太阳宇宙线的传播效应(Ⅱ)——峰值谱的传播改正

根据太阳宇宙线传播方程的量纲分析解, 讨论了传播对宇宙线事件峰值谱的影响, 着重指出对其进行传播改正的重要性。太阳风对流是低能谱变坦的可能原因之一, 在一定条件下, 幂律型发射谱可以变成指数型观测谱, 动能幂律谱也可以变成刚度幂律谱。能谱的幂指数随源耀斑的磁方位角而增加, 分布有明显的东西不对称性。进一步对第20周的相对论性太阳质子事件进行传播改正, 求出发射谱, 其中有些可表达成统一指数的幂律谱, 有些仍有低能段趋坦现象。      

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.      

基于PCA方法对太阳活动区主要参量的分析

太阳耀斑与太阳质子事件的发生通常与太阳活动区存在非常密切的关系, 对这种关系的深入分析有助于太阳耀斑和太阳质子事件预报模型的建立. 本文利用主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)方法对1997-2010年太阳质子事件所在活动区的主要参量进行分析, 选取的参量包括黑子磁分类、 McIntosh分类、太阳黑子群面积、10.7 cm射电流量、耀斑指数、质子耀斑位置和软X射线耀斑强度. 结果得到81个太阳活动主成分得分值排序(得分值代表每个事件的强弱), 与太阳质子事件峰值流量、太阳黑子年均值以及10.7 cm射电流量年均值的对比显示相似度非常高, 表明主成分得分值一定程度上可以反映太阳活动的强弱规律.      

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.      

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.      

太阳耀斑预警卫星设想

太阳耀斑发出的高能粒子流(质子)时常中断地球及卫星的无线电通信。1989年3月的太阳耀斑干扰了气象卫星和通信卫星的工作,使地球磁场产生磁暴,造成加拿大和瑞典的停电,中断了电话、导航和高频无线电通信,单是加拿大断电9小时就造成30～60亿美元的损失。法国科学家提议建立太阳耀斑空间早期警报网。这个警报网利用能量在10～100兆电子伏的质子流运动比电磁波慢得多的特点。所以,理论上在离太阳较近的空间飞行器能探测到它并用无线电波向地面报警,无线电波将比质子流起码抢先10分钟,时常领先50分钟到达地球。这样,卫星关闭开关,预     

太阳高能粒子事件强度与相关双CME事件关系的两个事例

太阳高能粒子事件常伴随太阳耀斑和日冕物质抛射事件(Coronal Mass Ejections,CME)出现,由于太阳高能粒子事件的关键因素是双CME的相互作用,利用SOHO卫星观测的高能粒子强度、耀斑强度以及CME的相对高度与时间,通过高度与时间拟合得到的速度,分析了2001年4月15日和2005年1月20日的太阳高能粒子事件强度与相关双CME事件的关系,发现这两个太阳高能粒子事件中E ≥ 10MeV质子的强度与双CME事件无关.因此在这两次太阳高能粒子事件早期,E ≥ 10MeV质子的强度只与相关太阳耀斑和CME有关.      

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.      

基于集成学习的太阳质子事件短期预报方法

太阳质子事件是一种由太阳活动爆发时喷射并传播到近地空间的高能粒子引起的空间天气现象。这些高能粒子会对航天器和宇航员产生严重危害,对太阳质子事件进行准确的短期预报是航天活动灾害预防的重要内容。针对当前主要预报模型中普遍存在的高虚报率问题,提出了一种基于集成学习的太阳质子事件短期预报方法,利用第23个太阳活动周数据,建立了一种集成8种机器学习模型的太阳质子事件短期预报系统。实验结果表明,本文方法在取得了80.95%的报准率的同时,将虚报率降低至19.05%,相比现有的预报系统具有较为明显的优势。      

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.      

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.      

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.      

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。      

单流体二维太阳风结构的磁流体力学模拟

在添加动量项的条件下，对单流体二维磁流体力学方程组进行模拟，得到了子午面上的太阳风结构，结果表明，添加动量项的形式及其被加入的位置对远区太阳风速度和质子密度有重要的影响。本文在适当的区域加入合适的动量项得出了远区太阳风速和质子密度与Ulysses观测基本符合的结果。文中给出了较合适的动量添加区域为3.5-10Rs(Rs为太阳半径）。     

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。      

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.      

“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。     

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.      

低能质子对卫星热控涂层太阳吸收率的影响

空间低能质子由于沉积能量在表层对卫星外露热控涂层太阳吸收率参数有较大影响,文章首次对地球同步轨道卫星6种热控涂层进行低能质子辐照试验研究,试件是S781有机白漆、SR107-ZK有机白漆、ACR-1有机白漆、OSR二次表面镜、F46二次表面镜和Kapton二次表面镜。试验采用能量48keV的质子,在真空条件下累积辐照360h,累计注量达到2×10~(15)p/cm~2。在辐照过程中原位测量热控涂层的太阳吸收率参数。这些热控涂层的太阳吸收率参数都有不同程度的明显上升。其中,有机白漆类热控涂层的太阳吸收率参数上升最快,其次是塑料薄膜类热控涂层(F46二次表面镜和Kapton二次表面镜),最稳定的是玻璃类热控涂层(OSR二次表面镜)。对试验前后试件的SEM分析和XPS分析表明,热控涂层中的颜料结构和聚合物结构在辐照下发生变化,形成不饱和链发色团和色心,使原来透明聚合物和高反射的颜料对太阳光产生吸收,从而引起热控涂层太阳吸收率参数上升。