基于Fortran语言的地球外辐射带电子三维数据同化建模

开发地球电子辐射带的数据同化模型, 对于理解辐射带电子的动态演化过程和辐射带空间天气预报具有重要意义.结合范阿伦卫星的辐射带电子观测数据和外辐射带三维扩散模型, 采用卡尔曼滤波算法, 本文开发了基于Fortran语言的外辐射带电子三维数据同化模型(Three-dimensional Data Assimilative Model of Outer Radiation belt Electrons, 简称TDAMORE), 实现对L^*=3~7、能量范围为0.1~5 MeV、投掷角范围为5°~90°的外辐射带电子时空变化过程的三维重构.通过对2018年8月期间外辐射带电子通量演化过程的重构, 证实TDAMORE模型可以较好地重现不同能量和不同投掷角电子通量在磁暴前后的演化特征.通过分析电子通量的观测和同化结果之间的相关系数、平均误差、平均绝对误差和均方误差, 发现对于能量低于4 MeV的电子, 观测与同化结果之间的相关系数基本大于0.8且误差相对较低.而对于更高能量的电子, 观测与同化结果之间的误差相对较高, 这可能是同化模型忽略了电磁离子回旋波对电子的散射损失导致的.

     

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.

     

外辐射带区域新建地磁场经验模型的定量研究

准确的磁场模型对于辐射带粒子环境研究至关重要.本文利用美国Van Allen Probes（VAP）在2012至2018年期间测量的磁场数据和GOES15在2011至2017年期间测量的磁场数据,定量地评估了三个较新的外磁场经验模型（TS05、TA15和TA16）对外辐射带区域（3~6.6R_E）磁场的描述性能.本文选择预测效率（Prediction Efficiency,PE）作为评估指标,定量分析各模型在不同空间范围（Lm值）、不同地磁活动水平（Kp）以及不同磁地方时（MLT）下的性能表现,并且计算了观测磁场与模型磁场的夹角θ,以评估模型的磁场方向预测能力.结果表明：PE随Lm值增大,随地磁扰动增强而下降;θ随Lm值增大,随地磁扰动增强而增大.在Lm=5~6.5R_E范围内,PE呈现晨昏不对称性,MLT=12-21时的PE值小于MLT=0-9时的值,说明三个磁场模型可以较好地描述晨侧磁场的强度,但它们并不能很好地反映下午至昏侧磁场的大小;在地球同步轨道附近（Lm~6.6R_E）,PE呈现昼夜不对称性,MLT=9-15时的PE值大于其他时区的值,说明三个磁场模型可以很好地反映昼侧磁场大小,但在夜侧可能存在较大的误差.θ在MLT=6-12时的值小于其他时区的值,呈现昼夜不对称性,说明三个磁场模型可以较好地描述昼侧磁力线的分布位型,但在夜侧存在较大的方向描述误差.在外辐射带3~6.5R_E内,TA16模型与VAP磁场观测数据最为接近,PE均大于0.7,θ均小于3°;在地球同步轨道高度（6.6R_E）,TS05模型与GOES15卫星磁场观测数据最为接近,PE约为0.75,θ约为7°.相关的研究结果可以为我国星载高能粒子探测器探测数据的在轨交叉定标、辐射带高能粒子动态模型研究和相关的磁层环境理论/应用研究提供地磁场模型选择方面的参考.

     

外辐射带区域新建地磁场经验模型的定量研究

准确的磁场模型对于辐射带粒子环境研究至关重要.本文利用美国Van Allen Probes（VAP）在2012至2018年期间测量的磁场数据和GOES15在2011至2017年期间测量的磁场数据,定量地评估了三个较新的外磁场经验模型（TS05、TA15和TA16）对外辐射带区域（3~6.6R_E）磁场的描述性能.本文选择预测效率（Prediction Efficiency,PE）作为评估指标,定量分析各模型在不同空间范围（Lm值）、不同地磁活动水平（Kp）以及不同磁地方时（MLT）下的性能表现,并且计算了观测磁场与模型磁场的夹角θ,以评估模型的磁场方向预测能力.结果表明：PE随Lm值增大,随地磁扰动增强而下降;θ随Lm值增大,随地磁扰动增强而增大.在Lm=5~6.5R_E范围内,PE呈现晨昏不对称性,MLT=12-21时的PE值小于MLT=0-9时的值,说明三个磁场模型可以较好地描述晨侧磁场的强度,但它们并不能很好地反映下午至昏侧磁场的大小;在地球同步轨道附近（Lm~6.6R_E）,PE呈现昼夜不对称性,MLT=9-15时的PE值大于其他时区的值,说明三个磁场模型可以很好地反映昼侧磁场大小,但在夜侧可能存在较大的误差.θ在MLT=6-12时的值小于其他时区的值,呈现昼夜不对称性,说明三个磁场模型可以较好地描述昼侧磁力线的分布位型,但在夜侧存在较大的方向描述误差.在外辐射带3~6.5R_E内,TA16模型与VAP磁场观测数据最为接近,PE均大于0.7,θ均小于3°;在地球同步轨道高度（6.6R_E）,TS05模型与GOES15卫星磁场观测数据最为接近,PE约为0.75,θ约为7°.相关的研究结果可以为我国星载高能粒子探测器探测数据的在轨交叉定标、辐射带高能粒子动态模型研究和相关的磁层环境理论/应用研究提供地磁场模型选择方面的参考.     

