化研究中,Summers、Fox以及Mauk等人在理论研究方面取得了一系列原创性的进展。Mauk et al.(2010)中提出了强磁化行星(地球、土星、木星、天王星、海王星)都具有类辐射带结构,并通过观测数据发现,部分区域的能量电子差分通量都存在类似“拐点”的现象,并给出了相应的理论模型。如地球辐射带,L=4、5和6时,其电子通量变化往往会出现“拐点”,但是也存在着很多不同之处。为了更好的了解辐射带的动态变化,我们利用Van Allen Probes观测数据,对典型磁暴期间辐射带能量电子通量的变化特征进行细致分析和统计研究。我们选取了2012年到2015年期间的三个典型磁暴事件,对事件中Van Allen Probes的磁电子离子谱仪(MagEIS)和相对论质子望远镜(REPT)仪器观测的能量电子数据进行数据分析。(1)首先我们选择对典型磁暴期间的能量电子通量在磁暴发生前后和不同L-shell进行统计研究。结果表明,磁暴期间各L-Shell上的能量电子通量均会出现程度不同的变化。L=2区域的电子通量相对较为稳定,磁暴环境对其通量的改变在很小的范围内波动;L=3、4、5、6区域的电子通量会随着磁暴环境的影响而存在较大的变化,随着磁暴强度的不同变化的程度也会不同。L=3时,高能电子通量处于较低水平,强磁暴环境下的中等能级电子通量能最高提升10~4倍;L=4时,在平静期,电子通量会在中等能级处出现极小值,通量曲线形如“凹槽”,磁暴响应下使得低能电子通量衰减的速率呈现1/E形态;L=5和L=6时,低能电子通量都会出现形如1/E的衰减,衰减速率随L值增大而增大,高能电子通量下降速率很快。辐射带的位置并不是永恒不变的,随着磁暴的发生,辐射带的边界会向内侵蚀,从而改变各L-Shell相对于的辐射带的位置。另外,在外辐射带区域的能量电子通量确实存在“拐点”现象。(2)磁暴会伴随着亚暴的发生,当AE指数较大时,VAP卫星的通量观测曲线有较大的差别。我们针对三个典型磁暴期间的亚暴事件展开研究,首先对2013年3月17日至30日期间AE指数较大的时间段进一步分析,试图找寻这种差别与MLT或者AE、DST之间是否存在进一步的联系。发现能量电子差分通量形式下的电子通量变化与MLT之间的关系没有很明显的体现,但是较大的DST会导致给定L-Shell时的低中能电子通量存在明显差异。因此,我们计划在后续工作中通过将能量电子差分通量转换成全向粒子积分通量来解决这一问题。(3)为了进一步研究电子通量变化中能量“拐点”的情况,我们采用最小二乘法对电子通量观测数据进行拟合,验证了拟合结果并讨论了误差大小。经过对三个磁暴事件拟合结果的仔细分析,我们发现:参数C的范围在10~6-10~(12)区间内,L=5时会出现最小为10~4的结果;参数E0在1500-2500keV之间,上下限略有浮动;参数γ1处在1~3之间,且L=6区域的值整体上会比L=5时的要大,且L=5会出现在0.5~1之间的结果;参数γ2平稳的在6~9之间变动。并存在参数C和γ1与DST之间存在正向相关性。结果表明,在L=4,5,6时能量电子差分通量变化的拐点的确存在,但是并不固定,参数E0是表征拐点所处能级的大小,依照参数E0的结果,拐点将在1500~2500keV范围内变化。本文的统计分析结果对辐射带电子通量理论建模和未来辐射带电子环境变化的预报现报等都具有很重要的研究意义。
【学位单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P353.4
【部分图文】：

第一章 引言第一章 引言在地球海拔高度 1000KM 以上的被完全电离的等离子体稀薄区域被称为地球磁层，磁层之中的电子和离子的运动往往受到地球磁场的作用，而正因为地球磁场的存在，才使得地球不会裸露在太阳风等宇宙高能粒子环境之中，使地球生物才能得以生存。上世纪 30 年代，英国科学家 S.查普曼首次提出了地球磁层的概念，随着航天技术的飞跃发展，在五六十年代通过人造地球卫星证实了地球磁层的存在。地球磁层是日地物理研究中最重要的区域之一，它主要由各层结构组成，包括磁层顶、弓激波、磁鞘、等离子体幔、等离子层、中性片、辐射带、环电流区域、磁尾等。各层之间往往会发生许多耦合作用，对近地空间环境的变化和空间天气预报具有非常重要的意义。

第一章 引言个方面的属性，希望更多的了解辐射带的动力学过程和动态变化，为空间探测、载人航天和卫星通信应用等提供更准确更详细的现报和预报。1.1 地球辐射带介绍早在 20 世纪初，就有人提出太阳在不停地发出带电粒子，这些粒子将会被地球磁场俘获，束缚在离地表一定距离的高空形成一条带电粒子带。地球辐射带就是内磁层中充满了稳定的被地磁场捕获的高能带电粒子的区域。50 年代末60 年代初，美国科学家詹姆斯·范艾伦根据“探险者”1 号、3 号、4 号的观测资料证实了这条辐射带的存在[1]，确定了它的结构和范围，并发现其外面还有另一条带电粒子带，于是离地面较近的辐射带称为内辐射带，离地面较远的称为外辐射带，因是范艾伦最先发现的，故又称为内范艾伦带和外范艾伦带。

短暂的强磁扰动，每次延续 2~3 小时。1978 年，Victoria 会议对磁层亚暴及过程给出了基本一致的定义“磁层亚暴是起始于地球夜晚面的一种瞬态过程，此过程中来自太阳风-磁层耦合的很大一部分能量被释放并储存在极区电离层磁层中”[4]。磁层亚暴包括太阳风直接驱动过程和“装-卸载”过程。其中“装-卸”过程可以划分为增长相（一般为 30 分钟~1 小时），膨胀相和恢复相三个阶[5]。高能粒子注入是伴随亚暴发生的最常见的现象之一，一般表现为近地空间能粒子通量的突然增长[6]，如图 1.3 为 RBSP-A 卫星的 MagEIS 仪器观测到的次典型的高能电子注入事件，在 22:07 时可以明显看到电子通量的突然增长前，关于高能粒子注入最重要的问题就是这些注入的高能粒子是在何时何地哪种机制加速产生的。极光是亚暴过程中最容易观测到的现象，主要发生于暴膨胀相，是由源于太阳和磁层的能量粒子沿地球磁场线沉降到大气层，与中的粒子发生碰撞而产生的[7]。极光的颜色五彩斑斓，这是由不同的离子跃迁生。通过对极光光谱的研究可以分析此时大气中各种成分的含量。极光的大和形状则反映了极光粒子从源区向地球大气行进过程中受到的各种力。
【参考文献】

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3 孙晓英;段素平;刘维宁;;2005年8月24日磁暴主相期间亚暴过程的多卫星联合观测分析[J];地球物理学报;2014年11期

4 邓晓华;;日地系统磁场重联现象研究[J];中国科学:地球科学;2013年06期

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本文编号：2879327