地磁长期变化引起的低高度卫星轨道辐射带粒子环境的变化

利用IGRF2000模式计算了几个典型轨道辐射带粒子环境并与IGRF1970模式计算的结果进行了比较。计算结果表明，在辐射带的低部，对应某些倾角的能量大于0．1MeV质子的轨道积分通量变化达到2个量级，而通量大10MeV的辐射带质子的轨道积分通量变化达到1个量级；轨道积分通量的最大值变化为1个量级。能量大于0．04MeV辐射带电子的轨道积分通量变化在某些倾角达到3个量级，但轨道积分最大值的变化低于1个量级。1000km以上高度辐射带粒子环境的变化很小。     

漂移壳追踪方法与内辐射带的长期变化

地磁场的长期变化发迹辐射带结构,如何在当前年代下恰当地使用ＡＥ－８／ＡＰ－８模型,目前国内外对此问题存在着很大的争议。我们在物理分析的基础上给出了当前年代下使用辐射带模型ＡＰ－８的漂移壳追踪方法ＤＳＴＭ（Ｄｒｉｆｔ Ｓｈｅｌｌ Ｔｒａｃｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ）。计算结果表明地磁场的长期变化对内辐射带的通量分布有着显著的影响。３０－４０年来,南大西洋通量异常区中心向丁和向北发生偏移,高粒子辐射区域的范     

太阳周期活动对低高度内辐射带高能质子的影响

利用NOAA-15卫星1998年到2011年近13年的高能质子全向通量观测资料, 分析了一个太阳活动周内, 低高度内辐射带高能质子通量的分布变化特性及其物理原因, 比较了观测结果与AP8模型的不同. 研究表明, 低高度内辐射带高能质子通量与太阳活动水平的反相关关系与磁壳参数L值及磁场B值有关; L值越低, B值越大的空间点, 其高能质子通量与太阳活动水平的反向相关性越明显. 高能质子通量随太阳活动水平的变化存在明显滞后现象, L值越高、 B值越小的空间点, 滞后现象就越明显, 滞后严重时可以达到一年左右的时间; 这种滞后现象反映出低高度内辐射带高能质子的源与损失达到平衡是一个中长期过程. 通过与AP8模型计算结果的比较分析可以看出, 利用AP8模型时, 仅考虑地磁场长期变化对质子通量的影响可能会夸大低高度内辐射带局部高能质子通量的增强.      

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.      

辐射带高能电子通量波动与地磁暴警报

地球磁场捕获带电粒子形成辐射带,地磁场的扰动将导致带电粒子通量的变化.根据磁暴期间外辐射带高能电子通量起伏和波动的特点及规律,利用GOES卫星实时发布的5min分辨率高能电子微分通量数据,构建了高能电子通量波动指数,并分析了该指数与地磁活动的关系.结果表明,所提出的高能电子通量波动指数与地磁事件有很好的相关性,能起到地磁暴发生的指示剂作用,相对于目前空间环境业务化预报过程中广泛使用的3hKp指数,高能电子通量波动指数能更早地警报地磁暴的发生,是潜在有效的地磁暴警报辅助手段,能为空间环境预报中的地磁暴实时警报提供重要参考.      

外辐射带动态演化的粒子模拟研究

运用计算机实验方法即三维电磁粒子模拟方法初步研究了暴时扰动情况下外辐射带粒子环境的动态演化特性。模拟计算了暴时辐射带粒子环境的演化情况。模拟计算结果显示，高能质子、电子注入午辐射滞后，两者一方面沿磁力线做弹跳运动，向高纬扩展，部分注入质子和电子沉降于南北两极区域；另一方面，注入质子和电子还经历顺时针和逆时针方向的漂移运动，粒子能量越大，漂移速度越快。暴时多次注入引起整个辐射带粒子能量的大幅增强；粒子注入颗次和强度越大，辐射带粒子通量增幅越大。本项研究为开发研制完整的辐射带动态模式积累了有益的经验。     

低高度内辐射带高能质子空间分布位形的研究

利用国际地磁参考场模式(IGRF模式)分析了1970-2000年低高度南大西洋负磁异常区位形的漂移与变化，给出了几个高度异常区中心位置磁场强度的变化和位置的变化。利用带电粒子的运动学方程，简要分析了低高度辐射带高能粒子的运动，得出在低高度，磁场是决定辐射带高能粒子空间强度与分布的决定性因素．低高度辐射带空间分布位形的变化特征应该与低高度南大西洋负磁异常区的变化特征基本一致．低高度南大西洋负磁异常区的特征可以作为低高度辐射带空间分布位形的一个初步判据。     

基于数据网格化方法的低轨辐射带建模技术

地球辐射带中的高能带电粒子是引起航天器材料和器件性能退化甚至失效的主要空间环境因素.因此,航天器设计中所采用的辐射带模型的准确程度对于航天器的生存能力和航天任务的完成质量至关重要.在利用我国自主辐射带高能粒子探测数据进行的辐射带建模中,探测数据的空间网格化是一项非常重要的工作.介绍了我国辐射带探测数据的情况,以及辐射带建模的方法和步骤;重点研究了不同插值方法在低地球轨道(LEO)空间辐射带建模数据网格化中的应用,并开展了误差分析.研究结果表明:在各种常用的插值方法中,反距离加权法、自然邻点法和最近邻点法适合工程化应用.其中,反距离加权法生成的数据网格对粒子通量的反演结果精度最高,该方法采用低阶距离时得到的反演结果更为合理.      

