关键词： 范艾伦辐射带   研究团队   莫斯科国立大学   辐射带粒子   地球辐射  

摘要： 范艾伦辐射带在1958年被发现至今已60载,科学家仍然在不断发现它的神秘特征。科罗拉多大学博尔德分校大气和空间物理实验室主任丹尼尔·贝克(Daniel Baker),莫斯科国立罗蒙诺索夫大学的斯科别利岑核物理研究所所长米哈伊尔·帕纳修克(Mikhail Panasyuk)共同撰文纪念范艾伦辐射带发现60周年。

关键词： 地球辐射带   磁暴   亚暴   能量电子通量变化   Van Allen Probes  

摘要： 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10～6-1012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。

关键词： 航天器工程   辐射带   辐射带模型  

摘要： 地球辐射带的发现是人类进入航天时代后的第一个重要成果。由于辐射带形成的高能带电粒子辐射环境给航天器在轨运行安全带来了严重隐患,必须在航天任务的地面设计阶段获得对辐射带精确的定量描述,并对航天器进行针对性的防护设计,因此,为地球辐射带建模,通过辐射带模型获得对辐射带精确的定量描.述成为所有航天大国面临的一个迫切需求。拥有自主的辐射带模型,可以使我国具备有效防护和规避空间环境危害的手段,提高保障航天器安全可靠运行的能力,对健全我国航天工程体系、提升我国航天工程水准具有重要的现实意义。本文对辐射带建模框架和我国自主辐射带建模进行了研究,内容分为七章。第一章为绪论,介绍了辐射带及其建模研究的背景、起源和国内外发展历程;第二章对辐射带模型分类进行了研究,给出了辐射带模型的分类方法,并按照该方法对辐射带模型进行了分类;第三章对辐射带模型发展路线进行了研究,给出了现有辐射带模型的总体发展路线和作为航天工程事实标准的AP-8/AE-8的发展路线;第四章对辐射带模型框架进行了研究,给出了能够描述辐射带动态变化的辐射带模型标准框架的构成及具体实现的思路和方法,以AP-8/AE-8和AP-9/AE-9作为样本对辐射带模型标准框架进行了验证,给出了基于标准框架的模型更新与升级方法;第五章对我国自主辐射带建模进行了研究,分析了自主建模的必要性和可行性,确定了自主建模的目标,完成了自主模型的需求分析,给出了自主模型的功能指标,根据辐射带模型标准框架对自主模型进行了设计,给出了自主模型的软件实现方案,并对建立的自主模型进行了验证;第六章对辐射带建模的未来发展进行了展望,分析了国内外辐射带建模研究的发展趋势,并探讨了新技术和新理念在辐射带建模中的应用;第七章为全文的总结,回顾了辐射带建模框架和我国自主辐射带建模研究的主要内容,强调了研究的主要成果和创新点。以上七章中,第四章和第五章的内容是本文的核心研究内容。本文的主要成果和创新点在于:1.提出了完整的辐射带模型标准框架体系。标准框架从航天工程需求出发,定位了辐射带模型的标准功能,给出了模型结构、组成部分和工作流程,并进一步给出了辐射带模型的具体实现方案。标准框架给出了辐射带建模的路线图,可以作为辐射带建模的指导方案;标准框架给出了构建辐射带动态模型的方法。2.按照辐射带模型标准框架,建立了我国第一个拥有自主知识产权的辐射带模型。自主模型是聚焦于LEO的辐射带局部模型,同时也是可以响应辐射带扰动变化的动态模型。对自主模型的验证结果表明,自主模型在描述LEO辐射带动态变化方面优于现有模型。以上两项成果填补了国内相关领域的空白,并为开展后续相关研究打下了坚实的基础。

