高能天文中成像和解谱的直接方法

本文提出了用迭代计算直接解成像方程以复原图像的方法.同一方法可应用于一维谱形复原.迭代中应用合理的约束条件对过程进行非线性控制.用拟合技术处理成像方程抑制噪声和提高分析灵敏度.对蒙特卡罗样本和空间高能天文实测数据的分析都显示出直接方法比传统的成像法灵敏度高、分辨能力好,可以同时显示对象的弥散和分立结构,能用于统计性更差的观测数据.直接方法原则上可以应用于其它领域各种类型的图像和谱形复原工作.     

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.2011-2015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.

     

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.     

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.     

太阳高能粒子(SEP)传播数值模拟中的太阳风背景场研究

太阳高能粒子(SEP)事件是一类重要的空间天气灾害性事件,如能准确预报SEP事件,人们便可以采取必要的防护措施,保障卫星、星载设备以及航天员的安全,尽可能地降低经济损失.因此,其数值预报研究在空间天气预报研究中占有很重要的地位.SEP事件中的高能粒子在不同的时间尺度内被耀斑过程或者CME驱动的激波加速,并且在被扰动后的行星际太阳风中传输,这些过程都紧紧依赖于太阳风背景场.因此获取更加接近物理真实的太阳风背景场是模拟SEP事件的重要部分,也是提高SEP物理模式的关键因素之一.我们目前的工作基于张明等发展的SEP在行星际空间传播的模型,尝试将Parker太阳风速度解及WIND飞船观测的磁场实时数据融入模型中,研究不同的太阳风速度以及真实磁场分布对SEP在行星际空间中传播的影响.通过求解聚焦传输方程,我们的模拟结果表明:(1)快太阳风条件下,绝热冷却效应项发挥了更大的作用,使粒子能量衰减的更快,而慢太阳风对粒子的通量变化没有显著影响;(2)加入观测的磁场数据时,粒子的全向通量剖面发生了比较明显的变化,具体表现在:通量峰值推迟到达、出现多峰结构、各向异性也发生一些改变.分析表明真实磁场的极性对粒子在行星际空间中传播有着重要的影响.     

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．     

2003年11月20日磁暴主相期间磁鞘的观测研究

2003年11月20日磁暴主相期间,Cluster卫星正好处在黄昏侧的磁鞘附近.在主相期间磁鞘磁场Bz分量大约为-60 nT,这和ACE卫星观测值基本一致.同时,磁鞘中的离子速度分布对磁鞘中的磁场方向有很强的依赖性.行星际电场Ey在磁鞘中大约是50 mV/m.磁鞘中这些极端的磁场,电场和离子的流动驱动了迄今23个太阳活动周期中最大的磁暴,其Dst指数是-472 nT.Cluster卫星观测发现磁鞘中离子的数密度比较低,这可能是由磁云经过地球时太阳风的低密度造成的.磁鞘中能量范围为1～10 keV的H+,He+和He2+的数密度主要是由磁鞘中太阳风的数密度决定的.同时,对磁鞘中存在大量的1～10 keV氧离子进行了讨论.在极端的南向行星际磁场条件下,磁层顶受到很强的压缩.氧离子可以利用较大的回旋半径,在强压缩的磁层顶和磁鞘对流的共同影响下进入磁鞘.这也表明了磁层对极端行星际条件的一种响应.Cluster卫星在11月20日磁暴事件中的观测研究,对进一步全面认识大磁暴事件有很重要的作用.     

亚暴事件中磁尾多重等离子体团的数值研究(Ⅱ)

以宁静磁尾平衡解为初态,本文考虑介质的可压缩性,对GEOTAIL卫星于亚暴事件中,观测到多重等离子体团与高能离子爆相对应之特征作模拟研究．数值结果表明：重复形成的等离子体团是高温、高密度区,揭示了等离子体团与高能离子爆──对应的动力学原因．本文的模拟结果还表明：大尺度等离子体团的地向运动,与X中性点的尾向迁移及地向流动增强相对应,而上述现象与驱动入流沿着边界的分布形态（即电场E的分布）有关．     

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.     

富3He SEP事件中电子经向分布及其日面传播研究

根据ACE/ULEIS卫星数据,确定了2007-05—2010-01太阳活动极小期内的3个独立富³He太阳高能粒子(SEP)事件,并结合STEREO双星对相同事件的观测数据,研究了事件中电子的经向分布特征.结果表明:由耀斑引起的3个独立SEP事件,电子的经向分布宽度可达到130°.计算表明,携带电子传播的日面波传播速度差异显著,电子的此类经向分布很可能是由于其在日面横向扩散所致.当观测点磁力线足点位于耀斑源区东侧时,电子的日面扩散速度更快.