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)、中等(3≤Kp≤6)及强烈(6)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)空间的全球分布模型.结果表明,在2的磁层区域,高能电子通量分布在不同的地磁活动指数Kp条件下差别明显;在12~18 MLT时段内高能电子的通量明显增大.     

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.     

等离子体层嘶声散射辐射带电子的损失时间尺度建模研究

等离子体层嘶声(Plasmaspheric hiss)是地球辐射带中的一种常见哨声模波动,主要存在于等离子体层中.嘶声波可以通过回旋共振散射辐射带电子,在辐射带槽区的形成过程和反转能谱的演化过程中具有重要作用.因此,在辐射带动态建模中需要考虑嘶声波的作用,常用的方法是在辐射带电子扩散方程中加入嘶声波导致的损失项,用损失时间尺度(loss timescale)代表电子损失的快慢.本文基于等离子体层嘶声对辐射带电子的投掷角散射系数模型计算了嘶声波导致辐射带电子损失的时间尺度.建立了包含L(范围为3~6)、冷等离子体参数α^*(范围为3~30)以及电子能量(范围为1 keV~10 MeV)的电子损失时间尺度参数化模型.基于该模型,可以快速计算电子在嘶声波散射效应下的损失时间尺度.通过与卫星实际观测的电子损失时间尺度对比,验证了本文建立的嘶声波损失时间尺度模型的合理性,可为实现辐射带的快速建模提供有利支持.

     

地球外核的电荷密度

为计算地球磁极处的磁感应强度,建立地球的磁场是由带电的地球外核的旋转产生的模型.先根据毕奥-萨伐尔定律计算球形模型绕自转轴旋转时在自转轴直径上产生的磁感应强度;再利用已知的地球外核的内外半径及地球半径和磁极处的磁感应强度值,计算出地球外核的电荷体密度及面密度.结果表明:若外核的电荷呈均匀的体密度分布,则其电荷体密度为3.5507 C/m³;若外核的电荷均匀分布在外核的外表面,则其面密度为2.4581×10⁶ C/m².通过地球表面的磁感应强度信息利用物理规律和地球物理数据推测地球内部难以直接进行探测的相关信息,具有实际意义.根据地震学方法对地球外核厚度、转向等变化的最新研究数据按该文模型可推测地球磁场强度、极性等的变化.而地球磁场的变化对地球上的人类生活颇有影响.     

磁暴主相期间外辐射带结构的变化

本文利用相对論带电粒子的两个寝渐不变量,討論了磁暴主相期間外輻射带中心結构的变化。作者认为磁暴主相是由“磁暴带”环电流所产生。“磁暴带”假設位于外輻射带中心之外,它是太阳等离子体穿入磁层后形成的。本文对初始能量W=20Kev和W=1Mev的电子分別进行了計算。 結果表明,在磁暴主相期間电子向外漂移,其赤道投擲角減小,但镜点离地面距离增高。因此,主相时所观測到的极光,并不是由于地磁場的平緩下降使小投擲角电子注入大气层而形成的。此外,計数率降低的主要原因是由于力管截面膨胀造成的粒子密度減小以及电子減速,而电子減速与投擲角有关,由此决定了电子通量沿磁力线分布的变化。以上結果与探险者6号（Explorer Ⅵ）的观測一致。     

磁暴主相期间外辐射带结构的变化

本文利用相对論带电粒子的两个寝渐不变量,討論了磁暴主相期間外輻射带中心結构的变化。作者认为磁暴主相是由“磁暴带”环电流所产生。“磁暴带”假設位于外輻射带中心之外,它是太阳等离子体穿入磁层后形成的。本文对初始能量W=20Kev和W=1Mev的电子分別进行了計算。 結果表明,在磁暴主相期間电子向外漂移,其赤道投擲角減小,但镜点离地面距离增高。因此,主相时所观測到的极光,并不是由于地磁場的平緩下降使小投擲角电子注入大气层而形成的。此外,計数率降低的主要原因是由于力管截面膨胀造成的粒子密度減小以及电子減速,而电子減速与投擲角有关,由此决定了电子通量沿磁力线分布的变化。以上結果与探险者6号（Explorer Ⅵ）的观測一致。