关键词： 高能电子   地球同步轨道(GEO)卫星   卫星异常   地球辐射带   实时预报  

摘要： 为了厘清在轨GEO(Geosynchronous Earth Orbit,地球同步轨道)卫星不时出现异常的原因,提高卫星执行任务的可靠性,首先从机理上介绍了空间环境中的地球辐射带及高能电子的情况,引出GEO卫星所处恶劣空间环境的现实;其次基于我国SEPC(Space Environment Prediction Center,国家空间环境预报中心)以及NSMC(National Satellite Meteorological Center,国家卫星气象中心)的空间环境月报资料,结合某GEO环境业务卫星故障的实际数据,经统计归纳,分析得出了地球辐射带中的高能电子是导致GEO卫星发生故障的主要原因;最后按照事例技术分析、常规按需预报和特殊情况下的实时预报等3个层次对高能电子预报方法进行了初步探讨。通过分析可以看出,为提高卫星完成任务的可靠性、降低长期管理风险,需要加强GEO卫星所处空间环境高能电子的预报工作。

关键词： 范艾伦辐射带   哨声模波动   低频合声波   振荡调合声波   等离子体层外嘶声波   波粒相互作用  

摘要： 地球辐射带是内磁层中能量>100 keV高能带电粒子聚集成的等离子体区域。辐射带电子的演化非常复杂以及剧烈,并且可以对星载系统和航天员造成严重危害。以往的工作认为辐射带电子的演化是多种加速、损失和输运过程协作竞争的结果。哨声波与辐射带电子的回旋共振便是重要的加速和损失机制之一。基于范艾伦探测器的观测数据,本论文着重分析了一些非典型哨声波的演化以及作用。第一章介绍了辐射带的动态演化过程,概述了波粒相互作用的贡献,并提出了论文的核心研究内容。第二章介绍了范艾伦探测器的主要观测数据和分析方法,列举了一些常见等离子波动的分析结果。第三章关注于高强度的低频合声波。合声波通常被认为分布在0.1到0.8fce,范艾伦探测器数据显示强合声波能够发生在0.1fce以下。这些低频合声波平行于磁力线传播,并且多数时间表现成类嘶声的特性。低频合声波可以导致种子电子(～0.1 MeV)的快速沉降损失,这和典型合声波的作用明显不同。对于相对论电子(≥0.5 MeV),低频合声波产生的动量扩散作用与典型合声波相当,而其在损失锥处产生的投掷角扩散作用则更强。这些研究结果表明低频合声波在辐射带演化中扮演了一个非常不同的角色,需要在辐射带物理模型中加以考虑。第四章关注于长时间持续的振荡调合声波。合声波通常表现为一个类嘶声带或一系列短时(最高约为1 s)的分立结构。范艾伦探测器的数据显示,合声波可以表现为长时间持续的振荡调(长达25 s)。数据分析表明振荡调是一个自然现象而非人工信号。其可能的物理机制是:(1)类嘶声带触发的非线性过程或(2)电磁波源区的调制。如此长时间持续的振荡调合声波具体的产生和演化过程还需要在将来的工作中进一步地研究。第五章关注于等离子体层外嘶声波的放大过程。外嘶声波通常被认为是由等离子体层内的嘶声波泄漏出等离子体层顶而形成的,并且可作为等离子体层顶外辐射带电子损失的潜在重要机制。实际上,人们对泄漏之后外嘶声的演化过程还没有完全的了解。观测和模拟表明亚暴注入的100 keV左右的热电子的可以有效地放大外嘶声波。这些研究结果揭示了外嘶声波演化的一个重要过程—局地放大。第六章总结了本论文得到的核心成果,并展望了关于这些非典型哨声波在将来需要继续推进的工作。

