上游太阳风中高能电子向同步轨道区的传输

通常认为，同步轨道区的电子通量增加是由于磁暴或者上游太阳风高速流的扰动所引起．近来的观测表明，起源于太阳活动的行星际高能电子也是引起同步轨道电子通量增加的重要原因之一．Zhao等在研究2000年7月14日太阳剧烈活动时发现，同步轨道区相对论电子通量巨幅增加时没有观察到上游太阳风高速流的扰动，并且磁暴发生在电子通量事件之后．采用解析磁场模型和实际磁场模型(T96模型)模拟来自太阳的相对论电子在磁尾中的运动特性．计算结果表明，当行星际磁场南向时，进入到磁尾的行星际相对论电子可以从较远的磁尾区域运动到同步轨道区域．这一研究结果从理论上论证了起源于太阳活动的高能电子可以对同步轨道区相对论电子通量的增加产生重要的作用．     

地球同步轨道相对论电子微分通量的动态预报模型

地球同步轨道区域充满能量高达MeV的高能电子,其对航天器威胁极大.电子微分通量预报有助于及时有效地预警高能电子事件,降低高能电子对航天器造成的危害.本文以此为背景提出了一种基于经验正交函数（EOF）方法的地球同步轨道相对论电子微分通量预报模型.该模型利用太阳风参数及地磁指数拟合后一天的电子通量EOF系数,结合EOF基函数给出后一天中大于2MeV电子微分通量预报.对2003年1月至2006年6月的样本测试结果表明,该模型可以重构出电子微分通量的真实变化,给出较好的5min微分通量预报,其平均预报效率达到67%左右.      

低轨道中等能量电子对地磁扰动的响应

低轨道高度上能量电子通量变化与地磁扰动程度密切相关.利用我国资源2号(ZY-2)03星空间环境监测分系统在轨工作期间所获得的能量电子探测数据,以及美国NOAA-15,NOAA-16,NOAA-17三颗卫星中等能量电子探测器自1998年以来积累的太阳同步轨道中等能量电子探测数据,结合地磁活动观测数据,对低轨道高度上中等能量电子对地磁扰动的响应特性进行了统计分析.结果表明,该区域的中等能量电子通量在磁暴、磁层亚暴期间有显著增强,增幅大小与地磁活动程度呈正相关关系,强磁暴期间增幅可达一个数量级左右,在响应时间上存在电子通量变化滞后于磁扰的时间特性.      

三维试验粒子轨道法在磁层粒子全球输运中的应用

根据磁层粒子动力学理论, 通过偶极磁场模型验证利用三维试验粒子轨道方法模拟近地球区(r < 8R_e)带电粒子运动特征的可靠性. 在此基础上, 以太阳风和磁层相互作用的全球MHD模拟结果为背景, 利用三维试验粒子轨道方法, 对非磁暴期间南向行星际磁场背景下太阳风离子注入磁层的情形进行数值模拟, 并对北向行星际磁场背景下太阳风离子注入极尖区以及内磁层的几种不同情形进行了单粒子模拟. 模拟结果反映了南向和北向行星际磁场离子向磁层的几种典型输入过程, 揭示出行星际磁场南向时太阳风粒子在磁层内密度分布的晨昏不对称性以及其在磁鞘和磁层内的大致分布, 并得出统计规律. 模拟结果与理论预测和观测结论相一致, 且通过数值模拟发现, 行星际磁场北向时靠近极尖区附近形成的非典型磁镜结构对于能量粒子经由极尖区注入环电流区域过程有重要的影响和作用.      

基于经验模态分解的地球同步轨道高能电子通量预报

在磁暴恢复相期间,大量相对论(高能)电子从磁层的外辐射带渗透到地球同步轨道区.其中> 2 MeV的高能电子能够穿透卫星表面并聚积在材料内部,导致卫星无法正常运行或完全损坏.磁暴期间的高能电子通量变化的非平稳与非线性特征十分明显.通过实验发现,经验模态分解法能够极大地降低高能电子通量非平稳性问题造成的预报影响.以2008-2009年的数据作为训练集,2010-2013年数据作为测试集.结果表明:2010-2013年的预报率约为0.84;在太阳活动较为复杂的2013年,预报率达到0.81.引入经验模态分解后预报效率得到显著提高.     

