磁暴期间辐射带电子相空间密度的多卫星联合观测

地球外辐射带是一个高度动态变化的空间环境,辐射带电子通量的变化在磁暴期间尤为明显.要分析潜在的电子动态变化机制,需要排除绝热效应产生的影响.在以三个绝热不变量组成的相空间坐标中,利用相空间密度(PSD)可以反映电子的真实加速和损失情况.本文详细分析两颗范艾伦卫星和三颗GPS导航卫星在2013年3月的同步电子通量观测数据,发现在3月17日磁暴期间,当太阳风动压增大、行星际磁场南向时,辐射带电子通量会发生骤降.进一步将电子通量转换成电子相空间密度并利用不同第一、第二绝热不变量(μ,K)组合条件下PSD径向分布的差异性,深入探究磁暴期间辐射带电子的动态变化机制.结果表明:磁暴初期由于电子的局地加速导致PSD不断上升;磁暴主相期间,由于磁层顶阴影效应以及伴随的向外径向扩散损失导致PSD快速降低;位于不同空间位置的多颗卫星观测为明晰辐射带电子动态物理过程提供了重要的便利.     

2011-2015年辐射带电子动态FY-3B卫星实测结果

FY-3B卫星为轨道高度约800 km,倾角98°的极轨气象卫星,星上高能电子探测器可开展宽能谱、高时间分辨的电子辐射长时间连续监测.20112015年极低太阳活动周期内,FY-3B卫星高能电子探测器对0.15～5.7 MeV不同能量高能电子在南大西洋异常区以外的辐射带区域的观测结果显示:在所有的辐射带区域,低能量的电子比高能量的电子更容易出现增强,填充槽区和进入到内带更低L区域的可能性更大.0.15～0.35 MeV的电子长期充斥于外辐射带和槽区,而1 MeV以上的电子大部分时间分布于外辐射带,在太阳风速度、地磁活动极弱的2014年呈现长时间极弱通量水平.2015年频繁增强的扰动导致电子通量水平整体升高,空间分布大范围扩散,1 MeV以上能量的电子在槽区位置也出现了分布.分析2014.5.10-7.30和2015.5.10-7.10两个典型时段内扰动参数对电子通量在不同区域动态分布的影响,结果表明:电子通量在外辐射带外边界区域动态与太阳风起伏变化关联显著.AE＜300 nT,Dst＞-30 nT,SW＜500 km·s-1的持续长时间低水平扰动条件下,电子通量分布内边界出现在不低于L～4的位置,通量峰值出现在靠近L～5的位置;而在太阳风速度和地磁活动显著活跃的时候,电子会穿越外辐射带深入到槽区,在外辐射带的通量峰值则出现在L约3.5～3.9的位置.2015年的3月和6月两起强磁暴使得电子向更低L注入,＞1 MeV以上的电子在低至L～2.8的槽区出现显著增长.在极低通量水平下,AE指数短时增加超过300 nT的亚暴活动会导致0.15～0.35 MeV电子超过1个量级的增长变化.上述结果对于准确认识辐射带电子不同时期的基本特性、发现能量电子动态潜在的基本物理过程,构建更准确的辐射带电子模型有着重要的参考意义.     

地球辐射带能量电子通量在不同地磁活动下的统计分析

利用大约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＜Kp≤9)的条件下,选取电子能量为148 keV,509 keV,1090 keV,1581 keV的辐射带能量电子通量进行统计分析,得到了不同地磁活动条件下地球辐射带高能电子通量在(L,MLT)...     

>0.3 MeV高能电子注入辐射带槽区事件的分析与预报

本文利用低高度太阳同步轨道系列卫星NOAA/POES从1996年到2006年的>0.3 MeV高能电子观测数据,分析了>0.3 MeV高能电子注入辐射带槽区的特征,研究了注入槽区事件与行星际条件、太阳活动和地磁扰动之间的联系.研究表明>0.3 MeV高能电子注入辐射带槽区事件与磁暴的发生密切相关,注入事件的发生与太阳活动的强度有一定的相关性.在此研究的基础上,本文通过分析辐射带槽区>0.3 MeV高能电子通量和Dst指数的相关性,提出了利用Dst指数推算辐射带槽区>0.3 MeV高能电子通量的方法,继而给出了可行的辐射带槽区高能电子辐射环境的预警模式.     

