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.     

伴随等离子体密度下降的磁声波与辐射带电子的波粒相互作用及其散射效应

利用范阿伦卫星的高质量观测数据,我们报道了伴随等离子体密度下降的磁声波现象.通过选取分别发生于2013年7月26日(事件A)和2013年9月19日(事件B)的两个相应事件进行细致分析,我们开展试验粒子模拟计算了磁声波对辐射带电子的散射系数,并求解二维福克-普朗克扩散方程量化了磁声波散射导致的辐射带电子动态变化.结果表明,事件A中的磁声波的散射作用主要发生于投掷角范围为60°～80°、能量范围为20～200keV的辐射带电子,而事件B中的磁声波的散射作用主要发生于投掷角范围为50°～80°、能量范围为20～400keV的辐射带电子;两个事件中的磁声波均能导致辐射带电子的蝴蝶状投掷角分布,但是由于事件B的磁声波幅度更强,形成的电子蝴蝶状分布更明显.     

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.

     

地球电子外辐射带的数据同化建模与分析

地球电子外辐射带对太阳与地磁活动呈现高度动态变化的响应,了解外辐射带的全球动态变化过程对于近地空间粒子辐射环境的理解认知和预测预报具有重要意义.基于卡尔曼滤波数据同化方法,本文利用范阿伦A星、B星和GOES-13和GOES-15四颗卫星的辐射带电子观测数据,分别利用三种不同维度的辐射带物理模型,将观测结果与数值结果有机融合,对2013年3月地球外辐射带电子通量的径向分布与变化进行数据同化分析.结果表明,考虑了磁层波动与辐射带电子共振作用引起的径向扩散、投掷角扩散以及能量扩散过程的三维同化模型可有效、合理地重现外辐射带电子通量的径向分布.本文进一步利用该三维同化模型对2013年一整年外辐射带电子的相空间密度分布进行重构与分析,得到了不同绝热不变量和不同地磁活动条件下电子辐射带的时空演化过程,从而为深入理解外辐射带电子的变化过程和动力学机制提供了强有力信息.通过分析同化过程中的新息矢量以及度量同化过程中观测数据在多大程度上修改了物理模型结果,还有助于定量分析现有辐射带物理模型中的源项和损失项的相对贡献以及可能忽略的物理机制或过程.     

H+频段EMIC波对辐射带相对论电子的投掷角扩散系数的多维建模

电磁离子回旋波(Electromagnetic ion cyclotron waves,简称EMIC波)在地球辐射带电子动力学过程中扮演着非常重要的角色.通过波粒相互作用,EMIC波能有效地散射相对论电子,造成辐射带相对论电子快速沉降损失从而影响相对论电子通量演化.因此在地球辐射带动力学建模中,快速准确地获取EMIC波对相对论电子的散射效应信息非常必要.利用基于准线性理论的Full Diffusion Code (FDC),本文主要研究了辐射带H⁺频段EMIC波对相对论电子的散射效应,并定量计算了EMIC波对相对论电子的弹跳平均投掷角扩散系数.为了方便快速地进行辐射带多维度建模,我们建立了L=1.5~7,α^*=3~30范围内的扩散系数矩阵库.文中展示了L分别为3、4和5时α^*为3~30时H⁺频段EMIC波三种不同传播角模型的弹跳平均投掷角扩散系数,其随不同输入参数的变化特征与前人结果基本一致.基于所建立的弹跳平均投掷角扩散系数矩阵库,我们使用线性插值方法计算得到了L为3.25、4.35、5.55时在等离子体层顶内外的弹跳平均投掷角扩散系数.通过计算比较FDC和线性插值两种方法得到的扩散系数的相对误差,我们进一步验证了线性插值方法对于快速获取扩散系数的可行性和准确性.我们的结果表明,扩散系数的多维矩阵构建和线性插值获取能有效提高辐射带动力学建模的效率,对地球辐射带动理学快速建模和空间天气预报有着重要意义.

     

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.

     

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...     

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.     

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...     

POLAR spacecraft observations of helium ion angular anisotropy in the Earth’s radiation belts

New observations of energetic helium ion fluxes in the Earth’s radiation belts have been obtained with the CAMMICE/HIT instrument on the ISTP/GGS POLAR spacecraft during the extended geomagnetically low activity period April through October 1996. POLAR executes a high inclination trajectory that crosses over both polar cap regions and passes over the geomagnetic equator in the heart of the radiation belts. The latter attribute makes possible direct observations of nearly the full equatorial helium ion pitch angle distributions in the heart of the Earth’s radiation belt region. Additionally, the spacecraft often re-encounters the same geomagnetic flux tube at a substantially off-equatorial location within a few tens of minutes prior to or after the equatorial crossing. This makes both the equatorial pitch angle distribution and an expanded view of the local off-equatorial pitch angle distribution observable. The orbit of POLAR also permitted observations to be made in conjugate magnetic local time sectors over the course of the same day, and this afforded direct comparison of observations on diametrically opposite locations in the Earth’s radiation belt region at closely spaced times. Results from four helium ion data channels covering ion kinetic energies from 520 to 8200 KeV show that the distributions display trapped particle characteristics with angular flux peaks for equatorially mirroring particles as one might reasonably expect. However, the helium ion pitch angle distributions generally flattened out for equatorial pitch angles below about 45°. Significant and systematic helium ion anisotropy difference at conjugate magnetic local time were also observed, and we report quiet time azimuthal variations of the anisotropy index.     

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.     

Eigenmode analysis of pitch-angle diffusion of energetic electrons in the outer zone

We demonstrate a new method of analyzing observed storm-time pitch-angle distributions to obtain information regarding the appropriate choice of the pitch-angle diffusion coefficients. We apply this method to MeV electrons in the outer zone as a diagnostic of the relative contribution of electromagnetic ion-cyclotron (EMIC) waves and whistler-mode hiss and chorus. We assume EMIC and hiss are confined to a plasmaspheric plume (hence, “plume waves”), with chorus prevalent over large portions of the day and night side. First, we determine the eigenmodes and eigenvalues of the pitch-angle diffusion operator predicted by quasilinear diffusion theory and approximate chorus, hiss, or EMIC plasma wave parameters for energetic electrons in the outer zone. Then, by projecting pitch-angle distributions observed by CRRES into the eigenmodes, we determine whether the pitch-angle distributions are consistent with the assumed diffusion process for various relative weighting of chorus and plume waves. Eigenmodes with shorter decay times (i.e., larger negative eigenvalues) ought to represent a comparatively smaller portion of the total flux in the pitch-angle distribution. We show that several observed pitch-angle distributions are consistent with predominantly chorus-driven pitch-angle diffusion, with at most a minor contribution from plume waves.     

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)...