暴时内辐射带高能质子的损失和恢复机制探究

我们利用NOAA17卫星对内辐射带高能质子的观测结果研究了大磁暴期间内辐射带质子通量的变化过程.我们发现内辐射带质子出现两种不同的暴时损失事件.在大磁暴发生时,内辐射带外边界质子通量会迅速减小,然后缓慢恢复;而在内辐射带中心区的质子通量(即南大西洋异常区(SAA)质子通量最大值)的暴时变化表现为质子通量的一个迅速的减小和迅速恢复.内辐射带外边界的损失事件主要发生在较低能量质子能档,而内辐射带中心处的损失事件发生在所有质子能档.两种损失事件中质子通量的不同变化意味着内辐射带质子可能有不同的损失和产生机制.通过分析,我们认为内辐射带外边界处质子通量损失事件主要由磁场曲率散射机制造成,而其恢复机制主要是宇宙线反照中子衰变(CRAND).内辐射带中心区(即南大西洋异常区质子通量最大处)质子通量损失事件可能与Dst效应有关.     

内辐射带高能质子对磁暴响应的统计研究

范艾伦卫星-A观测表明内辐射带高能质子通量在磁暴主相期间显著下降,在恢复相时与地磁SYM-H指数同步恢复.磁暴期间内辐射带高能质子通量变化对磁场变化的响应是绝热的吗?基于刘维尔定理和第一和第三绝热不变量守恒,定量地评估了高能质子在内辐射带中的完全绝热效应.两个事件研究表明,理论计算的绝热效应导致的高能质子通量变化与范艾伦卫星观测结果吻合良好.本文进而对2013—2016年期间发生的67次磁暴事件进行了统计研究.结果发现磁暴主相和恢复相期间,内辐射带高能质子通量变化的90%贡献是完全绝热效应.相空间密度的调查结果也支持这一结论.最后通过对比研究磁暴前后高能质子通量的变化,我们发现大部分磁暴(56/67)期间,绝热效应能解释内辐射带高能质子通量的变化;另外11次磁暴事件中非绝热效应可能起着重要作用.     

太阳质子事件、双带耀斑及日冕物质抛射

本文统计了第２２ 太阳活动周期间（１９９１ ～１９９５ 年） 发生的２５ 个太阳质子事件与太阳耀斑及日冕物质抛射（ＣＭＥ） 事件的关系　　统计结果表明, 所有的太阳质子事件都与耀斑发生相关, 除２ 个质子事件（１９９４１０２０ 和１９９５１０２０ 日发生的太阳质子事件） 与ＣＭＥ发生无关, 其余质子事件也都与ＣＭＥ 相关　　值得注意的是, 与质子事件相关的耀斑有１６ 个是双带耀斑, 其中包括与ＣＭＥ无关的２ 个事件的耀斑, 占总数的６４ ％ 　　上述统计结果证实了无论是太阳耀斑, 还是物质抛射, 它们对太阳质子事件的发生同样起着非常重要的作用     

2001年4月2日太阳耀斑及其太阳质子事件的观测结果研究

2001年4月2日, 太阳爆发了一个近年来X射线通量最大的一次耀斑并伴有质子事件, 利用“资源一号”卫星星内粒子探测器和神舟二号飞船X射线探测器的观测资料, 对这一事件的高能粒子响应进行了特例研究. “资源一号”卫星运行于太阳同步轨道, 高度约800km, 和宁静时期的统计结果对比, 这次耀斑后, 星内粒子探测器在地球极盖区（地球开磁场区）观测到耀斑粒子的出现, 这是宁静时期没有的; 神舟二号飞船轨道高度400km, 倾角为42°, X射线探测器在42°中高纬地区也观测到高能电子通量比宁静时明显的增加, 这表明, 太阳耀斑引起的近地空间辐射环境的变化遍及纬度约40°以上的区域, 甚至在40°N附近400 km左右的高度上仍然有响应. 但是, 中高纬度、极光带和极盖区的粒子来源, 加速机制和响应方式却不一定相同, 需要分别讨论. 资料分析和对比还表明, 质子事件的强度并不一定和耀斑的X射线通量成正比, 因此, 近地空间高能粒子对耀斑的响应也不是完全决定于X射线强度.     

