关键词： 地球辐射带   音频信号   新闻记者   合声   首次记录   星空   太空  

摘要： 人类从未停止过对浩瀚星空的仰望和好奇。跟随新闻记者小酷龙,一起去探索广袤宇宙吧!科学家首次记录遥远的“太空合声”中国科学家团队首次在距离地表超过16万千米的太空中探测到“太空合声”,即合声波。它被转换成音频信号后,听起来像是鸟儿的齐鸣声。合声波与地球辐射带、脉动极光密不可分。

关键词： Arase卫星   地球辐射带   电子通量   三维数据同化   模型性能  

摘要： Arase卫星是一颗专门探测地球辐射带的科学卫星,于2016年12月20日成功发射.在2019年10月范艾伦卫星终止运行后,Arase卫星仍然继续正常运行并提供高质量的观测数据.本文结合Arase卫星高能电子探测器的电子通量观测数据和基于Fokker-Planck扩散方程的三维辐射带数值模型,利用卡尔曼滤波方法实现对2017年4月至2022年3月期间地球外辐射带(L^(*)=3~7)电子通量时空演化过程的数据同化建模.结果显示,同化模型有效弥补了Arase卫星数据对于高赤道投掷角电子的观测缺失,重构了不同能量、投掷角辐射带电子在不同L^(*)处的长期动态演化过程及其对地磁活动的响应特征.通过计算电子通量的数据同化结果与卫星观测结果之间的皮尔逊相关系数、平均误差、平均绝对误差和均方误差,发现电子通量同化结果和观测结果整体一致.通过计算同化过程中的新息矢量,分析卫星观测结果对辐射带数值模型模拟结果的修正程度及其对电子能量和L^(*)的依赖性,这为分析辐射带数值模型所缺失的物理机制以及后续模型的改进与完善提供了重要参考.

关键词： 艾伦   太空探索   探险者   盖革计数器   轨道高度   辐射剂量   卫星搭载   宇宙射线  

摘要： 20世纪50年代开始,苏联和美国先后成功发射人造卫星,开启了人类太空探索的篇章。1958年1月31日,美国的“探险者”1号人造卫星发射上天,这颗卫星搭载了可以探测辐射剂量的盖革计数器,预期测量宇宙射线强度。在低轨道高度上,计数器基本可以正常工作,但是随着高度增加,计数器的读数瞬间降至零。同年发射的“探险者”3号卫星返回的数据,仍然是这样的结果。这令“探险者”1号任务的科学负责人詹姆斯·范·艾伦十分费解:难道在地球附近就存在着大量的辐射源,导致探测器还没有到达预定高度,盖革计数器就爆表,出现了错误的读数?

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

摘要： 遍布全球的人工甚低频台站发射的信号主要用于对潜通信,在夜间,这些信号可以泄漏进磁层与内辐射带中几十至几百keV电子发生回旋共振,从而导致电子沉降.这一过程是导致内辐射带电子损失的重要原因,也是磁层-电离层耦合过程中能量和物质输运的重要环节.被台站信号散射的电子呈现出能量随L增加而减小的“条缕状”能谱结构,与台站信号和电子的一阶回旋共振能量曲线相符.低轨卫星可以对“条缕状”能谱结构进行清晰地观测,为研究近地空间波粒相互作用提供了重要契机.本文基于Drift-Diffusion-Source模型,复现了DEMETER卫星于2009年3月19日多个轨道测量的NWC台站信号导致的“条缕状”能谱,量化了NWC台站信号对辐射带电子的散射作用,明晰了NWC台站信号的幅度和传播角,揭示了内辐射带电子漂移过程中的动态变化规律,为开发人工影响辐射带技术提供了重要理论参考.

