發(fā)布時(shí)間：2020-11-11 14:47

　　 地球輻射帶是近地空間的重要圈層之一,與磁層和電離層等其他區(qū)域會(huì)發(fā)生許多耦合作用,航天器的通信和運(yùn)行也常常受到輻射帶環(huán)境的高度影響,因此對(duì)日地空間環(huán)境和空間天氣預(yù)報(bào)具有非常重要的研究意義,引起了空間物理學(xué)家們的廣泛關(guān)注,成為空間物理研究的熱點(diǎn)之一。幾十年來(lái),人類(lèi)發(fā)射了許多衛(wèi)星去測(cè)量輻射帶各個(gè)方面的物理特性,為空間探測(cè)、載人航天和衛(wèi)星通信應(yīng)用等提供更準(zhǔn)確更詳細(xì)的現(xiàn)報(bào)和預(yù)報(bào)。2012年8月,美國(guó)NASA成功發(fā)射了Van Allen Probes衛(wèi)星,對(duì)地球輻射帶在不同時(shí)間和空間尺度上的動(dòng)態(tài)過(guò)程和對(duì)近地空間環(huán)境的影響,進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間和多點(diǎn)觀測(cè),積累了大量有效觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)輻射帶粒子動(dòng)力學(xué)過(guò)程和動(dòng)態(tài)變化的研究進(jìn)一步深入,為輻射帶觀測(cè)研究和理論建模提供了很好的機(jī)遇。在輻射帶能量電子通量變化研究中,Summers、Fox以及Mauk等人在理論研究方面取得了一系列原創(chuàng)性的進(jìn)展。Mauk et al.(2010)中提出了強(qiáng)磁化行星(地球、土星、木星、天王星、海王星)都具有類(lèi)輻射帶結(jié)構(gòu),并通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),部分區(qū)域的能量電子差分通量都存在類(lèi)似“拐點(diǎn)”的現(xiàn)象,并給出了相應(yīng)的理論模型。如地球輻射帶,L=4、5和6時(shí),其電子通量變化往往會(huì)出現(xiàn)“拐點(diǎn)”,但是也存在著很多不同之處。為了更好的了解輻射帶的動(dòng)態(tài)變化,我們利用Van Allen Probes觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)典型磁暴期間輻射帶能量電子通量的變化特征進(jìn)行細(xì)致分析和統(tǒng)計(jì)研究。我們選取了2012年到2015年期間的三個(gè)典型磁暴事件,對(duì)事件中Van Allen Probes的磁電子離子譜儀(MagEIS)和相對(duì)論質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡(REPT)儀器觀測(cè)的能量電子數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。(1)首先我們選擇對(duì)典型磁暴期間的能量電子通量在磁暴發(fā)生前后和不同L-shell進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。結(jié)果表明,磁暴期間各L-Shell上的能量電子通量均會(huì)出現(xiàn)程度不同的變化。L=2區(qū)域的電子通量相對(duì)較為穩(wěn)定,磁暴環(huán)境對(duì)其通量的改變?cè)诤苄〉姆秶鷥?nèi)波動(dòng);L=3、4、5、6區(qū)域的電子通量會(huì)隨著磁暴環(huán)境的影響而存在較大的變化,隨著磁暴強(qiáng)度的不同變化的程度也會(huì)不同。