关键词： 地球磁暴   地球外辐射带   相空间密度   群试验粒子模拟   波-粒相互作用  

摘要： 磁暴是一种强烈的地磁扰动现象,它会对地球外太空的电磁场与等离子体结构产生强烈影响。地球辐射带是被地磁场所捕获的高能粒子和相对论粒子的聚集区。与内辐射带相比,外辐射带更易受到地磁扰动的影响,呈现高度的动态演化过程。增强的太阳风动压(（99）)可以改变地磁场的结构,进而引起外辐射带中高能电子的运动情况与相空间分布的绝热演化。扰动的地磁环境也可以改变空间中的等离子体波的分布和性质,从而影响外辐射带内的高能电子的非绝热演化过程。在本论文中,我们通过Omni数据库中的地磁指数、太阳风参数以及范艾伦卫星的观测数据筛选出一个符合条件的磁暴事件。然后在国际地磁参考场模型（IGRF）和T96磁场模型所模拟的时变非对称地磁场中,利用基于导向中心近似与弹跳平均近似搭建的群试验粒子模拟模型,对2015年12月19日至20日,高能电子相空间密度（PSD）的演化情况进行了模拟研究。模拟结果与范艾伦卫星的观测结果均显示,外辐射带电子的PSD在不同水平的（99）下向不同状态演化。第一阶段,（99）（～7.94 n Pa）导致电子各向异性明显上升。第二阶段,在强（99）（～22 n Pa）的作用下,所有能级和投掷角的高能电子的PSD都有明显的下降,这表明磁层顶阴影效应和向外的径向扩散可能在第二个过程中发挥了重要作用。为理解该事件中电子的PSD的非绝热演化过程,我们展示了该事件中的等离子体波动频谱图与扩散系数分布图。观测结果与计算结果显示,随着（99）的突然增强,卫星观测到的等离子体波动出现剧烈变化、波动对高能电子的投掷角散射作用强度改变。该研究结果可以帮助我们进一步了解地磁扰动时期辐射带的动态演化。

标准号: GB/Z 42244-2022

摘要： 本文件利用一种描述辐射带动态涨落的模型，给出了航天器(根据轨道和设计寿命)遭受的粒子注量的计算方法。该准动态地球辐射带模型根据输人参数(各类指数)来确定动态变化，而输人参数均选自容易获得并与地球辐射带动态变化高度相关的参数。本文件适用于航天器设计等领域。

关键词： 空间辐射   内辐射带   质子屏蔽   蒙特卡罗方法   数值模拟  

摘要： 辐射带粒子是近地空间卫星总剂量辐射的主要来源。文章分析了内辐射带不同高度轨道的辐射环境特性;并利用Geant4程序,针对内辐射带质子环境进行不同材料的屏蔽效能计算。结果表明:虽然传统的低‒高‒低原子序数材料三明治屏蔽结构对电子具有较高的屏蔽效能,却并不适用于以质子环境为主的轨道;对于工作在3000 km圆轨道、5年寿命的卫星,若要将总剂量降至30 krad(Si)以下,使用PE屏蔽材料可比Al屏蔽减重28%。