关键词： 太阳电池   AE9/AP9   范艾伦辐射带   仿真  

摘要： 作为航天器上重要的能源供应装置,太阳电池的性能表现对保证航天器的正常运行至关重要。在评估太阳电池的性能表现时,需要考虑的一个重要因素是航天器所处的轨道辐射环境。为了更准确地评估太阳电池在不同轨道环境下的工作效能,文章将AE9/AP9模型应用于太阳电池性能衰退模型中,并就GaAs太阳电池持续多年的轨道粒子环境对其造成的影响进行仿真实验,实验结果表明,所设计模型可以更加准确地评估太阳电池的在轨性能变化。

关键词： 分立谱磁声波   奇里科夫共振重叠准则   地球辐射带   范阿伦卫星   准线性理论   波-粒相互作用   等离子体层  

摘要： 磁声波是地球辐射带中常见的电磁波动,磁声波也被称为“赤道噪声”。磁声波在频谱图中可以是分立的或连续的,磁声波频率在质子回旋频率与低混杂共振频率之间。磁声波通常在L～2-8范围的等离子体层顶内外被观察到。磁声波在辐射带粒子演化中扮演着至关重要的角色,通过波粒相互作用,磁声波能有效地加热辐射带种子电子以及散射环电流质子。磁声波可以通过朗道共振将电子加热到相对论能级。 辐射带电子通过朗道共振和弹跳共振与磁声波产生共振。准线性理论被广泛应用于描述带电粒子与小振幅、宽带波之间的相互作用。然而,旨在描述内磁层动力学的扩散系数通常是假设磁声波波谱在频率空间中是连续的情况下进行计算的。本文重点研究准线性理论对分立谱磁声波的适用性。基于范阿伦卫星观测结果,我们的研究结果显示只有314个分立谱磁声波事件(1.44%)不满足奇里科夫共振重叠准则。不满足准则的大部分分立谱磁声波事件中,其两谐波之间的间隔都大于7倍的质子回旋频率,因此,准线性理论可以适用于所有无频率间隔的分立谱磁声波。当分立谱磁声波有较大的频率间隔时,使用准线性理论需要先使用奇里科夫共振重叠准则进行判别。不满足奇里科夫共振重叠准则的磁声波事件主要分布等离子体层顶外的L～4-6之间。

关键词： 空间站   航天员   辐射防护   地球辐射带   银河宇宙线   辐射剂量   Geant4软件  

摘要： 为有效实施对航天员的空间辐射防护,采用计算机断层扫描数据(CT)建立了精细化男性体素模型;基于Geant4建立蒙特卡罗程序计算空间站轨道辐射经过舱壁(5 g·cm^(-2)等效铝屏蔽)后在体模中的辐射剂量;分析了不同辐射粒子在体素模型组织或器官中的吸收剂量、当量剂量和有效剂量。计算结果表明:航天员体内吸收剂量大约80%来源于地球辐射带(ERB)质子;大约14%来源于银河宇宙线(GCR)质子;α粒子的剂量贡献占比约为5%;其余重离子的剂量贡献占比在1%左右。另外,航天员吸收的当量剂量和有效剂量50%左右来自于ERB质子,另50%左右来自于GCR粒子。计算结果将有助于评估航天员在空间站舱内的潜在辐射风险并提供辐射防护参考。