南大西洋异常区内辐射带高能质子辐射环境长期

完善和发展了绝热带电粒子漂移壳追踪方法(DSTM), 应用该方法进一步研究了内辐射带低高度高能质子辐射环境的长期变化, 并与卫星观测做了比较. 研究表明, 在过去的30年里SAA区1000 km高度, 高能质子通量显著增强, SAA区质子通量的中心区域显著西移和扩大, 理论预测结果与卫星的观测事实相符合. 高能质子寿命的计算结果证明了 DSTM是估算内辐射带高能质辐射环境长期变化的合理方法.     

南大西洋异常区内辐射带高能质子辐射环境长期变化的研究

完善和发展了绝热带电粒子漂移壳追踪方法(DSTM),应用该方法进一步研究了内辐射带低高度高能质子辐射环境的长期变化,并与卫星观测做了比较.研究表明,在过去的30年里SAA区1000 km高度,高能质子通量显著增强,SAA区质子通量的中心区域显著西移和扩大,理论预测结果与卫星的观测事实相符合.高能质子寿命的计算结果证明了DSTM是估算内辐射带高能质辐射环境长期变化的合理方法.     

太阳活动区磁场与CMEs和太阳质子事件

文中选了５ 个典型活动区, 分析了这些活动区的磁场, 与活动区相应的ＣＭＥｓ, 太阳爆发事件和太阳质子事件我们发现, 对于Ｅ ≥１０ｍｅＶ 的太阳质子事件有相应的源活动区, 源耀斑和ＣＭＥ; 活动区矢量磁场有剪切, 磁场剪切越强质子事件越强; 多数在质子耀斑发生前出现磁流浮现; 太阳１０ｃｍ 射电爆发持续时间长文中结果还佐证了Ｓｈｅａｌｙ 等的结果： Ｘ 射线耀斑的长持续时间与ＣＭＥ 的发生正相关另外,在５ 个活动区中, 有三个大耀斑发生前没有明显的磁剪切作为它们的先兆, 它们是非质子源耀斑这是Ｍｏｏｒｅ, Ｈａｇｙａｒｄ 和Ｄａｖｉｓ 的磁场强剪切是耀斑产生的必要条件的反例     

2000年7月14日太阳高能粒子事件引起地球同步轨道区相对论电子通量巨幅增加

2000年7月14日10:24UT一个X5.6级的耀斑暴发生在太阳中心子午线附近(AR 9077), 同时伴随着一个朝向地球的CME事件及太阳高能粒子(Solar Energetic Particle, SEP)事件. 这次耀斑暴发及CME事件引起了地球磁层、电离层及高层大气的强烈扰动. 中国“风云二号(B)”卫星上的高能粒子探测器(EPD)观测到SEP事件期间, 同步轨道区高能质子、相对论电子有非常剧烈的增加. SEP期间, 高能质子对相对论电子通量的探测造成严重的污染. 结合“风云二号(B)”卫星上的高能粒子探测器(EPD)的特性, 建立了一种从相对论电子通量探测中“清除”高能质子“污染”的方法, 并对相对论电子通量的探测数据实施“清洁”处理. “纯净的”相对论电子通量探测结果显示, 当行星际磁场南向时, 上游太阳风中的高能电子使同步轨道区相对论电子通量有大幅度的增加.     

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...     