关键词： 蝴蝶型分布   相对论电子   辐射带   哨声波合声模   波粒相互作用  

摘要： 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。

关键词： 辐射带“杀手电子”   CME磁暴   CIR磁暴   波粒相互作用   ULF波   VLF波  

摘要： 通过SAMPEX卫星的观测,定量地研究了在CME和CIR磁暴期间1.5~6.0 MeV＂杀手＂电子的通量分布的变化。发现外辐射带的内、外边界都可以被随着L壳指数衰减的函数很好地拟合出来。另外,该报告根据这一指数衰减函数和由此得到的动态的外辐射带内、外边界改进了RBC指数的计算,并由此得到,CME磁暴有可能比CIR磁暴产生更多的相对论电子。辐射带物理模型STEERB基于三维的Fokker-Planck方程实现,包含局地波粒相互作用、径向扩散和绝热输运等物理过程。由于数值格式的限制,以往的辐射带模型均没有引入局地波粒相互作用相关的交叉扩散项。STEERB模型的对比实验显示,交叉扩散项的忽略能够导致电子通量被高估5倍甚至几个数量级。这个结果说明,交叉扩散项对于辐射带电子通量的准确评估具有重要意义。以往的辐射带物理模型常常采用固定的偶极磁场,忽略了背景磁场变化引起的绝热过程。STEERB模型则采用了时变的背景磁场,同时引入绝热和非绝热过程。对比实验结果显示,绝热输运过程能够显著地影响辐射带电子通量的演化。行星际激波与磁层的相互作用能够在内磁层激发ULF波;激发的极性模ULF波会造成＂杀手＂电子的快速加速过程。极向模和环向模ULF波对漂移-共振加速的作用在不同L值区域有所不同。环向模ULF波对能量电子的加速在L值较大的区域（外磁层）较为重要,而在L值较小的区域（内磁层）,极向模ULF波则对能量电子的加速起主要作用。

关键词： 高能电子辐射   中地球轨道   地球辐射带  

摘要： 采用中国中地球轨道卫星在太阳活动下降相到上升相的高能电子探测数据,首次分析研究了该轨道高能电子环境的空间分布、通量强度、时序变化以及对地磁暴活动响应的特性.结果表明,中地球轨道高能电子的空间分布范围稳定,电子通量强度随能量升高而下降;中地球轨道高能电子环境是一个在不同时间尺度上剧烈变化的动态系统,该系统可能间歇性地出现27天重现性变化,该系统变化受地磁暴事件调制,但其对磁暴的响应呈现出非线性特征.

关键词： 系统辨识   地球辐射带   高能电子通量   预报  

摘要： 对地球辐射带中的高能电子通量变化情况进行准确及时的预报是安全遂行空间任务的重要保障条件。从系统辨识的角度,对基于数据驱动的辐射带电子通量预报模型相关研究进行了归纳总结,对线性预测滤波器、卡尔曼滤波器、神经网络等模型的数学机理、约束条件、数据处理过程进行了介绍,分析比较了模型的特点和不足,总结出了模型"线性-非线性"的发展脉络,最后指出了数据驱动辐射带电子通量预报模型的发展趋势。

关键词： 快速太阳风   阿尔文波   混合模拟   参量不稳定性   重离子加热   辐射带合声波   电磁离子回旋波   电子损失   相对论电子   电子沉降   磁层顶逃逸   太阳风动压   行星际磁场  

