基于Van Allen Probes近三年的EMFISIS仪器波动观测数据,对内磁层下频带哨声模合声波幅度的全球分布特性对地磁活动水平的依赖性进行了详细的统计分析,着重研究下频带合声波平均场强幅度随磁壳值L、磁地方时、地磁纬度的分布特征及不同强度区间的合声波的发生概率.结果表明,下频带合声波的波动强度与地磁活动密切正相关,处于强磁扰期间的合声波具有更大的振幅,其发生率与地磁活动强度具有同样的正相关特性.下频带合声波主要发生于午夜至下午的磁地方时区间,其余的磁地方时时段下频带合声波较弱.赤道面附近的下频带合声波主要分布在夜侧至黎明这一时段内,随着磁纬度的增加逐步向日侧扩展.下频带合声波在午夜侧（21-03 MLT）主要出现在15°的磁纬范围内,在晨侧（03-09 MLT）可以到达15°磁纬甚至更高纬度.下频带合声波主要发生于L=~4.5的附近区域.随着地磁活动的增加,下频带合声波所覆盖的L-shell空间区域增大,趋势为向高、低L值区域同时扩展.建立的下频带哨声合声波的全球分布模型将有助于进一步深入理解该重要磁层波动对辐射带电子的波粒作用散射效应和对辐射带动力学过程的定量贡献.
相似文献基于Van Allen Probes近三年的EMFISIS仪器波动观测数据,针对内磁层上频带哨声模合声波幅度的全球分布特性对地磁活动水平的依赖性进行了详细的统计分析,着重研究上频带合声波平均场强幅度随磁壳值（L）、磁地方时（MLT）、地磁纬度（MLAT）的分布特征及不同强度区间的合声波的发生概率.结果表明,上频带合声波的平均场强幅度与地磁活动条件密切相关,在强磁扰期,平均幅度可达到40 pT以上.在外辐射带中心区域（L=4~6）,上频带合声波的幅度最强;在L＜~3的区域,上频带磁层合声波没有分布.在夜侧至晨侧（22-09MLT）,上频带合声波幅度最强;在下午侧至昏侧（15-19MLT）,上频带合声波幅度最弱;日侧（10-14MLT）上频带合声波在不同地磁活动条件下都存在,幅度偏小.上频带合声波主要分布在|MLAT| < 10°,其中21-09MLT范围内、磁纬位于|MLAT| < 5°的平均场强幅度最强,磁扰期间可达约100 pT.另外,统计而言,中等幅度（10~30 pT）的上频带合声波在夜侧至晨侧（23-09MLT）靠近磁赤道区域的发生率最高,可达15%左右.强幅度（>30 pT）的上频带合声波普遍分布在夜侧（01-05MLT）,发生率最小.本文建立的上频带哨声模合声波的全球分布模型结合已经建立的下频带合声波的全球分布模型,将有助于进一步深入理解该重要磁层等离子体波动对地球等离子体片、辐射带、环电流动力学过程的定量贡献.
相似文献等离子体密度作为空间环境的重要参量,它的全球实时分布信息不仅对理解内磁层带电粒子时空演化过程具有重要意义,对于预报和防范灾害性空间天气过程也有着潜在应用价值.利用范阿伦双星的高质量等离子体密度观测数据,本文基于机器学习算法训练得到一个稳定的深度神经网络模型: 包含五个隐藏层; 激活函数包括Sigmoid和ReLU函数; 以太阳风参数、地磁指数以及卫星对应的位置信息作为输入.在测试集上,该模型输出值和观测值之间的线性相关系数约为0.93,均方根误差(RMSE)约为0.3,表明该模型性能良好.通过使用该模型对2012年4月24日磁暴事件中等离子体密度的全球动态变化进行模拟,我们成功重构了磁暴期间内磁层等离子体密度的全球变化过程,包括等离子体层的侵蚀和恢复,以及羽流的形成和消失.该内磁层等离子体密度的深度神经网络模型将有助于推动内磁层波粒相互作用的深入研究.
相似文献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.
相似文献双流系统产生的不稳定性过程是近地空间中常见的等离子体不稳定性现象.地球磁尾、等离子体片边界层、地球弓激波、太阳风、极隙区和极光加速区观测到的静电孤立波被认为是由双流不稳定性产生.地球空间环境并非均匀稳态, 因此对双流系统演化过程的研究往往需要考虑初始的扰动.利用所建立的动理论粒子云模型方法, 我们研究了初始大扰动下双流系统的不稳定性现象, 发现初始大扰动条件下粒子相空间产生振荡现象, 且振荡频率与初始扰动的空间波数有关, 电场与电场能量也存在该频率成分.通过线性理论, 求解出了粒子相空间振荡频率.它与粒子云模拟得到的频率一致.该频率为朗缪尔振荡频率的基础之上叠加一个与初始扰动的空间波数有关的频率偏移量.我们改变等离子体频率, 进一步验证了上述结论.该研究结果表明初始扰动能够对双流系统的不稳定性现象产生重要影响, 对于加深理解地球磁层中双流系统的演化过程有重要参考意义.
相似文献地球空间环境中的电子束结构能够对空间辐射环境产生重要影响.自由空间中运动的电子束主要受空间电荷效应支配,其结构同时在纵向方向上产生拉伸和在横向方向上产生发散效应.利用所建立的动力学粒子云模型方法,我们研究了平行于地球背景磁场(L~2,L代表磁赤道上空磁力线到地心的距离与地球半径的比值)运动的电子束结构的时空演化情况,发现地磁场中运动的电子束在横向方向上产生明显的边界约束和周期性振荡现象.通过追踪单粒子,明确了电子在横向方向上同时受到自场的静电斥力和地磁场的洛伦兹力作用,静电斥力主要在电子束运动的初始阶段起支配作用,而电子束结构的振荡效果由地磁场的洛伦兹力所支配.通过不同背景地磁场强度下的参量分析,我们进一步验证了这一推论,且电子束结构的振荡周期与电子回旋运动周期基本一致.该研究结果表明地球磁场能够对运动电子束结构产生重要的影响,这对于加深理解地球空间环境中的电子束结构时空演化有着重要参考意义.
相似文献太阳风是由太阳大气膨胀形成的等离子体流,它能够将太阳的物质和能量传递到地球空间环境中.剧烈的太阳风暴能够引起地球空间天气中灾害性事件,而太阳风参数作为表征太阳活动的重要指标,对太阳风关键参数进行重构和预测,有助于理解地球空间天气演化的重要机理和规避或减轻灾害性空间天气.本文以1963—2018年的地面观测数据（Kp指数、Dst指数、AE指数、F10.7和太阳黑子数）作为输入,通过特征选取技术对输入参数进行筛选,然后利用人工神经网络和随机森林两种算法分别对日地L1点处（第一拉格朗日点）的太阳风速度进行重构和提前3小时预测.结果表明,两种算法均能在测试集中有效重构和预测太阳风速度的变化情况,其中人工神经网络的性能更好,重构结果与观测值之间的均方根误差和皮尔逊相关系数分别为~58 km·s-1和~0.84,预测结果与观测值之间的均方根误差和皮尔逊相关系数分别为~61 km·s-1和~0.82,而随机森林的性能分别为~63 km·s-1和~0.81以及~64 km·s-1和~0.80.我们进一步利用所训练的模型对2015年3个强磁暴事件期间的太阳风速度变化进行定量分析,人工神经网络在预测中表现出了较好性能.本文建立的太阳风速度重构和预测模型可以被用于以太阳风参数作为驱动的空间天气建模研究.
相似文献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.
相似文献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20~200 keV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20~400 keV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.
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