天和核心舱高能质子南大西洋异常区方向分布差异分析

地球辐射带南大西洋异常区是空间站轨道运行过程中遭遇的最重要的粒子辐射区域，这一区域集中了大量具有强穿透性的高能质子，会显著影响空间站舱内器件的正常工作，危害航天员的健康和安全.2021年4月29日中国空间站“天和核心舱”成功发射，核心舱配置了空间环境监测载荷，可实时获取沿轨高能质子通量监测数据.伴随核心舱姿态变化探测器可监测来自不同入射方向的高能质子，为初步开展异常区高能质子方向分布提供了可能.本文利用核心舱空间环境监测载荷的高能质子方向观测数据，通过重构不同入射方向条件下高能质子SAA(South Atlantic Abnormal)区分布，研究分析不同能量高能质子SAA区方向分布位置边界和方向峰值强度，给出高能质子异常区方向分布的初步结果，弥补利用辐射带模型仅能得到全向辐射结果的不足，为高效规避和应对辐射危害，保障航天器和航天员的安全提供重要参考.     

典型的太阳质子事件峰值流量的一种预报方法

分析了1988~2006年中62个典型的太阳质子事件,发现其归一化后峰值流量变化具有很好的统计规律,根据该规律提出了一种对太阳质子事件峰值流量进行预报的方法.试验预报结果表明,太阳质子事件峰值流量的预报值和实测值都在同一个量级以内,平均相对误差为32％,预报误差在可接受范围内.本文方法对于日常预报业务而言是实用和可行的.     

第23太阳活动周期太阳风参数及地磁指数的统计分析

日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,简称CME)和共转相互作用区(Corotating Interaction Region,简称CIR)是造成日地空间行星际扰动和地磁扰动的两个主要原因,提供了地球磁暴的主要驱动力,进而显著影响地球空间环境.为深入研究太阳风活动及受其主导影响的地磁活动的时间分布特征,本文对大量太阳风参数及地磁活动指数的数据进行了详细分析.首先,采用由NASA OMNIWeb提供的太阳风参数及地磁活动指数的公开数据,通过自主编写matlab程序对第23太阳活动周期(1996-01-01—2008-12-31)的数据包括行星际磁场Bz分量、太阳风速度、太阳风质子密度、太阳风动压等重要太阳风参数及Dst指数、AE指数、Kp指数等主要的地磁指数进行统计分析,建立了包括269个CME事件和456个CIR事件列表的数据库.采用事例分析法和时间序列叠加法分别对两类太阳活动的四个重要太阳风参数(IMF Bz、太阳风速度、太阳风质子密度、太阳风动压)和三个主要地磁指数(Dst、AE、Kp)进行统计分析,并研究了其统计特征.其次,根据Dst指数最小值确定了第23太阳活动周期内的355个孤立地磁暴事件,并以Dst指数最小值为标准将这些磁暴进一步分类为145个弱磁暴、123个中等磁暴、70个强磁暴、12个剧烈磁暴和5个巨大磁暴.最后,采用时间序列叠加法对不同强度磁暴的太阳风参数和地磁指数进行统计分析.统计分析表明,对于CME事件,Nsw/Pdyn(Nsw表示太阳风质子密度,Pdyn表示太阳风动压)线性拟合斜率一般为正;对于CIR事件,Nsw/Pdyn线性拟合斜率一般为负,这可作为辨别CME和CIR事件的一种有效方法.从平均意义上讲,相较于CIR事件,CME事件有更大的南向IMF Bz分量、太阳风动压Pdyn、AE指数、Kp指数以及更小的Dstmin.一般情况下,CME事件有更大的可能性驱动极强地磁暴.总体而言,对于不同强度的地磁暴,Dst指数的变化呈现出一定的相似性,但随着地磁暴强度的增强,Dst指数衰减的速度变快.CME和CIR事件以及其各自驱动的地磁暴事件有着很多不同,因此,需要将CME事件驱动的磁暴及CIR事件驱动的磁暴分开研究.建立CME、CIR事件及地磁暴的数据库以及获取的统计分析结果,将为深入研究地球磁层等离子体片、辐射带及环电流对太阳活动的响应特征提供有利的帮助.     