星内粒子探测器观测结果与辐射带模型的比较

我们将资源一号卫星星内粒子探测器的观测数据与辐射带模式AE8/AP8的预测结果进行了对比，发现在南大西洋异常区的高能电子和质子的通量与辐射带模型的预测结果基本相同，而在两极极光带的电子通量比AE8模型预测的低得多.根据NOAA卫星的观测结果，可以认为这一差异主要是因为在南大西洋异常区（内辐射带）和两极极光带（外辐射带）的粒子投掷角分布的差异造成的.在南大西洋异常区粒子倾向于各向同性分布，而在极光带粒子各向异性明显，投掷角接近90°的粒子通量比0°投掷角附近的粒子通量大得多.     

风云3C对不同类型辐射带电子分布变化的观测：2015年3月17日磁暴事件分析

风云3C卫星(简称FY-3C)测量的低地球轨道(Low Earth Orbit,简称LEO)高能粒子(电子、质子和重离子)通量,是空间环境监测预警业务的重要自主数据来源.深入分析风云3C卫星测量的不同种类高能电子的分布特征和变化规律,对辐射带研究和空间天气预报具有重要意义.本文使用FY-3C测量的空间粒子数据,系统分析了2015年3月17日强磁暴期间辐射带捕获、准捕获和沉降电子的演化特征及其主导性物理机制.结果表明,在磁暴主相,外辐射带电子通量(E2:0.35～0.65 MeV, E3:0.65～1.2 MeV)出现快速下降,达到两个数量级,E1能级(E1:0.15～0.35 MeV)电子通量在L<5区域因为亚暴注入先出现增长,之后在L>4的区域出现明显下降.在磁暴恢复相,由于合声波(chorus waves)先加速低能段电子,E1能段电子通量最先(小于五小时)开始增加,在磁暴结束时覆盖25 cm^-2·sr^-1·s^-1.电子能段越高通量增长得越慢...     

哨声模波对高能电子槽区和外辐射带的调节作用

本文利用磁层哨声模嘶声和合声波的幅度分布模型、近赤道背景电子(能量在eV量级)的数密度分布模型和IGRF10磁场模型建立了一个高能电子(能量大于50 keV)准线性扩散模型.模型的数值结果表明,在不同的地磁条件下,等离子体层顶位置的变化改变了磁层背景电子数密度的空间分布,从而改变了哨声模嘶声对高能电子有效的投掷角扩散（损失）区域,同时也改变了哨声模合声波对高能电子有效的动量扩散（加速）区域.哨声模嘶声对电子投掷角扩散区域的变化和RRES卫星探测到的高能电子的槽区变化是一致的,而合声波对电子的动量扩散区域的变化和卫星探测到外辐射带的变化相同.这种对应关系说明：在不同的地磁条件下,哨声模波对高能电子扩散区域的变化是造成高能电子槽区和外辐射带的空间位置和大小变化的一个重要因素.在一些强磁暴期间,由于嘶声对部分能量范围电子的投掷角扩散作用消失,这些电子的槽区也随之消失,从而使内外辐射带连接在一起.     

FY2G卫星新一代高能带电粒子探测器观测数据分析

风云二号系列卫星是我国开展动态空间天气事件和空间环境监测及预警业务的重要观测平台,各系列星上均安装有高能带电粒子探测仪器开展卫星轨道空间带电粒子辐射环境连续实时的动态监测.FY2G卫星于2015年1月发射,星上采用了全新的高能粒子探测器,包括:一台高能电子探测器可监测200keV-4 MeV的高能电子,一台高能质子重离子探测器可监测4~300 MeV的高能质子,从而实现对带电粒子更宽、更精细能谱的监测.本文给出了FY2G高能带电粒子探测器在2015年1月至2015年10月期间几起典型的带电粒子动态观测结果,结合太阳和地磁活动相关参数,对高能带电粒子通量在亚暴、磁暴和太阳爆发等扰动影响下细节变化过程和特征作出了较为详细的分析描述,展现了FY2G卫星高能带电粒子探测器对轨道空间粒子环境动态变化的准确响应能力,表明观测数据可开展更加精细的轨道粒子环境评估.针对FY2G高能带电粒子探测结果进一步开展了与GOES系列卫星同期观测的比对分析,结果反映出在较小的扰动条件下多星观测到的带电粒子响应和通量变化可基本趋于一致或保持相对稳定的偏差,而扰动条件的显著变化会加大多星观测带电粒子响应和通量变化的差异,这些结果可为今后开展多星数据同化应用提供参考,也为发展磁层对扰动响应的更加复杂的图像提供了新的可能.     