关键词： 人工甚低频波   波粒相互作用   电子沉降   地球辐射带   电子通量分叉现象  

摘要： 地球辐射带中充满被地磁场捕获的能量电子,通常被槽区分隔形成内、外电子辐射带.其中,波粒相互作用作为一种基本的物理过程,在辐射带动力学过程中发挥着重要作用.近年来,空间卫星系统提供的高质量波动、粒子观测数据不断积累,覆盖近地空间环境各个区域,产生了内磁层物理领域的一系列重要发现,也使人们对人类活动能否及如何影响近地空间环境有了进一步的认知.文章重点关注地基甚低频台站信号对地球辐射带的人工调制效应.首先,详细回顾了基于卫星就位观测建立的人工甚低频波在地球空间的全球分布特性,包括不同地面台站VLF信号强度的日夜侧不对称性、地理分布、季节不对称性、地磁活动依赖性,以及不同频率VLF波动的传播特性.其次,基于准线性扩散理论,通过理论计算和观测分析量化了人工甚低频信号对辐射带电子的散射系数及其随空间位置和地磁活动条件的变化.进而,通过Fokker-Planck扩散模型模拟辐射带电子的演化过程并将其与卫星实际观测结果对比,直观证明了人工甚低频台站信号泄露进入内磁层后可以通过空间波粒相互作用散射内辐射带能量电子,从而产生呈现双峰结构的电子内辐射带径向分布,为人工甚低频波影响近地空间环境提供了关键定量证据.最后,综述讨论了开展人工甚低频波研究亟待解决的关键科学问题,展望了通过人工VLF波动影响地球辐射带环境的一些研究设想,这将为未来人工主动调制近地空间环境的潜在可能性提供重要参考与借鉴.

关键词： 地球外辐射带   雷达信号传播   等离子体   相对论电子   色散关系  

摘要： 空间科学与技术是世界科技大国的竞争焦点之一,也是提供国家安全保障、牵引国家科技进步,拉动社会经济发展,提高国民凝聚力和向心力的重要领域之一。我国作为世界上空间科学与技术竞争前沿的参与者之一,今年来陆续开展了载人航天、空间站、探月返回、火星探测等多个战略级空间项目。这些项目的开展极大的保障了我国的国家安全、拉动了我国的经济发展,提高了民族自豪感。空间科技的研究以对空间环境的认识和理解为先导,因此各航天大国均投入大量人力物力对空间环境进行探测和研究。工作在低频段的天基扫频步进雷达是空间探测的下一个技术热点之一。以美国的Radio Plasma Imager,DSX,欧空局的MARSIS为代表的的扫频步进雷达投入使用以来,极大的推动了人类对空间环境的认识和理解。我国于2018年正式启动的国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目“星载无线电等离子体探测系统”,目标是设计制作一台工作频段在3k Hz-3MHz的超宽带天基扫频步进雷达原理样机,探测区域包括电离层、内磁层等。地球辐射带是目标区域的热点领域之一。辐射带中的高能粒子是航天器电子设备和航天员人身安全的重大威胁之一,长期以来一直被各国重点关注,也是该项目的目标探测区域之一。然而地球外辐射带中富集的高能电子运动速度快,其相对论效应显著,因此使得基于传统冷等离子体中电波传播模型的扫频步进雷达参量反演算法无法直接应用到外辐射带探测中。本研究从相对论电子的运动方程出发,建立地球外辐射带中相对论电子的色散关系模型,在此基础上,通过理论分析、数值模拟、数值仿真实验来研究和分析低频雷达信号在外辐射带中的传播、反射、折射等传输特性,将其与电离层中的雷达信号传输特性进行对比,梳理构建适用于地球外辐射带中等离子体参量反演的算法原理,并结合卫星观测数据对该模型进行仿真分析。本文第一章介绍相关研究背景和国内外研究现状,第二章较系统的对冷等离子体中的电波传播模型以及色散关系进行了数学推导,在此基础上对电波传播特性进行了理论分析,第三章中引入相对论效应,对外辐射带中的雷达信号传播进行了物理建模,基于模型对外辐射带中的雷达信号传播特性进行了分析和讨论,并利用数值模拟技术对影响外辐射带中雷达信号传播特性的因素及其机制进行了分析讨论,第四章中结合RBSP等卫星的观测数据,通过仿真试验研究了暴时外辐射带中的雷达信号传播特性,第五章对全文工作进行总结和梳理,并为后续工作的开展提供了思路。