摘要： 波和带电粒子相互的作用一直都是空间等离子体中的重要课题。本文主要关注波粒相互作用在太阳风加热和地球辐射带演化过程中的应用。我们利用一维和二维混合模拟方法来研究快速太阳风中的离子/离子不稳定性,以及阿尔文波的参量不稳定性。另外,我们利用大量的卫星数据,包括THEMIS,GOES,POES,和太阳风数据,统计分析合声波的频谱半宽和相干系数,给出合声波的激发机制的观测证据,探究太阳风对辐射带相对论电子通量骤降事件影响。本文的主要结论如下： 1.快速太阳风中的离子/离子不稳定性 利用二维混合模拟方法,我们研究了氦离子/质子不稳定的非线性演化过程。我们进一步发现,不稳定性激发的斜向传播的阿尔文波具有线偏振特性。同时,背景质子和氦离子都能被该斜向传播的阿尔文波共振加热。 利用二维混合模拟方法,我们还研究了质子/质子不稳定性的性质。斜向传播的阿尔文波会在不稳定性演化过程中被激发。不稳定性线性增长阶段,激发的阿尔文波是线偏振的,并且能够共振加热背景质子和重离子06+。加热主要是发生在垂直于背景磁场方向上。然而,随着不稳定性的演化,阿尔文波逐渐转变成左旋偏振,而且不能够再继续共振加热背景质子和重离子。此外,我们还考虑了等离子体β和背景质子的温度各向异性对不稳定性演化的影响。 2.快速太阳风中的阿尔文波的参量不稳定性 利用二维混合模拟方法来研究冷等离子中单色阿尔文波的参量衰变不稳定性。我们同时考虑了线偏振和左旋偏振两种阿尔文波。对于线偏振阿尔文波,平行传播和斜向传播的泵波都能发生垂直背景磁场方向的衰变。初始阶段,参量衰变主要在沿着泵波的传播方向上激发,随后会逐渐发展到垂直方向上。随着泵波振幅和传播角的增加,垂直方向激发的波谱将会越发展宽。等离子体β对垂直方向的衰变几乎没有影响。对于左旋偏振的阿尔文波,当泵波沿着背景磁场方向传播时,参量衰变只是限制在背景磁场方向上,没有明显的垂直衰变;只有当泵波是斜向传播的时候垂直衰变才能发生。 我们利用一维混合模拟方法来研究质子-电子-氦离子等离子体体系中的阿尔文波的参量不稳定性。当不存在氦离子时,随着泵波波数的增加,衰变不稳定性的增长率将会增加,而密度扰动的饱和振幅略有下降。但是,当存在氦离子,并且与质子存在较大的相对速度时,在一定波数范围内,不稳定性的增长率和扰动密度的饱和振幅会变得很低,参量衰变被显著抑制。在这些波数范围内,氦离子和激发的反向传播的阿尔文波满足共振关系。因此,氦离子和阿尔文波的共振相互作用对参量不稳定性具有抑制作用。 采用同样方法,我们对质子-电子-氦离子等离子体体系中的单色阿尔文波的参量不稳定进行了更进一步的分析。当质子和氦离子的相对速度足够大时,参量衰变激发的后向传播的阿尔文波在不稳定性的非线性演化阶段会通过调制不稳定性向大波数串级。与此同时,氦离子会被这些波动共振加热。另一方面,如果两者相对速度比较小,氦离子只会在参量衰变的线性增长阶段被明显加热,这里主要是与激发的密度模发生了朗道共振。因此,加热主要是在平行方向上,而在垂直方向上没有明显加热。 3.地球磁层中的电子哨声波的统计 利用THMIS的高频电磁场数据,我们对磁层中的升调,降调,和类嘶声合声波的频谱半宽和相干系数进行了统计和分析。同时,我们还讨论了它们与空间位置,电子密度,等离子体频率和局地的电子回旋频率的比值（fep/fce）,以及波的振幅的关系。观测结果表明,升调和降调合声波的频谱半宽很窄(（～0.01fce）,要小于类嘶声合声波（～0.025fce）。同时,间断合声波的频谱半宽会随着波的振幅增加而减小,而类嘶声合声波的频谱半宽却随着波的振幅增加而变大。升调和降调合声波的相干系数极大（～1）,而类嘶声合声波的相干系数要小一些,但仍然大于0.5。对于所有类型的合声波,频谱半宽与局地的fpe/fce是是正相关的,而与电子密度是反相关的。准线性理论被广泛用于描述辐射带电子和哨声波的相互作用。我们的结果表示,由于升调和降调合声波的频谱半宽很窄,相干系数极大,准线性理论并不完全适用,但是对于振幅不是极大的类嘶声合声波依然是适用的。 线性理论指出哨声波的增长率正比于热电子（-1to30keV）的数密度和所有电子的数密度比值（Nh/Nt）,并且非线性波理论指出升调合声波的激发需要一个最优的线性增长率。利用THEMIS近五年的突发波形的数据,我们分别研究升调合声波,降调合声波,和类嘶声合声波的Nh/Nt与波的振幅／发生率之间的关系。统计结果表明,升调和降调合声波发生的主要区域具有很窄的Nh/Nt范围,而类嘶声合声波的发生率和振幅都随着Nh/Nt的增加而增加。我们的观测结果不仅为类嘶声合声波的激发机制提供了线索,而且为升调合声波的非线性激发理论提供了观测的证据。 4.太阳风参数