NOAA系列卫星高能粒子数据一致性统计分析

顶部电离层是低轨道卫星的运行空间,是能量粒子沉降的重要区域,认识这个空间的能量粒子分布特征对研究各种空间天气事件、地震、火山以及其他人类活动引起的扰动具有重要的现实意义.本文利用位于顶部电离层的5颗NOAA系列卫星数据,统计研究了100~300keV的电子和80~2500keV的质子的全球分布特征.研究发现:高能电子和质子主要分布在两极辐射带和南大西洋异常区,两极辐射带观测到的高能电子通量比南大西洋异常区高几倍到一个数量级,而质子则相反;高能电子在两极辐射带地区通量分布具有不对称性,主要表现为在北辐射带西经75°到东经90°存在低值区,相对应的是粒子主要聚集在其磁共轭区,且其边界和南大西洋异常区相交;高能质子两极辐射带对称分布,在南半球东经0°至东经50°存在高值区.利用概率密度统计分析发现,各颗卫星在南大西洋异常区和两极辐射带的高能电子和高能质子通量总体上均呈正态分布.在南大西洋异常区,NOAA-15观测到的高能电子通量比其他卫星的低,NOAA-16观测的高能电子通量比其他卫星的高,各卫星的高能质子观测结果基本相同.在两极辐射带,各卫星观测的高能电子通量结果基本相同,NOAA-18和NOAA-19观测的质子通量最高,NOAA-16和NOAA-17次之,NOAA-15最低,其中NOAA-19比NOAA-15观测到的质子通量要高一个数量级左右.在磁暴期间顶部电离层高能电子的变化表明地磁指数Dst和空间粒子通量变化具有时间同步性.本文的研究成果将为我国下一代电磁卫星设计提供基础依据.     

不同地磁条件下同步轨道高能电子通量对合声波的响应

本文研究了2005年8月24日强磁暴（事件A,Dst〈-200nT,AE指数平均值为436nT）与2006年10月28日弱磁暴（事件B,Dst〉-50nT,AE指数平均值为320nT）期间同步轨道高能电子通量的演化过程．LANL和GOES-12卫星观测数据表明：恢复相期间,事件A和事件B中高能电子通量均上升约10倍;随着亚暴持续的发生,Cluster C4卫星均观测到同步轨道存在强烈的哨声波合声模（波强达到10^-5nT^2／Hz）,波幅主要依赖于亚暴AE指数,与Dst指数关联较弱．采用高斯波谱拟合,求解了控制波粒相互作用的Fokker-Planck扩散方程．模拟结果表明：两例事件中的合声模能有效加速1MeV左右的高能电子,且在高投掷角区域加速作用更加明显;加速时间尺度和幅度与观测数据基本吻合．本文研究为合声模加速辐射带高能电子过程提供了新的观测支持．     

Correlation between the Earth’s outer radiation belt dynamics and solar wind parameters at the solar minimum according to EMP instrument data onboard the CORONAS-Photon satellite

The study of variations in the electron flux in the outer Earth radiation belt (ERB) and their correlations with solar processes is one of the important problems in the experiment with the Electron-M-Peska instrument onboard the CORONAS-Photon solar observatory. Data on relativistic and subrelativistic electron fluxes obtained by the Electron-M-Peska in 2009 have been used to study the outer ERB dynamics at the solar minimum. Increases in outer ERB relativistic electron fluxes, observed at an height of 550 km after weak magnetic disturbances induced by high-velocity solar wind arriving to the Earth, have been analyzed. The geomagnetic disturbances induced by the high-velocity solar wind and that resulted in electron flux variations were insignificant: there were no considerable storms and substorms during that period; however, several polar ground-based stations observed an increase in wave activity. An assumption has been made that the wave activity caused the variations in relativistic electron fluxes.     