基于支持向量机方法的地球同步轨道相对论电子事件预报模型研究

提出了一种基于支持向量机方法(SVM)的地球同步轨道相对论电子事件预报模型. 模型以平均影响值(MIV)作为指标, 筛选出预报输入参量. 这些参量包括, 前一日的大于2MeV电子日积分通量、太阳风速度、太阳风密度、Dst指数和前二日的AE指数. 模型包含回归和分类两个部分, 可以分别对未来一天的电子日积分通量和相对论电子事件强度的级别做出预报. 对2008年样本进行测试, 在相对论电子通量的预报中, 预报值和实测值之间的线性相关系数为0.85, 预报效率为0.71; 对相对论电子事件级别预报的准确率为82%, 可以较准确区分开事件状态与非事件状态. 结果表明, SVM预报模型对相对论电子事件有较好的预报效果.      

磁层压缩ULF湍流对电子的加速

在准线性理论下,磁层压缩 ULF(超低频)湍流可以通过“渡越时间加速”机制使电子增加能量．典型的压缩 ULF 湍流的频率为2—15mHz,被加速的源电子为同步轨道附近的背景电子(E＜30keV)和亚暴注入电子(30—300 keV)．当发生波粒共振时,低能电子数减少,而高能尾部分的相对论(E≥1 MeV)电子数增加,这说明电子得到了压缩湍流的有效加速,且亚暴注入的电子数越多,其加速产生的相对论电子数也越多．在亚暴注入率ε=0.5的情况下,这种加速机制只要约12h 就可以造成同步轨道附近相对论电子数量的显著增加．     

行星际激波对地球磁层的压缩效应分析

2004 年11月9日WIND飞船探测到一个典型的行星际激波. 激波前行星际磁场为持续约50 min的弱南向磁场, 越过激波面, 磁场发生北向偏转且太阳风动压脉冲增强. 在此强动压脉冲增强结构作用下, 磁层被压缩至一个很小的区域. 激波作用于磁层时引起地球同步轨道 各区域高能粒子通量的响应, 但是不同磁地方时的高能粒子通量的响应不同, 表现出双模式扰动, 即在晨昏两侧各能段的电子和质子通量显著增强, 在子夜侧发生类似于亚暴的无色散粒子注入现象. 扰动从向阳面传输到背阳面, 向阳面粒子通量最先增强, 随后背阳面靠近晨昏两侧, 粒子通量开始增强, 最后子夜侧粒子通量表现出无色散高能粒子注入的特点. 另外, 在靠近正午侧, 质子通量先于电子通量发生响应, 在子夜侧电子通量则先于质子通量发生响应. 利用位于向阳面正午两侧的GOES-10 和 GOES-12卫星观测数据发现, 激波作用于磁层时靠近晨侧的磁场变化表现出简单压缩效应, 而靠近昏侧的磁场变化则显然不同, Bx分量减弱, Bz分量几乎减为零, 而By分量则显著增强. 此外, 位于近地磁尾低纬尾瓣区的TC-1卫星观测到激波触发的尾瓣SI现象.      

哨声模合声波与地球同步轨道高能电子通量增强事件事例研究

局部加速机制是磁暴期间地球外辐射带高能电子通量增强事件发生的重要原 因. 此加速机制需要两个基本条件, 一是存在种子电子, 二是存在能与种子 电子产生共振的加速波动, 包括哨声模合声波. 通过对2004-2006年 Pi1地磁脉动持续时间与种子电子通量的相关性分析, 更明确提出Pi1地磁脉 动的持续时间可以作为种子电子通量的指示剂. 通过对三个磁暴事例地球同 步轨道的种子电子通量、高能电子通量及哨声模合声波变化情况的分析, 发 现在高能电子通量较强的事例中, 均观测到较高的种子电子通量和较强的 哨声模合声波, 这在一定程度上验证了哨声模合声波对种子电子的回旋加速 机制, 且合声波强度与高能电子通量有正的相关性.      