星载半导体电子探测器关于辐射带电子探测的一些结果

本文给出了我国卫星上半导体电子探测器的一些探测结果。通过对数据的分析,得到了内辐射带中心区电子通量的典型值,大于0.5MeV和1.0MeV两个能档的全向通量分别为1.9×108和6.7×107ele./s·cm2.同时也给出了在典型轨道上电子通量随时间的变化剖面。此外,还得到了同步高度上述两个能档电子的全向通量分别为20.43×106和4.25×105ele./s·cm2.同时也给出了观测到的同步高度外辐射带电子的日变化。结果与国外观测资料基本相符。      

“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。     

磁壳参数L与磁暴Dst指数和行星际条件的关系

用磁坐标L-/A来描述地球近地空间粒子特性和卫星位置是近年来空间物理探测研究和数据分析中的一个新趋势.利用T96磁场模型计算了L值,并比较了在地球磁层剧烈活动期间和不同行星际条件下,用偶极子模型,国际参照磁场(IGRF)模型,和T96磁场模型这三种方式计算得到的地球表面L-A磁坐标之间的区别.在地磁纬度大于30°时偶极子近似和IGRF磁场模型计算得到的L值差别开始增大.在地磁纬度大于50°时,用IGRF磁场模型和T96磁场模型计算得到的L值差别开始增大.由于T96磁场模型引入了行星际磁场南北和东西分量,计算的L值包含了行星际条件的影响,并具有了随地方时变化的特性.本工作对于辐射带粒子动态模式的建立,以及正确理解卫星磁坐标位置等具有重要意义.     

Measurements of trapped protons and cosmic rays from recent Shuttle flights.

We have flown two new charged particle detectors in five recent Shuttle flights. In this paper we report on the dose rate, equivalent dose rate, and radiation quality factor for trapped protons and cosmic radiation separately. A comparison of the integral linear energy transfer (LET) spectra with recent transport code calculations show significant disagreement. Using the calculated dose rate from the omni-directional AP8MAX model with IGRF reference magnetic field epoch 1970, and observed dose rate as a function of (averaged over all geographic latitude) and longitude, we have determined the westward drift of the South Atlantic anomaly. We have also studied the east-west effect, and observed a 'second' radiation belt. A comparison of the galactic cosmic radiation lineal energy transfer spectra with model calculations shows disagreement comparable to those of the trapped protons.     

Quiet time distribution of plasma pressure in the inner earth's magnetosphere

Trapped particles of the radiation belts provide a considerable part of plasma pressure at low L-shells. The evaluations of this part during quiet times can be made on the basis of existing trapped radiation models. The radial profiles of plasma pressure at 1.2 < L < 7 were obtained by using the empirical AP8MAX model of trapped radiation (L < 6.6) and the theoretical model of the distribution of the proton fluxes in the Earth's radiation belts (L < 7) developed on the basis of the numerical solution of the radial diffusion equation with dissipation processes. The calculations were compared with AMPTE/CCE data. The contribution of quiet-time plasma pressure profile producing the quiet-time ring current to D_st-variation was obtained about 15 nT which is comparative with the magnetic field disturbances during weak and moderate magnetic storms (D_st = −40 ≈ −100 nT).     

The limitations of using vertical cutoff rigidities determined from the IGRF magnetic field models for computing aircraft radiation dose.

Vertical cutoff rigidities derived from the International Geomagnetic Reference Fields (IGRF) are normally used to compute the radiation dose at a specific location and to organize the radiation dose measurements acquired at aircraft altitudes. This paper presents some of the usually ignored limits on the accuracy of the vertical cutoff rigidity models and describes some of the computational artifacts present in these models. It is noted that recent aircraft surveys of the radiation dose experienced along specific flight paths is sufficiently precise that the secular variation of the geomagnetic field is observable.     

