第23至24周太阳质子事件的统计特征

第23至24太阳活动周（1997-2016年）期间太阳质子事件的强度统计分析表明,1997-2016年期间总共发生了128个太阳质子事件,其中峰值通量范围为10~99pfu,100~999pfu,1000~2999pfu及>3000pfu的事件分别占55.15%,27.94%,9.56%,7.35%.太阳质子事件的不对称性分析表明,不同强度太阳质子事件东西不对称性的程度不相同,其中1000~2999pfu事件的不对称性最强,而3000pfu以上事件的不对称性最弱.第23周期间,太阳质子事件主要发生在太阳活动周两个峰值之间和最大峰值之后的时段,而第24周太阳质子事件主要发生在太阳活动周最大峰值之前.      

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.      

1997-2003年太阳质子事件源区的卡林顿经度分布

分析了1997-2003年期间的59个太阳质子事件,太阳质子事件源区的卡林顿经度带.分析结果表明,质子事件源区主要集中在10°-45°,135°-155°,180°-215°,230°-260°,265°-310°,345°-360°,还有4个质子耀斑分散在72°,74°,93°和107°上.其中最强的活动卡林顿经度带的经度范围是265°-310°,次之为卡林顿经度带135°-155°,最弱的是卡林顿经度带180°-215°最强的活动经度是卡林顿经度272°.1997-2003年期间峰值通量大于100 pfu,质子耀斑南半球发生次数为18,北半球发生次数为10;同一活动经度上的质子事件具有重现的规律,重复出现的时间间隔短的为27天,长的超过4年.     

太阳质子事件与大气臭氧扰动

本文利用统计分析方法分析了1960至1982年间1级以上的太阳质子事件与四个不同地理纬度大气臭氧含量的相互关系.分析结果表明,对于中、低纬度地区,1、2级太阳质子事件基本上不影响大气臭氧含量,只有3、4级的大事件才对臭氧含量产生扰动,而且具有明显的纬度效应;对于极区,1级以上的太阳质子事件就能对臭氧含量产生影响,随着质子事件级别的增高,对臭氧含量的扰动也加大.通常,太阳质子事件发生的当天,臭氧含量开始下降,在第4天下降达最小值,整个扰动持续数日.由太阳质子事件扰动大气臭氧明显的纬度效应证明了太阳质子事件的确是使大气臭氧含量变化的重要因素.此外,分析结果表明,冬天出现的太阳质子事件对臭氧的扰动要大于夏天质子事件对臭氧的扰动.这些结果给出了太阳质子事件影响大气臭氧的一个总轮廓,而且从理论上得到了较好的解释.      

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.      

太阳质子事件警报

采用人工神经网络预报方法,利用太阳耀斑的日面位置、X射线辐射的峰值流量及其上升时间、2695MHz和8800MHz微波辐射的半积分流量等5个物理参量,提出了一个新的太阳质子事件警报方案,预报太阳质子事件的发生及其流量和时间．该方案在本文检验中达到93．75％的预报准确率．     

基于机器学习方法对23太阳活动周质子事件的研究

在耀斑伴随日冕物质抛射（CME）事件编目数据的基础上，进行太阳质子事件（SPE）匹配，构建研究数据集.利用Apriori算法挖掘SPE与耀斑级别、耀斑发生日面位置以及CME角宽度和速度的关联关系.结果表明:X级耀斑、全晕CME、高速（>1000km·-1） CME和日面西半球耀斑是最可能伴随质子事件的4种特征，其诱发质子事件概率依次为0.366，0.355，0.30，0.155.角宽度低于120°或速度低于400km·-1的CME产生质子事件的概率为0.高速CME产生质子事件的概率是低速（400～1000km·-1） CME的8.6倍，X级耀斑产生质子事件的概率是M级耀斑的6.2倍，日面西部耀斑产生质子事件的概率是日面东部耀斑概率的3.9倍，全晕CME产生太阳质子事件的概率是非全晕（120°～360°） CME的3.8倍.对太阳质子事件样本进行过采样处理，利用随机森林等5种典型有监督学习算法，构建了基于第23太阳活动周耀斑和CME特征的质子事件预测模型.结果表明，该预报模型的质子事件预测准确率、精确率和召回率均控制在91%以上.      

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.      

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.      

“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。     

太阳质子事件对太阳同步轨道空间辐射环境影响分析

介绍了南大西洋异常区的辐射环境及其特点，重点研究了发生于2000年7月14日的太阳质子事件对太阳同步轨道空间环境造成的影响，太阳质子事件期间，抵达近地空间的高能电子、质子及重离子对太阳同步轨道空间环境造成剧烈地扰动，并且不同种类不同能量的粒子扰动特征不尽相同。     

影响地球环境的太阳质子事件的时间过程

利用1966年以来的大量太阳耀斑以及相应质子事件的资料,分析研究了质子事件到达时间和极大时间同耀斑经度位置的统计关系.结果表明当耀斑位置处于经过地球的行星际大尺度场磁力线足点位置附近时,上述两种时间过程最短.这个结果支持了太阳耀斑粒子经日冕传播再向行星际空间传播的二阶段传播模型.      

