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.      

太阳质子事件中短期预报模型研究

太阳质子事件通量的预测对航天器抗辐射加固设计和航天员出舱活动具有非常重要的意义.针对一年以下的航天任务,利用经验统计方法,确认太阳活跃年和太阳平静年期间,1——365天不同时间段内 > 10MeV,> 30MeV和 > 60MeV的太阳质子事件积分通量符合对数正态分布,且通量对数的标准偏差σ和期望值μ随任务期时间的变化满足对数函数形式.以此为基础,构建太阳质子通量的中短期预报模型.该模型能够针对太阳活跃年和太阳平静年,给出一定置信度下1——365天不同时间内 > 10MeV,> 30MeV和 > 60MeV的质子事件通量分布,从而为执行中短期航天任务提供太阳质子事件通量的预测,以规避不必要的风险.      

应用BP神经网络针对高通量质子事件的通量数值预报

质子事件的爆发与太阳软X射线辐射有着很强的相关性,利用GOES卫星的1～8 (A)波段和0.5～4 (A)波段的软X射线数据,选取一些特征参量验证该相关性并应用到质子事件短期预报中.在当前质子事件传输物理机制不完全明确的情况下,在现有的预报质子事件有无的模型基础上,利用BP神经网络,根据软X射线通量水平等预测事件质子峰值通量水平,再对训练后的网络进行检验,检验预测所得结果与实际探测值误差小于一个量级,具备一定实用意义.      

由地面宇宙线中子强度反演空间质子和重离子的分布

采用线性回归的方法研究了太阳活动平静时期空间高能质子和重离子微分通量与地面OULU宇宙线台站中子强度之间的相关性,利用地面中子强度数据来反演空间高能质子和重离子通量.从质子和重离子的能谱出发,结合OULU台站中子强度的数据,提出了由地面中子强度数据反演空间高能质子和重离子微分通量的新方法.文中以GOES卫星上350～420 MeV,420～510 MeV,510～700 MeV,＞700 MeV(P8～P11)四能道的高能质子和ACE卫星上的元素C为例,并将反演的数据与测量结果比较,二者符合较好.为了探索这种反演方法在空间辐射环境描述中的应用,同时利用2006年11月和12月质子通量的反演结果对反演方法进行了验证,证明利用这一反演方法可以从地面中子强度的数据很好地反演出空间质子和重离子的微分通量.      

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.      

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.      

结合光球磁场特征物理量的质子事件短期预报

利用描述太阳活动区光球磁场复杂性和非势性特征的三个物理量(纵向磁场最大水平梯度|▽_hB_z |_m, 强梯度中性线长度L, 孤立奇点数目η)建立了质子事件短期预报模型, 验证了磁场特征物理量对质子事件短期预报的有效性. 目前已建立或使用的太阳质子事件短期预报模型中仍然没有正式将磁场特征物理量作为预报因子. 由于太阳质子事件是小概率事件, 其物理产生机制尚不完全清楚, 这些预报模型往往存在虚报率偏高或报准率偏低的问题. 本文试图将原有质子事件模型所用的传统因子与磁场特征物理量结合起来, 利用神经网络方法建立一个更为有效的质子事件短期预报模型. 利用1997--2001年的训练数据集1871个样本建立了输入层为传统预报因子的模型A以及输入层为传统预报因子和磁场特征物理量的模型B. 通过对2002--2003年973个样本的测试数据集进行模拟预报发现, 模型A与B在具有相同质子事件报准率的情况下, 模型B的虚报率明显降低. 这进一步验证了磁场特征物理量在质子事件短期预报中的作用, 进而可以加强对太阳质子事件的实际预报能力.      

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.      

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.      

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.      

SEP events and multi-spacecraft observations: Constraints on theory

Fifteen solar energetic particle (SEP) events have been analyzed using proton flux data recorded by the Helios 1, Helios 2, and IMP 8 spacecraft in the energy range ∼4–40 MeV during 1974–1982. For each of the events at least two of the spacecraft have their nominal magnetic footpoint within 20° in heliocentric longitude from each other. The SEP events are sub-grouped as a function of their heliocentric longitudinal separation and heliocentric radial distance from the SEP associated solar flare and several case studies are presented in this paper. Main results concerning their usage in estimating the SEP radial dependence are given. Moreover, we investigate the behavior of the third not connected spacecraft in order to study the dependence of the proton flux as a function of flare location. It is found that the contribution of the longitudinal gradient in determining variations in the SEP proton flux is particularly relevant for spacecraft having their magnetic connection footpoint separated from the flare between 30° and 50°.     