E region electric fields at the dip equator and anomalous conductivity effects

Zonal and vertical electric fields were estimated at E region heights in the Brazilian sector. Zonal electric fields are obtained from the vertical electric fields based on their relation through the Hall-to-Pedersen ionospheric conductivities ratio. The technique for obtaining the vertical electric field is based on its proportionality to the Doppler velocities of type 2 irregularities as detected by coherent radars. The 50 MHz backscatter coherent (RESCO) radar was used to estimate the Doppler velocities of the type 2 irregularities embedded in the equatorial electrojet. A magnetic field-line integrated conductivity model was developed to provide the conductivities. It considers a multi-species ionosphere and a multi-species neutral atmosphere, and uses the IRI 2007, the MISIS 2000 and the IGRF 10 models as input parameters for ionosphere, neutral atmosphere and Earth’s magnetic field, respectively. The ion-neutral collision frequencies of all the species are combined through the momentum transfer collision frequency equation, and different percentages of electron-neutral collisions were artificially included for studying the implication of such increase in the zonal electric field, which resulted ranging from 0.13 to 0.49 mV/m between the 8 and 18 h (LT), under quiet magnetic conditions.     

磁纬10°以下哨声路径纬度和所需抬升因子积分中值的估算方法

本文采用国际地磁参考场(1980IGRF,n=8)磁力线经验公式和三层模式电离层,结合哨声波沿磁力线传播所需电子浓度的横向梯度,给出了磁纬10°以下哨声路径纬度和所需抬升因子积分中值的估算方法;从而得出:(1)哨声色散值D不仅与电离层N_mF2正相关,而且与h_mF2也有明显相关性.当路径纬度ф₉₀≤10.5°(IGRF,n=8,下同)时,D与h_mF2负相关;>12时,正相关;在10.5°—12°之间时,正或负相关取决于路径顶点高度与h_m之差值.估算表明,三亚(磁纬7.04°N)收到的哨声中路径纬度ф₉₀≤10.5。的占94.5%,D与h_mF2负相关,这与观测结果一致.(2)所需抬升因子积分中值一般在7—31%之间.      

太阳风状态参数的变化对地球磁鞘中磁场起伏特性的影响

本文利用MHD激波跳跃条件的精确解,具体讨论了行星际背景太阳风状态参数Alfvén马赫数M₁、等离子体β₁参数和磁场角θ₁的变化对地球磁鞘区中磁场起伏特性及其分布的影响.主要结果是:马赫数M₁的变化主要控制磁场起伏特性:放大倍数、相对起伏和各向异性程度的水准高低.磁场角θ₁的变化控制磁场起伏的空间分布特性.等离子体β₁参数的变化,不引起磁场起伏特性的明显变化(对于实际经常发生的情况M₁ 8而言).M₁、θ₁是强控制参数,而β₁是弱控制参数;磁鞘区磁场起伏对太阳风状态参数的变化响应呈现明显的晨-昏不对称性(行星际磁场位于黄道面时),响应主要发生在晨侧.晨侧的磁场起伏(或湍动)相当活跃,而昏侧相当稳定;磁鞘中不同地点磁场起伏特性对太阳风状态参数M₁、β₁的变化响应有大致相同的形式,而对其磁场角度θ₁的变化却有迥然不同的形式.      

1980年5月21日—22日耀斑后冕拱(Post-flare coronal arch)的加热机制和稳定性

本文提出了快撕裂模加热是1980年5月21日—22日耀斑后冕拱长达10多小时的有效加热机制。作者计算了撕裂模所提供的能量和相应的增长率,并讨论了该冕拱的MHD平衡和稳定性问题,主要结论如下:1.对5月21日冕拱,当密度取1.6×109cm-3（实测值）时,剪切宽度α_α=1.8×108cm（冕拱小半径的十分之一）剪切磁场为18—32×10-4T,所对应的增长率为1.79×10-5s-1—2.66×10-5s-1,不稳定的增长时间为15.5h—10.4h,这组解与观测到的冕拱存在10多小时相符。所以,撕裂模是冕拱合理的有效加热机制。2.该冕拱之所以维持10多小时之久,除撕裂模加热与辐射损失平衡外,在力学上必须处于平衡态,其平衡条件为B_φ（冕拱轴向磁场）=2B_θ（冕拱的环向场）,和气压梯度dp/dr大于零。若冕拱满足该力学平衡条件,则利用能量原理可得到该系统对腊肠扰动、扭曲扰动、螺旋扰动均是稳定的。      

质子地磁垂直截止刚度在2004年11月7-8日两个时刻处的数值模拟

利用单粒子轨道理论, 在T04和IGRF2000磁场模式建立的磁层模型基础上, 应用四阶龙格库塔方法, 模拟计算宇宙线带电质子在地球磁层中的运动以及沿天顶方向入射到达地球磁场内的某一特定位置, 得到了距地球表面450km高度处全球质子垂直截止刚度在2004年11月7-8日中两个时刻的计算值. 根据计算得到的684个不同位置处的截止刚度值, 分析了同一时刻地磁垂直截止刚度随磁纬和磁经的变化. 与此同时, 模拟计算了相同时刻下磁纬为30°, 磁经为0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°处, 地磁有效垂直截止刚度随高度的变化情况. 结果表明, 在磁纬30°处, 其质子有效垂直截止刚度随距离地心高度的变化沿向阳处向磁尾处方向, 变化越来越缓慢.