关键词：
地球辐射带
高能电子
波粒共振相互作用
磁层等离子体波
准线性理论
Dungey磁场
摘要：
对于科学家来说,地球磁层是一个令人着迷的天然的实验室,可以用来探索高能带电粒子的动力学过程。随着航天器和人类空间活动的增加,针对磁层高能粒子分布及动力学过程的研究越来越多。例如,SAMPEX, Polar (CEPPAD), GPS (BDD-II), CRRES (MEA), LANL (EPS), GOES, Cluster和HEO这些卫星上的设备对内磁层高能粒子的探测,使内磁层高能粒子的分布研究进入到了一个崭新的阶段。基于这些卫星的观测数据,各种内磁层高能粒子时空演变的现象得以揭示,推动着深入理解地球辐射带高能粒子动力学过程的理论研究。太阳活动高发年将至,人类对深空的探测将会非常的频繁,新的探测项目将会实施,去进一步探究磁层辐射带的动态变化。例如,美国的RBSP项目,加拿大的ORBITALS项目,日本的ERG项目,其目的是研究辐射带带电粒子的动态变化,涉及到粒子的输运,加速和损失过程。
本文的意义在于,研究结果有助于深入理解地球辐射带能量电子各种加速和损失机制,同时对运行该区域的低轨、中轨及高轨航天器的防护研究有重大的现实意义。有助于解释磁层中观测到的各种物理现象,了解辐射带高能电子的动态分布,进一步建立全球的辐射带电子的动态分布模型,为国防和人们的生活的服务。基于此,本文从理论和实验数据分析两个方面对辐射带高能电子分布,以及电子与磁层等离子体波的共振相互作用进行了研究。
本文研究的主要成果如下：
1.使用CRRES的数据对辐射带电子进行了统计分析,得到了辐射带电子的通量分布和投掷角分布。
(1)基于大约15个月的CRRES卫星MEA能量电子观测数据,分别在地磁活动平静(0≤Kp<3)、中等(3≤Kp≤6)及强烈(6-MeV的辐射带电子发生相互作用,是影响这些高能电子的分布的主要因素。相同位置的高谐数的共振的电子的最低共振能量远大于Landau共振的。在高能电子与合声和嘶声的共振相互作用中,Landau共振主要发生在高纬度地区。
(2)太阳活动对电子的最低共振能量影响主要是在等离子体层顶外部的区域,这个区域里的地球磁场的位形和大小在太阳活动强烈时发生了明的变化。冷等离子体参量随之发生的明显的变化,最低共振能量因此发生了变化。
(3)电子与磁层等离子体波的共振区域取决于波的频率带宽和波角、电子的投掷角和能量,共振的谐数、以及空间位置L和λ。高谐共振主要发生于中低纬度区域,Landau共振一般发生于高纬度地区的磁镜点附近。
(4)共振区域明显受到太阳活动的影响,L-shell越高,受到的影响越大。D值对外辐射带的电子与磁层等离子体波共振的共振区域影响较大,但是在内辐射带的区域,基本不对共振区产生影响。
3.基于波粒共振相互作用的准线性理论,对投掷角散射系数,混合散射系数和能量散射系数进行了分析。并且对这些系数做弹跳平均,得到弹跳平均散射系数。共振散射系数取决于共振方程和色散方程,和共振区域一样与波的频率带宽和波角、电子的投掷角和能量,共振的谐数、以及空间位置有关。合声与电子的共振散射系数的结果显示,100keV的低能量的电子能够被快速散射进入损失锥,然后和低层大气发生碰撞损失掉。对于1MeV的电子投掷角散射系数减小,但是不能扩展到损失锥,这是因为较高能量,具有较小投掷角的电子在外辐射带不能与合声发生共振。太阳活动水平会对高L-shell的共振散射系数产生影响。较低能量,小投掷角的电子在太阳活动平静时能被合声波有效散射,而在较高太阳活动水平下,这样的事情却不发生。
4.基于Stomer[1955]关于带电粒子在地球磁场中运动的理论模型,分析得出高能电子在地球周围的运动区域。结合高空核爆形成放射性烟云的经验模型,推断高空核爆在地球周围形成人工辐射带的基本区域。进而,利用高空核爆裂变特性和辐射带中高能粒子的分布特性,计算得到高空核爆形成人工辐射带的电子密度通量,并对高空核爆激发的人工辐射带特征与核爆炸爆点纬度、高度及当量之间的关系作了初步的定量分析。数值模拟结果表明,在一定的条件下,O.1-1MtTNT当量的高空核爆,可预计在地球周围形成电子通量密度比自然辐射带高3-4个量级的人工辐射带。生成的人工辐射带中心位置主要受核爆爆点地磁纬度的影响,核爆的爆高和核爆的当量则对人工辐射带的厚度及其中高能电子的通量密度有一定的影响。
5.基于回旋共振波粒相互作用的准线性理论,使用地基高频发射器发射电波调制低电离层背景电流可以人工激励ELF/VLF波,这些波能使辐射带相对论电子发生投掷角散射沉降进入大气层从而降低其生存期。为了定量地分析人工激励ELF/VLF波散射辐射带高能粒子的可行性,针对内、外辐射带,本文选取了两个典型区域：L=4.6和L=1.5。数值计算结果表明,在内、外辐射带由
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