PPS-87: a new event oriented solar proton prediction model.

A new event-oriented solar proton prediction model has been developed and implemented at the USAF Space Environment forecast facility. This new model generates predicted solar proton time-intensity profiles for a number of user adjustable energy ranges and is also capable of making predictions for the heavy ion flux. The computer program is designed so a forecaster can select inputs based on the data available in near real-time at the forecast center as the solar flare is occurring. The predicted event amplitude is based on the electromagnetic emission parameters of the solar flare (either microwave or soft X-ray emission) and the solar flare position on the sun. The model also has an update capability where the forecaster can normalize the prediction to actual spacecraft observations of spectral slope and particle flux as the event is occurring in order to more accurately predict the future time-intensity profile of the solar particle flux. Besides containing improvements in the accuracy of the predicted energetic particle event onset time and magnitude, the new model converts the predicted solar particle flux into an expected radiation dose that might be experienced by an astronaut during EVA activities or inside the space shuttle.     

低高度空间高能质子通量分布计算

介绍了AP-8模式、CRRESPRO模式和PSB97模式,并用这3种模式分别计算低高度空间300—1100km范围内的高能质子通量分布,由IDL软件绘出通量等值线图．AP-8模式通量主要受银河宇宙线调制,即受太阳活动直接影响,与太阳活动高年相比,太阳活动低年的质子通量较大;CRRESPRO模式中,因活动期和平静期的数据采集时间前后相差很短,从而使同一高度上两种环境条件下的通量分布相似．模式之间的比较结果表明,AP-8模式通量较小,CRRESFRO模式通量较大,PSB97模式通量介于二者之间,并与实测通量接近．PSB97是为低高度(1000km以下)定制的模式,在低高度上优于AP-8模式和CRRESPRO模式,能较好地计算当前条件下的低高度高能质子通量．     

A first step towards proton flux forecasting

We present a preliminary version of a potential tool for real time proton flux prediction which provides proton flux profiles and cumulative fluence profiles at 0.5 and 2 MeV of solar energetic particle events, from their onset up to the arrival of the interplanetary shock at the spacecraft position (located at 1 or 0.4 AU). Based on the proton transportation model by Lario et al. [Lario, D., Sanahuja, B., Heras, A.M. Energetic particle events: efficiency of interplanetary shocks as 50 keV E < 100 MeV proton accelerators. Astrophys. J. 509, 415–434, 1998] and the magnetohydrodynamic shock propagation model of Wu et al. [Wu, S.T., Dryer, M., Han, S.M. Non-planar MHD model for solar flare-generated disturbances in the Heliospheric equatorial plane. Sol. Phys. 84, 395–418, 1983], we have generated a database containing “synthetic” profiles of the proton fluxes and cumulative fluences of 384 solar energetic particle events. We are currently validating the applicability of this code for space weather forecasting by comparing the resulting “synthetic” flux profiles with those of several real events.     

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.     

质子辐射带辐射中心区域模型

利用AP-8和CRRESPRO质子辐射带模式数据库, 比较了二者在磁赤道面上计算结果 的差异并给出其差异原因. 利用AP-8模式数据库数据, 建立起质子辐射带函数形式的辐射中心区域模式, 包括各能道全向微分通量峰值所对应的L值(L_c) 随能量E的变化模式以及各能道全向微分通量峰值J_max随能量E的变化模式. 利用RBSP A卫星REPT望远镜在磁赤道面上的高能质子观测数据, 分别与 AP-8模式、CRRESPRO模式及本文所得辐射中心区域模式计算结果进行比较, 发现在78.9, 102.6和208MeV三个能道上, RBSP A卫星观测所得各能道全向微分 通量明显偏大, 而L_c与AP-8或本文辐射中心模式所得结果基本一致; RBSP A卫星也观测到CRRESPRO Quiet模式所得的隐性第二质子辐射带结构.