一种新的太阳质子事件警报方法的探讨

本文分析了第21太阳活动周后半期的太阳质子耀斑硬X射线辐射资料, 发现它们的峰值流量、积分流量、上升沿斜率、X光子的最高能量和持续时间等物理参数之间有着不同于非质子耀斑的相关性。据此, 本文采用模糊聚类分析法, 对21太阳活动周期间(1980.2—1986.2)的质子事件进行预报试验。其报准率为88.5%, 虚报率为53.1%, 漏报率为11.5%。本文提供了基于X射线辐射特征的太阳质子事件警报的新途径和方法。      

三种类型的质子耀斑

根据SMM卫星观测资料,分析了GRL,PE和GRL/PE三种类型质子耀斑在硬X射线辐射特征上的差异。结果表明,存在的差异与粒子加速区(或作用区)分别处于不同的日面高度有关。      

质子事件上升时间及峰值强度的统计研究

在耀斑已基本确定为质子耀斑的情况下, 为了对即将到达地球的太阳质子作出半定量的粗略预报(警报), 即估计从观测到光学耀斑开始, 需经多长时间质子通量将到达峰值;峰值强度有多大。为此, 我们收集了1967年5月—1972年12月约五年半期间国外发表的比较系统的质子事件资料, 以及相应的太阳耀斑和太阳射电资料。      

FY-3A卫星与NOOA系列卫星高能带电粒子实测结果的比较

FY-3A卫星是运行于830 km高度的太阳同步轨道气象卫星,其搭载的空间环境监测器可观测3～300 MeV的高能质子和0.15～5.70 MeV的高能电子.FY-3A卫星在轨工作期间,太阳活动处于由谷年向峰年过渡期,空间环境非常平静,探测结果显示3～300 MeV的高能质子分布主要集中在南大西洋辐射带异常区,0.15～5.70 MeV的高能电子分布区域除南大西洋异常区外,还分布在南北两极高纬区域.FY-3A与NOAA卫星测量结果反映出带电粒子强度及分布区域随投掷角变化的空间各向异性特征.本文在充分考虑了带电粒子时间、空间分布差异以及比对探测器之间自身设计差异的前提下,经过归一化处理后,首次对两颗卫星同期探测结果进行相关性分析,验证了两颗卫星相同时空条件下高能带电粒子通量分布的一致性;说明FY-3A空间环境监测器不仅具备空间带电粒子辐射监测能力,且探测结果有效可靠,可用作辐射带环境数据源的组成部分,为发展新的模型,深入研究辐射带高能粒子的分布、起源和传输等提供新的观测依据.     

FY-3A卫星与NOAA系列卫星高能带电粒子实测结果的比较

FY-3A卫星是运行于830 km高度的太阳同步轨道气象卫星, 其搭载的空间环境监测器可观测3~300 MeV的高能质子和0.15~5.70 MeV的高能电子. FY-3A卫星在轨工作期间, 太阳活动处于由谷年向峰年过渡期, 空间环境非常平静, 探测结果显示3~300 MeV的高能质子分布主要集中在南大西洋辐射带异常区, 0.15~5.70 MeV的高能电子分布区域除南大西洋异常区外, 还分布在南北两极高纬区域. FY-3A与NOAA卫星测量结果反映出带电粒子强度及分布区域随投掷角变化的空间各向异性特征. 本文在充分考虑了带电粒子时间、空间分布差异以及比对探测器之间自身设计差异的前提下, 经过归一化处理后, 首次对两颗卫星同期探测结果进行相关性分析, 验证了两颗卫星相同时空条件下高能带电粒子通量分布的一致性; 说明FY-3A空间环境监测器不仅具备空间带电粒子辐射监测能力, 且探测结果有效可靠, 可用作辐射带环境数据源的组成部分, 为发展新的模型, 深入研究辐射带高能粒子的分布、起源和传输等提供新的观测依据.      

FY-2卫星的空间环境数据接收及警报系统

介绍了FY—2卫星探测数据的流通过程及接收处理．首先在FY-2卫星及探测器系统中，环境探测数据被收集、调制并发射，再由地基数据接收及解调系统将数据信号放大、解调还原并发送，最后由数据处理及警报系统将数据接收处理、保存显示，并对太阳质子事件、x耀斑进行自动电话报警．该系统是保障航天器安全和提高抗辐照水平的重要手段．