关键词： 地球辐射带   GOES与风云二号卫星   高能电子   磁暴   周期  

摘要： 近年来,各国的航天器相继发射升空,在对太空进行探索的过程中由于空间环境的不稳定,尤其是外辐射带中Me V能量的高能电子严重影响着卫星的通信和运行。众所周知辐射带动力学的复杂性和其在空间天气中的重要意义,而理解电子动力学的主要困难在于辐射带响应的随机性和广泛性。尽管空间物理学家们一直把辐射带环境作为重要的研究对象,但对这种空间高能粒子的物理特性和运动机制仍不甚清楚。因此急需我们去深入分析完善。太阳风、行星际条件、地磁活动和辐射带密切相关。由于高能电子通量急剧变化造成的恶劣影响,过去物理学家的关注点总是聚焦在高能电子通量的剧烈变化。例如太阳风条件的调制作用、大磁暴对电子通量的影响、介质深层充放电、内在的波粒相互作用机制,或者是对高能电子通量进行预报等。与过去研究工作不同的是:(1)首先利用小波分析方法对我国风云二号系列卫星和GOES系列卫星(Geostationary Operational Environmental Satellites)的≥2 Me V的高能电子通量的周期性进行了系统的研究,发现两种类型卫星的通量有相同的短周期:9d,13.9d,27.7d;不同中长周期:GOES卫星存在187.0 d和342.9 d、风云二号卫星具有222.3d和374.0 d的中长周期。(2)进一步对不同卫星的短周期相似进行了相应的解释分析,并在之前的研究结论的基础上对中长周期的差异做出了合理地推测,发现两种类型的卫星通量对地磁扰动的响应各向异性。并且与过去的研究不同的是,在没有地磁风暴但Dst(Disturbance storm time)指数下降时,可以对电子通量造成和有地磁风暴时一样的效果。(3)为了进一步研究高能电子通量的加速与损失机制,我们选择了数据较为稳定的GOES卫星,分析了≥2 Me V高能电子通量在没有地磁风暴(Dst>-30 n T)事件时的响应,发现无地磁风暴时的Dst指数下降对高能电子通量的影响与有风暴时一样有效,但不容易造成通量增强,并且增强事件更容易发生在Dst指数下降更多和更低的Dst min时。另外Ds指数的下降还可以很好的分离高能电子的急剧变化和恒定状态。伴随着不同的太阳风参数高能电子通量会出现完全不同的响应,比如提前到来的高太阳风密度、太阳风动压和亚暴活动。(4)通过深入研究所有事件与太阳风参数、地磁指数的关系,发现更高的太阳风速度、一定时间的亚暴而不是长期持续的亚暴、低太阳风密度和太阳风动压是电子加速的关键因素,比如在通量没有变化的事件中尽管存在长期持续的亚暴和低的太阳风密度,但由于不断波动的太阳风速度和总是较高的太阳风动压,电子仍旧没有加速。本文的研究结果揭示了高能电子通量的周期性变化特征,并且发现通量变化实际上是各种参数共同作用的结果。不同卫星得出的结论差异引出了很多有意思并且值得深入的问题,为未来辐射带电子动力学的研究提供了更多的参考和可能性。