中地球轨道高能电子辐射环境特性分析

采用中国中地球轨道卫星在太阳活动下降相到上升相的高能电子探测数据, 首次分析研究了该轨道高能电子环境的空间分布、通量强度、时序变化以及对地磁暴活动响应的特性. 结果表明, 中地球轨道高能电子的空间分布 范围稳定, 电子通量强度随能量升高而下降; 中地球轨道高能电子环境是 一个在不同时间尺度上剧烈变化的动态系统, 该系统可能间歇性地出现27天重 现性变化, 该系统变化受地磁暴事件调制, 但其对磁暴的响应呈现出非线性特征.      

强磁暴、能量粒子暴与热层大气密度涨落之间的相关关系

利用1997-2007年由GOES8, GOES11和GOES12星载高能粒子探测器在地球同步轨道高度上所探测到的高能质子和高能电子通量探测数据以及高度560km左右星载大气密度探测器所得的热层大气密度探测数据, 统计分析了强地磁扰动、高能粒子通量跃变和热层大气密度涨落之间的相关关系, 初步获得强地磁扰动期间, 地球同步轨道(外辐射带外环)均出现了增幅大于三个数量级的高能质子通量(尤其是E>1MeV)强增强现象, 随后热 层大气密度强烈上涨, 表明三者之间是正相关关系. 在时间上地球同步轨道高能质子通量强增强现象先于日均Ap值(地磁活动程度)上涨约一天左右, 而热层大气密度强涨落现象又明显滞后于强地磁扰动事件.      

使用地磁脉动参数定量预报地球同步轨道相对论电子通量的建模研究

磁层超低频波(ULF波)对种子电子的加速机制是磁层相对论电子产生的一个重要机制, 而地磁脉动参数可以作为此机制的有效指标. 本文采用地磁脉动参数作为输入参数, 借鉴线性预测滤波器技术, 构建一个多参量非线性函数, 进而利用此函数以及卡尔曼滤波技术, 建立一个地球同步轨道相对论电子通量日积分值预报模式, 提供提前一天的预报值. 使用2004年数据对该模式进行训练, 预报结果的预报效率为0.73, 线性相关系数为0.85. 使用2005-2006年的数据对该模式进行测试, 预报值与实测值之间的线性相关系数为0.83, 预报效率为0.69, 相比Persistence模式具有较大提升, 与仿REFM模式的预报效率相当      

Qualitative estimation of magnetic storm efficiency in producing relativistic electron flux in the Earth’s outer radiation belt using geomagnetic pulsations data

It is well known that during many but not all of the geomagnetic storms enhanced fluxes of high-energy electrons are observed in the outer radiation belt. Here we examine relativistic (>2 MeV) electron fluxes measured by GOES at the synchronous orbit and on-ground observations of two types of ULF pulsations during 30 magnetic storms occurred during 1996–2000. To characterize the effectiveness of the chosen magnetic storms in producing relativistic electron fluxes, following to (Reeves, G.D., McAdams, K.L., Friedel, R.H.W., O’Brien, T.R. Acceleration and loss of relativistic electrons during geomagnetic storms. Geophys. Res. Lett. 30, doi:10.1029/2002GL016513, 2003), we calculate a ratio of the maximum daily-averaged electron flux measured during the recovery phase, to the mean pre-storm electron flux. A storm is considered an effective one if its ratio exceeds 2. We compare behavior of Pi1 and Pc5 geomagnetic pulsations during effective and non-effective storms and find a tendency for a storm efficiency to be higher when the mid-latitude Pi1 pulsations are observed for a long time during the magnetic storm main phase. We note also that the prolonged powerful Pc5 pulsation activity during the recovery phase of a magnetic storm is the necessary condition for the storm effectiveness. To interpret the found dependences, we suggest that there are two prerequisites for generating relativistic electron populations during a storm: (1) the availability of seed electrons in the magnetosphere, and Pi1 emissions are indicators of the mid-energy electron interaction with the ionosphere and (2) acceleration of the seed electrons to MeV energies, and interaction of electrons with the MHD wave activity in the Pc5 range is one of the most probable mechanisms proposed in the literature for this purpose.     