L=3時(shí),高能電子通量處于較低水平,強(qiáng)磁暴環(huán)境下的中等能級(jí)電子通量能最高提升10~4倍;L=4時(shí),在平靜期,電子通量會(huì)在中等能級(jí)處出現(xiàn)極小值,通量曲線(xiàn)形如“凹槽”,磁暴響應(yīng)下使得低能電子通量衰減的速率呈現(xiàn)1/E形態(tài);L=5和L=6時(shí),低能電子通量都會(huì)出現(xiàn)形如1/E的衰減,衰減速率隨L值增大而增大,高能電子通量下降速率很快。輻射帶的位置并不是永恒不變的,隨著磁暴的發(fā)生,輻射帶的邊界會(huì)向內(nèi)侵蝕,從而改變各L-Shell相對(duì)于的輻射帶的位置。另外,在外輻射帶區(qū)域的能量電子通量確實(shí)存在“拐點(diǎn)”現(xiàn)象。(2)磁暴會(huì)伴隨著亞暴的發(fā)生,當(dāng)AE指數(shù)較大時(shí),VAP衛(wèi)星的通量觀測(cè)曲線(xiàn)有較大的差別。我們針對(duì)三個(gè)典型磁暴期間的亞暴事件展開(kāi)研究,首先對(duì)2013年3月17日至30日期間AE指數(shù)較大的時(shí)間段進(jìn)一步分析,試圖找尋這種差別與MLT或者AE、DST之間是否存在進(jìn)一步的聯(lián)系。發(fā)現(xiàn)能量電子差分通量形式下的電子通量變化與MLT之間的關(guān)系沒(méi)有很明顯的體現(xiàn),但是較大的DST會(huì)導(dǎo)致給定L-Shell時(shí)的低中能電子通量存在明顯差異。因此,我們計(jì)劃在后續(xù)工作中通過(guò)將能量電子差分通量轉(zhuǎn)換成全向粒子積分通量來(lái)解決這一問(wèn)題。(3)為了進(jìn)一步研究電子通量變化中能量“拐點(diǎn)”的情況,我們采用最小二乘法對(duì)電子通量觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,驗(yàn)證了擬合結(jié)果并討論了誤差大小。經(jīng)過(guò)對(duì)三個(gè)磁暴事件擬合結(jié)果的仔細(xì)分析,我們發(fā)現(xiàn):參數(shù)C的范圍在10~6-10~(12)區(qū)間內(nèi),L=5時(shí)會(huì)出現(xiàn)最小為10~4的結(jié)果;參數(shù)E0在1500-2500keV之間,上下限略有浮動(dòng);參數(shù)γ1處在1~3之間,且L=6區(qū)域的值整體上會(huì)比L=5時(shí)的要大,且L=5會(huì)出現(xiàn)在0.5~1之間的結(jié)果;參數(shù)γ2平穩(wěn)的在6~9之間變動(dòng)。并存在參數(shù)C和γ1與DST之間存在正向相關(guān)性。結(jié)果表明,在L=4,5,6時(shí)能量電子差分通量變化的拐點(diǎn)的確存在,但是并不固定,參數(shù)E0是表征拐點(diǎn)所處能級(jí)的大小,依照參數(shù)E0的結(jié)果,拐點(diǎn)將在1500~2500keV范圍內(nèi)變化。本文的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果對(duì)輻射帶電子通量理論建模和未來(lái)輻射帶電子環(huán)境變化的預(yù)報(bào)現(xiàn)報(bào)等都具有很重要的研究意義。
【學(xué)位單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：P353.4
【部分圖文】：

