太阳质子通量模型研究

太阳质子事件对航天活动构成重要威胁, 预测一定时期内太阳质子通量对航天器抗辐射加固设计有重要的指导意义. 在第20至23太阳活动周的太阳质子事件数据统计分析的基础上, 建立了一个针对 E>10 MeV和 E>30 MeV太阳质子通量的新模型. 新模型与目前航天工程中常用的JPL模型相比较, 引入了太阳活动性对质子事件发生概率的影响因素, 能够评估不同太阳活动水平下的质子通量, 其结果更符合质子事件的分布特征.      

利用质子强度变化对太阳质子事件进行短期预报方法初步研究

采用GOSE-10卫星4～9 MeV(P2),9～15 MeV(P3),15～40 MeV(P4),40～80 MeV(P5)能段上的质子通量数据,结合质子能谱,对太阳质子事件发生前各能谱参数的变化特征进行分析,详细介绍利用能谱参数的变化特征及能量E>10 MeV的质子通量数据对太阳质子事件进行预报的新方法,并运用这种方法对2002-2006年期间太阳质子事件进行了预报.预报结果显示,预报提前量最多达到100 h以上,对质子事件的报准率达97.5%,预报方法具备一定的有效性和实用性.      

利用ACE卫星数据对太阳质子事件预警方法的研究

通过分析GOES和ACE卫星大于10MeV能量段的5min平均质子通量数据,发现两者有很好的相关性,最佳相关系数显示,GOES通量数据较ACE卫星数据有数十分钟至几小时的时间延迟.这为利用ACE数据进行质子事件预警提供了依据.本文提出一种利用ACE卫星大于10MeV能量段的通量数据对质子事件进行预警的方法.该方法在2001年8月7日至2012年2月20日这11年多时间的试验中,表现出较高的报准率(76.3%)和较低的虚报率(14.7%),预警提前时间在数十分钟至几小时不等.该方法的结果与美国国家海洋和大气管理局(NOAA)空间天气预测中心(SWPC)使用的预警模型对比,具有更高的报准率,较低的虚报率,在预警时间提前量方面两者相当.      

基于GM(1,1)与灰区间估计的SPE通量水平长期预测

太阳质子事件（SPE,Solar Proton Events）是干扰日地空间最主要的源,大规模质子事件会影响在轨空间站实验设备的可靠性,有时甚至会威胁空间站的安全运行.提出一种基于灰色GM（1,1）和区间估计太阳质子事件预测方法;首先对1976—2010年SPE通量水平数据进行预处理,分别建立以发生时间为序列的一般SPE通量序列与极端SPE通量序列;之后将灰色GM（1,1）与区间估计相结合建立预测方法,融合反映一般SPE通量水平随周期性波动的活跃性调节系数,建立SPE通量水平长期预测模型;然后叠加不同SPE类型所得结果合成预测年份的SPE通量水平,给出未来一年或几年间SPE通量水平的变化范围;最后选取1976—2010年太阳质子事件年均值数据,分多批次预测1996—1998年和1999—2001年等SPE通量均值区间,结果表明各年实际发生SPE的通量均值均位于预测区间内,并且多年预测区间偏差最大值小于26%,实验结果还表明单次预测时长以2~3年为宜.     

太阳质子事件与太阳耀斑的关系

通过对0°W-39°W,40°W-70°W,71°W-90°W经度范围内太阳质子事件与太阳耀斑的相关性计算分析,发现太阳质子事件与太阳耀斑的相关系数依赖于经度.太阳耀斑积分与地球磁链接区域（40°W-70°W）太阳质子事件强度的相关系数最大.相关系数的这种特点与耀斑加速粒子的最大流量只出现在磁链接区域的特征相吻合.计算结果表明,太阳耀斑对太阳质子事件具有贡献,即耀斑对E ≥ 10MeV的质子加速有贡献.耀斑和CME在磁链接区域对太阳质子事件的贡献相同,这说明太阳质子事件是混合型事件.      

“风云一号（B）”卫星探测到的太阳质子事件

我国“风云一号(B)”气象卫星于1990年9月3日发射入轨,该星载有粒子成分监测器,用来探测空间粒子辐射环境,其中包括测量太阳耀斑时产生的太阳质子事件及其重粒子丰度;银河宇宙线异常成分与强度;内辐射带磁异常区的粒子通量及重粒子成分,“风云一号(B)”卫星运行半年来,我们已获取了上述有关的粒子辐射资料,在卫星上获得这些资料在我国尚属首次,本文主要分析观测到的太阳质子事件。     

利用神经网络预报太阳质子事件后的地磁扰动

通过分析几十个典型太阳质子事件表明,具有以下特征的质子事件其后1－3天内一般有强烈地磁扰动发生：1．质子耀班级别和亮度较大（3B以上）;2．质子通量在上升阶段增加很快,而在下降阶段相对来说衰减也很快（尤其是在峰值附近）;3．电子通量远远大于质子通量并且和质子通量有相似的变化规律．在此基础上,利用神经网络预报太阳质子事件发生后3天内地磁扰动的趋势．     