关键词： 地球辐射带   电磁离子回旋波   波粒相互作用   散射系数   损失时间   电子相空间密度  

摘要： 电磁离子回旋波（Electromagnetic Ion Cyclotron waves,简称EMIC波）是地球辐射带中一种普遍存在的等离子体波,其频率范围通常在0.1～5Hz之间。大量的观测表明,EMIC波按频率通常分为三个不同的频段:波动频率在氢离子（H+）和氦离子（He+）回旋频率之间的为H+频段EMIC波;波动频率在氦离子和氧离子（O+）回旋频率之间的为He+频段EMIC波;波动频率在氧离子回旋频率以下的为O+频段EMIC波。EMIC波对地球辐射带粒子动理学过程起重要作用,通过波粒相互作用,能有效散射辐射带相对论电子,造成辐射带相对论电子快速沉降损失从而影响相对论电子相空间密度动态演化。EMIC波与辐射带粒子相互作用一直是磁层物理的研究热点,准线性理论的提出为研究EMIC波与粒子之间的相互作用提供了一种重要的手段,基于准线性理论得到的EMIC波对粒子的散射系数可以直接反映波动对粒子的散射快慢,从而进一步确定粒子的加速和损失机制。 现有的研究表明EMIC波与辐射带相对论电子发生波粒相互作用时,背景等离子体的粒子成分,波的传播角模型,背景等离子体参数α*(=fpe/fce),L-shell,电子的能量,投掷角等参数对EMIC波与相对论电子相互作用时的散射系数有重要影响。本文利用基于准线性理论开发的散射系数计算模型（Full Diffusion Code,简称FDC）计算了EMIC波在不同参数条件下对辐射带相对论电子的散射系数,首先建立了不同频段EMIC波对辐射带相对论电子的散射系数随L-shell、背景等离子体参数α*、能量和投掷角变化的矩阵库,发展了基于线性插值方法获取不同频段EMIC波散射系数的方法,为开展地球辐射带全球动态建模创造了有利条件。为了进一步衡量EMIC波对辐射带相对论电子散射快慢,本文计算了EMIC波散射辐射带相对论电子的损失时间。通过数值求解一维福克普朗克方程,研究了EMIC波对辐射带相对论电子相空间密度的动态演化过程,发现中低投掷角的相对论电子相空间密度衰减更为显著。 本文的主要内容及结论如下: 1.利用散射系数计算模型FDC计算在大范围参数空间EMIC波对辐射带相对论电子的散射系数,建立了EMIC波对辐射带相对论电子的散射系数随L-shell、背景等离子体参数α*、能量和投掷角变化的矩阵库。本文分别选择了H+频段EMIC波在L-shell为3和6,α*=3-30,He+频段和O+频段EMIC波在L-shell为3和6,α*=6-30时的散射系数结果进行详细分析。发现不同频段的EMIC波对辐射带相对论电子的散射系数对L-shell有较强依赖性。不同频段EMIC波在L=6的散射系数峰值一般比L=3时的散射系数峰值大一个数量级。不同频段的EMIC波对相对论电子的散射系数对传播角模型也有较强的依赖性。当传播角增大（相当于越来越倾斜）,H+频段和He+频段EMIC波在较大投掷角处会出现朗道共振,会导致部分高能相对论电子在大投掷角的散射系数减小一个数量级;O+频段EMIC波会导致部分高能相对论电子在大投掷角的散射系数变小。不同频段EMIC波对相对论电子的散射系对α*也有很强的依赖性,随着α*逐渐增大,EMIC波能与更低能量的相对论电子发生共振相互作用,并且投掷角散射系数能出现在更大的投掷角。 2.为了进一步衡量不同频段EMIC波在不同参数条件下对辐射带相对论电子数的损失快慢,本文计算了不同频段EMIC波对相对论电子的损失时间τ。发现不同频段EMIC波对相对论电子的损失时间对L-shell有强依赖性,相对论电子在较高L的损失时间比较低L的损失时间小。不同频段EMIC波对相对论电子的损失时间对背景等离子体参数α*有较强的依赖性,随着α*逐渐增大,损失时间朝低能量的相对论电子扩展,相对论电子的最小损失时间尺度逐渐变小。当不同频段EMIC波的传播角变大时,会导致相对论电子的损失时间变大。 3.通过数值求解一维福克普朗克方程,分析了不同频段EMIC波对相对论电子相空间密度随时间动态演化的作用。当L=3,α*=6时,H+频段EMIC波能导致能量大于约3 Me V相对论电子相空间密度在10 min内衰减1倍左右;He+频段EMIC波能导致能量大于约6 Me V的相对论电子相空间密度在10 min内最大衰减幅度为96%;在O+频段EMIC波作用下,对能量大于8 Me V的相对论电子相空间密度在10 min内衰减幅度为62%-95%。当L=6时,不同频段EMIC波导致不同能量范围的相对论电子相空间密度在10 min内发生变化。传播角模型的改变不能显著影响EMIC波对相对论电子相空间密度演化结果。

关键词： 地球外辐射带   种子电子   相对论电子   磁暴   太阳风电场   行星际磁场  

摘要： 磁暴期间地球外辐射带电子通量会发生剧烈变化,能量电子会对在轨卫星和宇航员造成伤害,所以研究地球外辐射带电子动力学具有十分重要的意义。过去的工作研究了磁暴期间太阳风参数和地磁指数对于地球外辐射带电子通量的影响。本工作先研究了磁暴主相期间种子电子通量变化量与南向行星际磁场、太阳风电场以及磁暴主相持续时间之间的关系。利用范艾伦探测器得到98个磁暴事件的通量数据,并将所有事件分为通量衰减型事件,通量增加型事件和通量强增加型事件,发现:1.对于通量衰减型事件,大多数事件的主相持续时间小于12小时,且南向行星际磁场和太阳风电场也较弱(-15 nT12h)的事件的南向行星际磁场和太阳风电场较弱(-23 nT