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

摘要： 地球辐射带是美国科学家范阿伦于1958年通过探险者1号上搭载的盖革计数器发现的,标志着空间物理这门新兴学科的诞生。地球辐射带中被地磁场稳定捕获的高能电子和高能质子会损坏运行其中的卫星、载人航天设备并对宇航员的健康构成巨大威胁,是人类进行空间探测活动的巨大阻碍。地基人工甚低频台站发射的用于对潜通信的10-30 k Hz信号主要沿着地球-低电离层波导传播,部分能量会泄露进入内磁层,与辐射带中的高能电子发生相互作用导致辐射带电子沉降到大气中,进而影响近地空间中高能电子的动态变化过程。因此研究人工甚低频台站信号的空间分布特征以及具体分析其对辐射带电子的散射损失效应具有重要科学意义和应用价值。 本文首先基于范阿伦双星高质量的波动数据统计了2013-2018年NWC、NAA、DHO38(台站呼号)台站发射的甚低频信号在磁层中的全球分布征及对季节和地磁活动的依赖性。详细分析了台站信号在地理经纬度、MLT、L-shell上的分布特征,以及不同季节、不同地磁活动条件下的波动强度在空间中的分布情况。统计结果表明,在夜侧的人工台站信号明显强于日侧,冬季时强于夏季。MLT和季节上分布差异是因为地球夜侧和冬季时的日照强度较弱,电离层电子密度较低,人工台站信号较容易穿透电离层进入磁层。此外地磁活动对人工甚低频台站信号在空间中的分布的影响很弱。各台站信号统计平均后的波幅强度不超过1.5 p T。 为了进一步分析人工甚低频台站信号对地球辐射带电子通量的影响,本文计算了准线性理论下在不同L-shell台站信号引起的内辐射带及槽区中1 keV-10MeV电子的弹跳平均扩散系数。并将其代入到二维Fokker-Planck扩散方程中求解初始分布为Kappa分布的电子相空间密度随时间的演化过程,模拟了台站信号的作用下电子投掷角分布在200天内的演化过程。基于模拟的结果,可以看出在低L-shell(L≤1.8),NWC台站信号对电子的损失占主导作用,在L=1.7-1.8可以使能量在100 ke V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,可以使几ke V到几十ke V、投掷角小于70°的电子通量显著下降,且散射的电子能级随L-shell的增加而减小;三个甚低频台站信号对高投掷角(>80°)的电子均无显著影响。 本文系统、细致分析各个台站信号在不同L-shell对高能电子的散射效应,可以帮助理解内辐射带电子通量的变化和完善辐射带动态模型,同时可以为研究人工影响辐射带提供理论参考。

关键词： 地球外辐射带   电子通量   电子相空间密度   多维数据同化  

摘要： 基于Explorer 1飞船的观测数据,科学家们首次发现了地球辐射带,这是太空时代的重大发现,开启了磁层物理研究的大门。随着更多科学卫星的发射和更精密仪器的使用,人们对辐射带有了更深刻的认识。在多种物理机制的共同作用下,外辐射带中的高能电子呈现着非常复杂的剧烈动态变化特征。由于辐射带电子会对在轨航天器与宇航员的健康造成威胁,理解和预报辐射带电子的动态变化有着十分重要的意义。尽管已有大量的卫星观测数据可供使用,但卫星的局地观测受到时间和轨道的限制,测量结果较为稀疏;而基于物理的数值模型往往误差较大,且初边界条件很难确定。数据同化可以将卫星的局地观测与数值模型的全球建模有机结合,进而实现对地球辐射带电子时空分布与动态演化的重构与预测。因此,辐射带数据同化不仅是磁层物理领域的研究前沿,也是空间天气预报的重要支撑。 本文使用了范阿伦A星、B星和GOES-13、15四颗卫星的辐射带电子观测数据,以及基于Fokker-Planck方程的辐射带数值模型,采用基于卡尔曼滤波的数据同化方法,对地球外辐射带电子进行了多维数据同化建模与分析。主要结论如下: (1)本文首先对2013年3月的辐射带电子通量进行了同化分析,通过在数值模拟阶段加入不同的扩散机制,来比较不同物理过程对辐射带电子演化过程的影响。本文将同化模型区分为:只考虑径向扩散的一维同化模型;考虑径向扩散和投掷角扩散的二维同化模型;考虑径向扩散、投掷角扩散和能量扩散的三维同化模型。其中,一维同化模型可以模拟出辐射带电子通量随地磁活动的基本变化趋势,但无法还原出电子动态演变的精细轮廓。二维同化模型加入了投掷角扩散机制,可以在等离子体层顶内有效地损失电子。三维同化模型加入了能量扩散机制,可以重现等离子体层顶外电子通量在磁暴恢复相的累积和峰值。通过比较不同地磁环境下的数值模拟结果和同化结果可以看出,数据同化过程对数值模拟结果进行了修正使其更加趋近于卫星观测。本文进一步对比了三组同化模型的数据同化结果,结果表明同时考虑了径向扩散、投掷角扩散和能量扩散的三维同化模型结果在所有L*和多组能量投掷角组合均与观测吻合较好,可以合理地重现辐射带电子通量的全球分布。 (2)本文进一步使用三维同化模型对2012-2015年辐射带电子通量的长期分布进行了同化分析。同化结果弥补了观测数据在时空分布上的缺失,完整地模拟出电子通量的径向分布和时空演化。为了区分绝热和非绝热效应以理解辐射带电子加速损失的平衡,本文进一步对辐射带电子相空间密度进行了三维同化分析。同化结果表明电子相空间密度的时空变化与磁暴事件具有很强的依赖性:磁暴主相期间电子相空间密度会在大多数径向范围上的快速降低,而在磁暴恢复相期间电子相空间密度一般会增强并达到峰值。通过对不同地磁活动条件下的辐射带电子相空间密度长期分布进行同化分析,本文所使用的三维同化模型可以准确地重构外辐射带电子相空间密度的时空演化过程,从而有效地应用于研究影响辐射带电子加速与损失过程的物理机制。 (3)为了量化同化过程对数值模拟的修改程度,本文计算了2012-2015年同化过程中的平均新息矢量(Innovation vector)。首先以2013年的平均新息矢量结果为例,比较了不同扩散机制下新息矢量的数值变化和变化范围。可以看出,新息矢量的正负会随加入的扩散机制不同改变,且变化趋势符合所添加扩散机制的原理,说明模拟过程中加入的扩散机制都是合理有效的。本文还计算了2012-2015年三维同化结果的新息矢量,结果表明数值模型在低L*略低于观测值,而在高L*略高于观测值,这可能是数值模拟阶段使用的波动模型不够准确导致的。新息矢量的数值与地磁活动有明显的相关性,说明本文使用数值模型的模拟效果在地磁活动剧烈时存在更大的不确定性。通过研究新息矢量,可以为后续模型的改进和优化提供有效的参考。