第一章 引言第一章 引言在地球海拔高度 1000KM 以上的被完全電離的等離子體稀薄區(qū)域被稱(chēng)為地球磁層，磁層之中的電子和離子的運(yùn)動(dòng)往往受到地球磁場(chǎng)的作用，而正因?yàn)榈厍虼艌?chǎng)的存在，才使得地球不會(huì)裸露在太陽(yáng)風(fēng)等宇宙高能粒子環(huán)境之中，使地球生物才能得以生存。上世紀(jì) 30 年代，英國(guó)科學(xué)家 S.查普曼首次提出了地球磁層的概念，隨著航天技術(shù)的飛躍發(fā)展，在五六十年代通過(guò)人造地球衛(wèi)星證實(shí)了地球磁層的存在。地球磁層是日地物理研究中最重要的區(qū)域之一，它主要由各層結(jié)構(gòu)組成，包括磁層頂、弓激波、磁鞘、等離子體幔、等離子層、中性片、輻射帶、環(huán)電流區(qū)域、磁尾等。各層之間往往會(huì)發(fā)生許多耦合作用，對(duì)近地空間環(huán)境的變化和空間天氣預(yù)報(bào)具有非常重要的意義。

第一章 引言個(gè)方面的屬性，希望更多的了解輻射帶的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和動(dòng)態(tài)變化，為空間探測(cè)、載人航天和衛(wèi)星通信應(yīng)用等提供更準(zhǔn)確更詳細(xì)的現(xiàn)報(bào)和預(yù)報(bào)。1.1 地球輻射帶介紹早在 20 世紀(jì)初，就有人提出太陽(yáng)在不停地發(fā)出帶電粒子，這些粒子將會(huì)被地球磁場(chǎng)俘獲，束縛在離地表一定距離的高空形成一條帶電粒子帶。地球輻射帶就是內(nèi)磁層中充滿(mǎn)了穩(wěn)定的被地磁場(chǎng)捕獲的高能帶電粒子的區(qū)域。50 年代末60 年代初，美國(guó)科學(xué)家詹姆斯·范艾倫根據(jù)“探險(xiǎn)者”1 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)的觀測(cè)資料證實(shí)了這條輻射帶的存在[1]，確定了它的結(jié)構(gòu)和范圍，并發(fā)現(xiàn)其外面還有另一條帶電粒子帶，于是離地面較近的輻射帶稱(chēng)為內(nèi)輻射帶，離地面較遠(yuǎn)的稱(chēng)為外輻射帶，因是范艾倫最先發(fā)現(xiàn)的，故又稱(chēng)為內(nèi)范艾倫帶和外范艾倫帶。

短暫的強(qiáng)磁擾動(dòng)，每次延續(xù) 2~3 小時(shí)。1978 年，Victoria 會(huì)議對(duì)磁層亞暴及過(guò)程給出了基本一致的定義“磁層亞暴是起始于地球夜晚面的一種瞬態(tài)過(guò)程，此過(guò)程中來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)-磁層耦合的很大一部分能量被釋放并儲(chǔ)存在極區(qū)電離層磁層中”[4]。磁層亞暴包括太陽(yáng)風(fēng)直接驅(qū)動(dòng)過(guò)程和“裝-卸載”過(guò)程。其中“裝-卸”過(guò)程可以劃分為增長(zhǎng)相（一般為 30 分鐘~1 小時(shí)），膨脹相和恢復(fù)相三個(gè)階[5]。高能粒子注入是伴隨亞暴發(fā)生的最常見(jiàn)的現(xiàn)象之一，一般表現(xiàn)為近地空間能粒子通量的突然增長(zhǎng)[6]，如圖 1.3 為 RBSP-A 衛(wèi)星的 MagEIS 儀器觀測(cè)到的次典型的高能電子注入事件，在 22:07 時(shí)可以明顯看到電子通量的突然增長(zhǎng)前，關(guān)于高能粒子注入最重要的問(wèn)題就是這些注入的高能粒子是在何時(shí)何地哪種機(jī)制加速產(chǎn)生的。極光是亞暴過(guò)程中最容易觀測(cè)到的現(xiàn)象，主要發(fā)生于暴膨脹相，是由源于太陽(yáng)和磁層的能量粒子沿地球磁場(chǎng)線(xiàn)沉降到大氣層，與中的粒子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生的[7]。極光的顏色五彩斑斕，這是由不同的離子躍遷生。通過(guò)對(duì)極光光譜的研究可以分析此時(shí)大氣中各種成分的含量。極光的大和形狀則反映了極光粒子從源區(qū)向地球大氣行進(jìn)過(guò)程中受到的各種力。
【參考文獻(xiàn)】

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3 孫曉英;段素平;劉維寧;;2005年8月24日磁暴主相期間亞暴過(guò)程的多衛(wèi)星聯(lián)合觀測(cè)分析[J];地球物理學(xué)報(bào);2014年11期

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8 何兆國(guó);肖伏良;宗秋剛;王永福;陳良旭;樂(lè)超;張賽;;多衛(wèi)星聯(lián)合觀測(cè)磁暴時(shí)合聲波驅(qū)動(dòng)的外輻射帶高能電子通量的增強(qiáng)[J];中國(guó)科學(xué):技術(shù)科學(xué);2011年08期

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1 張擇龍;合聲模與嘶聲模對(duì)輻射帶高能電子演化的區(qū)域性作用[D];長(zhǎng)沙理工大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2879327