全晕CME与太阳质子事件的关系

日冕物质抛射（CME）是太阳质子事件的重要源头.CME的速度和源区位置是太阳质子事件产生的重要因素.通过统计最近5年全晕CME与太阳质子事件的关系发现,速度大且源区位置距离日面上连接地球磁力线足点近的全晕CME更易引发太阳质子事件,其中速度大于1200km…-1、角距离60°以内的样本引发太阳质子事件的概率最高.对3个未引发太阳质子事件的高速全晕CME进行了详细分析,发现CME的主体爆发方向和行星际磁场环境的变化也影响太阳质子事件的产生.因此,在太阳质子事件的实际预报中,综合CME爆发速度、源区位置、主体抛射方向和行星际环境等多个因素才能给出更准确的事件预报结果.      

神经网络方法在太阳质子事件短期预报中的应用

在大量统计结果的基础上,深入研究了太阳质子事件预报机理．总结了质子事件爆发与太阳活动区面积、位置、McIntosh结构、磁结构以及前两天活动区爆发耀斑事件数目之间的关系．然后,在神经网络的基础上建立了太阳质子事件短期预报模型,并对2000年以后12个未参加训练的样本进行测试,结果对事件预报的准确率为83％．此外,我们还利用该模型对2002年1-4月发生的几次质子事件进行了预报试验,结果发现,这期间发生的6次事件都被预报．其中3次质子事件系统预报提前了3天,两次事件预报提前了2天,一次事件提前1天预报．     

第21～24太阳周4类空间天气事件爆发特征统计分析

对第21～24太阳周不同等级的太阳X射线耀斑事件、太阳质子事件、地磁暴事件及高能电子增强事件的爆发频次特征进行统计，结果表明:太阳周耀斑爆发的总数量与该太阳周的黑子数峰值呈正比，耀斑总数、X级耀斑事件数与峰值的相关系数分别为0.974，0.997；太阳质子事件主要发生在峰年前后1～2年，约占总发生次数的80%，峰值通量大于10pfu （1 pfu=1 cm-2·sr-1·s-1）的质子事件中，84%伴有耀斑爆发，并且主要伴随M或X级耀斑，少量伴随C级耀斑，峰值通量大于1000pfu的质子事件中，98%伴随M或X级耀斑，并且以X级耀斑为主；第21，22，23和24太阳周发生地磁暴最频繁的时间分别在1982，1991，2003年和2015年，分别滞后黑子数峰值时间3年、2年、2年和1年；72%的高能电子增强事件发生在太阳周下降期，24%的高能电子增强事件发生在太阳周上升期.      

Interplanetary proton cumulated fluence model update

Solar particle events leading to important increase of particle fluxes at energies of order of magnitude ranging from MeV to GeV constitute an important hazard for space missions. They may lead to effects seen in microelectronics or damage to solar cells and constitute a potential hazard for manned missions. Cumulative damage is commonly expressed as a function of fluence which is defined as the integral of the flux over time. A priori deterministic estimates of the expected fluence cannot be made because over the time scale of a space mission, the fluence can be dominated by the contribution of a few rare and unpredictable high intensity events. Therefore, statistical approaches are required in order to estimate fluences likely to be encountered by a space mission in advance. This paper extends work done by Rosenqvist et al. [Rosenqvist, L., Hilgers, A., Evans, H., Daly, E., Hapgood, M., Stamper, R., Zwickl, R., Bourdarie, S., Boscher, D. Toolkit for updating interplanetary proton-cumulated fluence models. J. Spacecraft Rockets, 42(6), 1077–1090, 2005] to describe an updated predictive engineering model for the proton interplanetary fluence with energies >30 MeV. This model is derived from a complete list of solar proton fluences based on data from a number of calibrated sources covering almost three solar cycles.     

太阳质子事件预报和射电Ⅰ型噪暴

太阳是一个异常活跃的天体,其爆发过程会对地球周围空间环境产生重要影响. 通常,单个高能质子即足以引起飞行器中微电子器件出现异常,因此太阳质子事件预报是空间天气预报的重要内容. 关于预报模型的参数选择尚有值得改进之处. 研究认为,Ⅰ型噪暴与日冕加热磁重联具有密切关系,可以作为预报参数. 通过两个典型太阳爆发事件的详细资料分析,说明了Ⅰ型噪暴与质子事件及CME的相关性.      

A model of radiation conditions during spacecraft flights in the interplanetary space and in the Earth's magnetosphere.

Based on the available measurement data, simulations of radiation conditions during spacecraft flights in the interplanetary space and in the Earth's and Jupiter's radiation belts has been carried out. The > or = 10 MeV and > or = 30 MeV solar flare proton fluence forecast has been proposed for Cycle 22. Radiation conditions due to both magnetospheric electrons and protons and to solar flare protons, magnetic rigidity cutoff being taken into account, have been evaluated on spacecraft trajectories in the Earth's and Jupiter's magnetospheres.     