Signatures of interplanetary transients behind shocks and their associated near-surface solar activity

Interplanetary transients with particular signatures different from the normal solar wind have been observed behind interplanetary shocks and also without shocks. In this paper we have selected four well-known transient interplanetary signatures, namely: magnetic clouds, helium enhancements and bidirectional electron and ion fluxes, found in the solar wind behind shocks, and undertaken a correlative study between them and the corresponding solar observations. We found that although commonly different signatures appear in a single interplanetary transient event, they are not necessarily simultaneous, that is, they may belong to different plasma regions within the ejecta, which suggests that they may be generated by complex processes involving the ejection of plasma from different solar regions. We also found that more than 90% of these signatures correspond to cases when an H flare and the eruption of a filament occurred near solar central meridian between 1 and 4 days before the observation of the disturbance at 1 AU, the highest association being with flares taking place between 2 and 3 days before. The majority of the H flares were also accompanied by soft X-ray events. We also studied the longitudinal distribution of the associated solar events and found that between 80% and 90% of the interplanetary ejecta were associated with solar events within a longitudinal band of ±30° from the solar central meridian. An east-west asymmetry in the associated solar events seems to exist for some of the signatures. We also look for coronal holes adjacent to the site of the explosive event and find that they were present almost in every case.     

Recent developments in the radiation belt environment model

The fluxes of energetic particles in the radiation belts are found to be strongly controlled by the solar wind conditions. In order to understand and predict the radiation particle intensities, we have developed a physics-based Radiation Belt Environment (RBE) model that considers the influences from the solar wind, ring current and plasmasphere. Recently, an improved calculation of wave-particle interactions has been incorporated. In particular, the model now includes cross diffusion in energy and pitch-angle. We find that the exclusion of cross diffusion could cause significant overestimation of electron flux enhancement during storm recovery. The RBE model is also connected to MHD fields so that the response of the radiation belts to fast variations in the global magnetosphere can be studied. We are able to reproduce the rapid flux increase during a substorm dipolarization on 4 September 2008. The timing is much shorter than the time scale of wave associated acceleration.     

南向行星际磁场事件与磁暴关系的研究

利用172-182年IMP-8飞船的太阳风观测资料和相应地磁活动性指数Dst和AE,研究了43个南向行星际磁场事件期间太阳风和磁层的耦合问题. 与这43个事件对应的地磁暴是中等的和强的磁暴(Dst＜-50nT). 结果表明:(1) 在43个事件中有11个(约占25.6髎)紧随激波之后,18个处于激波下游流场中(占42髎),其余14个(占33髎)和激波没有关连. 绝大多数事件都伴有太阳风动压和总磁场强度的增加;(2) 当行星际晨昏向电场强度EI＞-4mV/m时,只引起磁亚暴,对Dst指数没有明显影响. 仅当EI＜-5mV/m时,磁亚暴和磁暴才会同时出现;(3) 太阳风动压的增加会增强能量向环电流的输入,但不是密度和速度单独起作用,而是以PK=ρV2的组合形式影响能量的输入;(4) 虽然行星际磁场(IMF)南向分量BZ对太阳风和磁层的耦合起着关键作用,但IMF的BX和BY分量相对于BZ的大小对太阳风向磁层的能量传输也有一定影响. 当BX、BY相对BZ较大时能量耦合加强.     

A decadal solar effect in the tropics in July–August

The availability of global gridded precipitation and outgoing long-wave radiation (OLR) data after 1978 makes possible an investigation of the influence of the decadal solar oscillation in the tropics during three solar maxima and two solar minima. The NCEP/NCAR reanalyses starting in the 1950s allows the inclusion of an additional two solar maxima and minima to look for consistency of response across a longer time period. In the northern summer (July–August), the major climatological tropical precipitation maxima are intensified in solar maxima compared to solar minima during the period 1979–2002. The regions of this enhanced climatological precipitation extend from the Indian monsoon to the West Pacific oceanic warm pool and farther eastwards in the Intertropical Convergence Zone of the North Pacific and North American Monsoon, to the tropical Atlantic and greater rainfall over the Sahel and central Africa. The differences between solar maxima and minima in the zonal mean temperature through the depth of the troposphere, OLR, tropospheric vertical motion, and tropopause temperature are consistent with the differences in the rainfall. The upward vertical motion is stronger in regions of enhanced tropical precipitation, tropospheric temperatures are higher, tropopause temperatures are lower, and the OLR is reduced due to higher, colder cloud tops over the areas of deeper convective rainfall in the solar maxima than in the minima. These differences between the extremes of the solar cycle suggest that an increase in solar forcing intensifies the Hadley and Walker circulations, with greater solar forcing resulting in strengthened regional climatological tropical precipitation regimes. These effects are as strong or even more pronounced when warm and cold extremes in the Southern Oscillation are removed from the analyses. Additionally, lower stratospheric temperatures and geopotential heights are higher with greater solar forcing suggesting ozone interactions with solar forcing in the upper stratosphere.     