由高能电子引发的风云二号C星跳变事件概率分析

通过对地球同步轨道高能电子监测数据(来自GOES)与风云二号卫星跳变事件的对比分析发现, 跳变事件均发生在高能电子增强事件即所谓高能电子暴期间, 因此初步断定, 跳变事件与高能电子引起的卫星介质深层充放电事件有关. 通过对不同通量高能电子增强事件期间所发生的跳变事件发生率进行量化计算, 给出跳变事件发生概率的计算方法, 为卫星在轨运行管理及防护提供参考.      

X-ray, γ-emission and energetic particles in near-Earth space as measured by CORONAS-F satellite: From maximum to minimum of the last solar cycle

The Russian solar observatory CORONAS-F was launched into a circular orbit on July 31, 2001 and operated until December 12, 2005. Two main aims of this experiment were: (1) simultaneous study of solar hard X-ray and γ-ray emission and charged solar energetic particles, (2) detailed investigation of how solar energetic particles influence the near-Earth space environment. The CORONAS-F satellite orbit allows one to measure both solar energetic particle dynamics and variations of the solar particle boundary penetration as well as relativistic electrons of the Earth’s outer radiation belt during and after magnetic storms. We have found that significant enhancements of relativistic electron flux in the outer radiation belt were observed not only during strong magnetic storms near solar maximum but also after weak storms caused by high speed solar wind streams. Relativistic electrons of the Earth’s outer radiation belt cause volumetric ionization in the microcircuits of spacecraft causing them to malfunction, and solar energetic particles form an important source of radiation damage in near-Earth space. Therefore, the present results and future research in relativistic electron flux dynamics are very important.     

Topology of the high latitude magnetosphere during large magnetic storms and the main mechanisms of relativistic electron acceleration

One of the main endeavors of the “Space Weather” program is the prediction of the appearance of very large fluxes of relativistic electrons with energies larger than 1 MeV, because they represent a serious potential hazard for satellite missions. Large fluxes of relativistic electrons are formed in the outer radiation belt during the recovery phase of some storms. The formation of large fluxes is connected to a balance between the acceleration and loss processes. A two-step acceleration process is ordinarily analyzed. A “Seed” population with energies ∼hundreds of keV appeared during expansion phase of magnetospheric substorm. A “Seed” population is additionally accelerated obtaining relativistic energies by some other process. Several acceleration mechanisms have been proposed for the explanation of the electron acceleration, including radial diffusion and internal acceleration by wave-particle interactions. Nevertheless, none of them takes into account great changes of magnetospheric topology during a magnetic storm. Such changes are mainly connected with asymmetric and symmetric ring current development. We analyze the changes of magnetospheric topology during magnetic storms. We show that a change of the magnetospheric magnetic field can be the important factor determining the acceleration of relativistic electrons.     

地球同步轨道高能电子通量预报方法研究

统计分析了GOES卫星测量得到的E > 2MeV能道电子通量与地磁Ap指数及太阳风数据的关系, 构建了基于径向基函数RBF的神经网络模型框架, 对GOES-12卫星所处的地球同步轨道高能电子通量进行提前1天的预报, 其对2008-2010年数据预测的效果较好. 另外, 发现在GOES-12卫星观测的E >2MeV能道高能电子达到108 cm-2·d-1·sr-1以上时, FY-2D卫星的测量数据同时达到108 cm-2·d-1·sr-1以上的比例达到90%左右. 通过对FY-2D卫星E >2MeV能道电子通量与GOES卫星E>2MeV电子通量的相关性分析, 建立了FY-2D卫星高能电子预报模型, 预报结果与实测通量符合较好.