Radiation environment due to galactic and solar cosmic rays during manned mission to Mars in the periods between maximum and minimum solar activity cycles.

A possibility of a manned mission to Mars without exceeding the current radiation standards is very doubtful during the periods of minimum solar activity since the dose equivalent due to galactic cosmic rays exceeds currently recommended standards even inside a radiation shelter with an equivalent of 30 g cm-2 aluminum. The radiation situation at the time of maximum solar activity is determined by the occurrence of major solar proton events which are exceedingly difficult to forecast. This paper discusses the radiation environment during a manned mission to Mars in the years between minimum and maximum solar activity when the galactic cosmic ray intensity is considerably reduced, but the solar flare activity has not yet maximized.     

A new modeling method of solar energetic proton events for ISO specification

Solar energetic protons degrade performance and reliability of spacecraft systems due to single-event effects, total dose effects and displacement damage in electronics components including solar cells. On designing a solar cell panel, a total fluence of solar energetic protons (SEPs) which cause solar cell damage is needed to estimate power loss of the solar cells over mission life. Nowadays a solar panel area of spacecraft is increasing as spacecraft mission life becomes longer (15–18 years). Thus an accurate SEP model is strongly required for the cost-minimum design from the aerospace industry. The SEP model, JPL-91 proposed by Feynman et al., is currently used widely for solar cell designing. However, it is known that the JPL-91 model predicts higher fluences of protons than values actually experienced in space, especially after 7 years on orbit. In addition, the model is based on several assumptions, and also needs Monte-Carlo simulations for calculating fluences. In this study, we propose a new method for modeling SEPs especially focused on solar cell degradation. The newly-proposed method is empirical, which constructs a model based directly upon proton flux measurement data taken by instruments onboard spacecraft. This method has neither assumptions nor dependence on SEP event selection, both of which are needed in JPL-91. The model fluences derived from this method show lower fluences in longer missions compared to JPL-91. This method has been proposed to ISO (International Organization for Standardization) and has been discussed for a new standard SEP model.     

Angular distributions of energetic charged particles observed with HELIOS-1 and -2 between 0.3 amd 1 AU and their relevance to manned interplanetary space missions.

The University of Kiel Cosmic Ray Instrument on board the solar probes HELIOS-1 and -2 measured angular distributions of electrons, protons, and heavier nuclei between 0.3 and 1 AU over one complete solar cycle between 1974 and 1986. Anisotropies are observed mainly during the rising phase of solar particle events or close to the passage of certain interplanetary shocks. The anisotropies are presented as proton data of energies between 27 and 37 MeV. The dependence of the anisotropies on particle energy and distance from the sun is provided based on diffusive propagation in interplanetary space. Strong anisotropies could provide a chance of efficient shielding of the passenger compartment by moving heavier parts of the spacecraft structure into the direction of the highest flux. A reduction of the total radiation dose by less than a factor of 2 might be achievable, however, selection of quiet times for the mission reduces the radiation hazard much more.     

冕洞相关地磁Ap指数中短期预报方法研究

地磁Ap指数是描述全球地磁活动水平的重要指数, 过去许多参考大气模式中都用Ap指数来表述地磁活动状态, 大气模式的运行需要输入地磁Ap指数, 因此, 地磁Ap指数的预报一直是空间环境预报中一个非常重要的内容. 针对太阳活动低年冕洞引起的地磁扰动具有明显27天重现的特性, 利用修正的自回归方法, 对地磁Ap指数进行了提前27天的预报; 采用从SOHO/EIT观测资料发展出来的描述冕洞特性的Pch因子, 进行了提前三天的地磁Ap指数预报. 结果显示, 将统计方法与物理分析相结合, 进行地磁Ap指数的中短期数值预报, 可以得到较好的预报效果.      

X级质子耀斑的特征研究

为了更加准确地判断X级耀斑是否引发质子事件,对X级质子耀斑和非质子耀斑的耀斑积分通量、源区、CME速度、CME角宽度、背景太阳风速度及背景X射线通量的分布进行了统计研究.发现非质子耀斑和质子耀斑的积分通量、经度、CME速度和CME角宽度具有明显不同的分布.非质子耀斑大多集中在东部,耀斑积分通量小于0.3J·m-2,CME速度小于1300km·s-1的区域内;质子耀斑大多集中在中部或西部,耀斑积分通量大于0.3J·m-2,CME速度大于1300km·s-1的区域内.质子耀斑伴随的CME角宽度主要集中在360°,非质子耀斑的CME角宽度分布则相对分散.两类耀斑的背景太阳风速度和背景X射线通量分布差别不大.利用两类耀斑各个参量分布上的差异,有望提高X级耀斑预报的准确率.