行星际扰动和地磁活动对GEO相对论电子影响

利用1988—2010年小时平均的GOES卫星数据,对地球同步轨道(GEO)相对论电子变化进行了统计分析,研究了相对论电子通量(Fe)增强事件的发展过程,探讨了利于相对论电子通量增强的太阳风和地磁活动条件.主要结论如下:(1)GEO相对论电子通量即使是峰值,也具有明显的地方时特性,最大电子通量出现在磁正午时.午/夜电子通量比率随着太阳风速度(Vsw)增加而增大;在Dst-50nT时相对论电子具有规则的地方时变化.在太阳活动下降相,电子通量与各参数的相关性较好,与其相关性最好的Vsw、Kp指数以及三次根号下的太阳风密度(N)分别出现在电子通量前39~57h、57~80h和12~24h.(2)强(日平均电子通量峰值Femax≥104 pfu)相对论电子事件,在距离太阳活动谷年前两年左右和春秋分期间发生率最高,较弱(104Femax≥103 pfu)事件无此特点;大部分强相对论电子事件中,电子通量在磁暴主相开始增加,较弱事件中则在恢复相开始回升.(3)太阳风密度变化对相对论电子事件的发展具有重要指示作用.电子通量在太阳风密度极大值后0~1天达到极小值,太阳风密度极小值后0~2天达到极大值.(4)90%以上相对论电子事件是在磁暴及高速太阳风的条件下发生的,与其伴随的行星际参数和地磁活动指数极值满足以下条件:Vswmax516km/s,Dstmin-31nT,Nmin2.8cm-3,Nmax14.1cm-3,Bzmin-2.9nT,AEmax698nT.(5)磁暴过程中,Dstmin后日平均电子通量大于103 pfu的发生概率为53%左右,强/弱相对论电子事件占总数比例分别为36%/64%左右,磁暴强度对其无影响.磁暴过程中的Vsw、N和AE指数大小对于能否引起相对论电子增强起着指示作用.     

Relation between sudden increases in the solar wind dynamic pressure,auroral proton flashes,and geomagnetic pulsations in the Pc1 range

The interrelation between sudden increases in the solar wind dynamic pressure, auroral proton flashes on the dayside equatorward of the oval, and geomagnetic pulsations in the Pc1 range is considered on the basis of simultaneous observations of the solar wind plasma parameters, proton auroras on the IMAGE satellite, and geomagnetic pulsations at the Lovozero Observatory. It is indicated that proton luminosity flashes were observed in 70% of cases equatorward of the auroral oval during sudden changes in the solar wind pressure. In this case, flashes of proton auroras were observed in 85% of cases during sudden changes in the pressure, which were related to interplanetary shocks. Increases in pressure during tangential discontinuities were accompanied by flashes of proton auroras only in 45% of cases. When the ground station was conjugate to the region occupied by a proton aurora flash, the appearance or intensification of existent pulsations in the Pc1 range was observed in 96% of cases. When the ground station was not conjugate to the region of a proton luminosity flash, the response in geomagnetic pulsations was observed in 32% of events. When a sudden change in the solar wind pressure was not accompanied by a proton luminosity flash, the response in pulsations in the Pc1 range was hardly observed.