关键词： 范艾伦辐射带   太阳风扰动   波粒相互作用   哨声模合声   等离子体层嘶声   电磁离子回旋波  

摘要： 辐射带是由捕获在地球磁场中的高能粒子所组成的。经过长期的研究,波粒相互作用被认为是控制辐射带结构和演化的主要机制之一。因此,理解相关等离子体波动的时空分布与生成机制是辐射带研究的核心课题之一。虽然辐射带等离子体波动对于太阳风扰动的快速响应逐渐受到关注,但是相关研究仍存在一些不足:(1)缺乏统计分析探索一般规律;(2)涉及的太阳风扰动类型和波动响应模式不够全面。基于磁层和太阳风观测数据,并结合等离子体线性和非线性不稳定性理论,本文通过统计分析与事例分析两种方法研究了辐射带低频(百毫赫兹至几千赫兹)等离子体波动(哨声模合声、等离子体层嘶声和电磁离子回旋波)对太阳风扰动的快速响应。主要科学发现包括:(1)哨声模合声和嘶声波动对于太阳风动压脉冲的响应呈现磁地方时不对称性,波动振幅更容易受到强太阳风动压脉冲的影响,强正(负)动压脉冲通常导致波动振幅增强(减弱);(2)在内磁层中,太阳风动压脉冲可以通过改变热电子数密度和温度各向异性影响辐射带合声的线性增长过程,而对背景磁场的不均匀性以及合声的非线性增长过程影响相对较小;(3)太阳风动压正脉冲可以通过调控热电子分布和背景磁力线位形推高等离子体层嘶声的核心频率;(4)日球层等离子体片的出现(结束)导致热电子和热离子温度各向异性同时增强(减弱),进而引起等离子体层嘶声和电磁离子回旋波的同时生成(消失)。我们的工作既揭示了低频哨声模合声和嘶声波动幅度对太阳风动压脉冲快速响应的统计规律,又展示了若干低频等离子体波动对太阳风扰动的多种不同响应模式。这些研究结果加深了我们对太阳风-磁层耦合过程的认识,有助于辐射带物理模型的发展和完善。

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.