Local particle traps in the high latitude magnetosphere and the acceleration of relativistic electrons

Variations of electron fluxes with energies 300–600 keV in the region of quasitrapping are analyzed using data of the low orbiting Coronas-F satellite. Enhancements in the electron fluxes with energies above 300 keV are observed at the polar boundary of the outer radiation belt. Meteor-3M satellite data, OVATION and AP models of the position of the auroral oval are used to determine the position of analyzed increases in the energetic electrons with respect to the position of the auroral oval. There is a significant number of events when these increases were observed at a few consequent orbits crossing the outer radiation belt boundary. Studied increases in relativistic electron fluxes are localized at the latitudes of the auroral oval. Different mechanisms of formation of observed enhancements are discussed. The possibility of the appearance of increases due to formation of local particle traps is analyzed using Tsyganenko geomagnetic field models. The role of the formation of local particle traps at the boundary of the outer radiation belt and its possible influence to the formation of the outer radiation belt is discussed.     

MHD/particle simulations of radiation belt dynamics

Particle fluxes in the outer radiation belts can show substantial variation in time, over scales ranging from a few minutes, such as during the sudden commencement phase of geomagnetic storms, to the years-long variations associated with the progression of the solar cycle. As the energetic particles comprising these belts can pose a hazard to human activity in space, considerable effort has gone into understanding both the source of these particles and the physics governing their dynamical behavior. Computationally tracking individual test particles in a model magnetosphere represents a very direct, physically-based approach to modeling storm-time radiation belt dynamics. Using global magnetohydrodynamic models of the Earth–Sun system coupled with test particle simulations of the radiation belts, we show through two examples that such simulations are capable of capturing the outer zone radiation belt configuration at a variety of time scales and through all phases of a geomagnetic storm. Such simulations provide a physically-based method of investigating the dynamics of the outer radiation zone, and hold promise as a viable method of providing global nowcasts of the radiation environment during geomagnetically active periods.     

Effects of energy and pitch angle mixed diffusion on radiation belt electrons

Understanding the dynamics of the Earth’s radiation belts is important for modeling and forecasting the intensities of energetic electrons in space. Wave diffusion processes are known to be responsible for loss and acceleration of electrons in the radiation belts. Several recent studies indicate pitch angle and energy mixed-diffusion are also important when considering the total diffusive effects. In this study, a two-dimensional Fokker Planck equation is solved numerically using the Alternating Direction Implicit method. Mixed diffusion due to whistler-mode chorus waves tends to slow down the total diffusion in the energy-pitch angle space, particularly at smaller equatorial pitch angles. We then incorporate the electron energy and pitch angle mixed diffusions due to whistler-model chorus waves into the 4-dimensional Radiation Belt Environment (RBE) model and study the effect of mixed diffusion during a storm in October 2002. The 4-D simulation results show that energy and pitch angle mixed diffusion decrease the electron fluxes in the outer belt while electron fluxes in the slot region are enhanced (up to a factor of 2) during storm time.     

地磁场结构对静止轨道≥2 MeV高能电子分布的影响

基于AE8电子辐射带模式和各地磁场模式,本文系统分析了地磁场模式、太阳风、地磁扰动、地磁轴指向对静止轨道≥2 MeV高能电子分布的影响以及静止轨道不同经度位置≥2 MeV高能电子分布的差异,并与GOES系列卫星实测结果进行了对比分析.结果表明,AE8+IGRF+T96模式所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布结果优于AE8+IGRF+OPQ77模式或AE8+IGRF+T89模式结果,其大部分定性结果与GOES系列卫星观测结果较为一致,AE8+IGRF+T96模式所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布与磁壳参量Lm、局地磁场B分别呈较好的负和正相关性.基于AE8+IGRF+T96模式得到在相同太阳风及地磁扰动条件下2010年每分钟静止轨道≥2 MeV高能电子通量分布结果,经分析得到：1年内每个时刻静止轨道上≥2 MeV高能电子通量最大值和最小值比值变化范围为2.50~7.51,变化主周期为1天,每天比值变化量都超过3;1年内静止轨道各经度位置每天内≥2 MeV高能电子通量最大值和最小值比值变化范围为2.98~6.00,比值随着时间和经度位置而变化;1年内同一天静止轨道各经度位置≥2 MeV高能电子日积分通量最大值出现在170°W附近,最小值出现在70°W附近,最大值与最小值的比值分布在1.86~2.13之间.以上所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布变化主要来自Lm变化,B/B₀的影响小于5%,其中B₀为磁力线上磁场最小值.因此,在构建≥2 MeV高能电子分布模式时,需要考虑地磁场结构的影响,特别是Lm参数.