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太阳活动周近地轨道相对论电子观测及结果研究

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引言

第一章 辐射带粒子动力学及电子加速理论简介

1.1. 辐射带粒子动力学

1.2. 辐射带高能电子的起源

1.3. 相对论电子的加速机制

第二章 探测仪器及观测数据预处理

2.1. 风云一号卫星及空间粒子成分监测器

2.2. 观测数据预处理

第三章 近地轨道相对论电子增强现象及数据分析

3.1. 近地轨道相对论电子增强现象

3.2. 数据选用及分析

第四章 长寿命相对论电子剧烈增强事件

4.1. 2004年7月事件

4.2. 2004年11月事件

4.3. 事件分析

4.4. 小结

第五章 相对论电子增强事件的统计分析

5.1. 相对论电子增强事件统计

5.2. 相对论电子增强事件与高速太阳风背景

5.3. 地磁暴活动对相对论电子增强事件的影响

5.4. 相对论电子增强事件与行星际磁场和磁层亚暴

5.5. 太阳活动周辐射带相对论电子长期变化

5.6. 小结

第六章 近地轨道电子观测需求分析及建议

6.1. 相空间密度对不同加速机制的响应

6.2. 相空间密度的计算

6.3. 多方向观测

6.4. 能谱观测

6.5. 小结

第七章 总结和展望

参考文献

博士学习期间发表和完成的论文

致谢

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摘要

对地球辐射带的观测研究表明,电子辐射带分为两个相对独立的区域:一个是内辐射带,内辐射带位于地面以上数百公里至地心距离2到2.5个地球半径的区域内,另一个是外辐射带,外辐射带位于地心距离3个地球半径到5至7个地球半径的区域内,内外带之间的“槽区”极少存在捕获电子。通常情况下内辐射带非常稳定,而外辐射带随着磁层活动经常发生较大的变化,特别是能量大于1MeV的相对论电子对磁层的扰动非常敏感,当发生磁层扰动时,相对论电子的通量往往会出现数量级的增长,这种现象就称为相对论电子增强事件。由于能量极高,相对论电子能够穿透表面材料,在航天器内部充电,当充电电位达到一定水平发生放电现象时,可能造成航天器某些设备故障,甚至使航天器失效。因为相对论电子极具破坏性,对相对论电子增强事件预报,并采取针对性的防护措施具有非常现实的意义,所以相对论电子的来源、加速的促发因素和机制、增强事件本身的发生发展规律等都成为备受关注的空间物理课题。
　　 我国“风云一号”卫星运行于太阳同步轨道上,安装于该星上的“空间粒子成分监测器”对相对论电子进行了长期连续的观测,这是我国首次对近地轨道空间的相对论电子进行长期连续观测,获得了丰富的第一手数据,首次观测到了长寿命且强度剧烈的相对论电子增强现象。本文利用“风云一号”卫星将近一个太阳活动周(1999年6月至2008年)的相对论电子观测数据,分析研究近地轨道的相对论电子增强事件,并以探究电子加速机制为目标,分析近地轨道电子观测的方向性和能谱需求。
　　 分析观测数据发现,2004年7月至2005年2月期间发生两次剧烈相对论电子增强事件,两次事件中相对论电子通量增长超过3个数量级,增强幅度极大。两次事件的持续时间非常长,计算得到电子的“存活时间”分别达到24天和23天,是罕见的长寿命事件。电子通量增长的程度随L值不同而不同,两次事件的最大通量分别出现在Lmax～3.3和Lmax～3.0处,满足相对论电子注入深度Lmax与|Dst|max的经验关系:|Dst|max=2.75×104/Lmax。为探讨驱动这种特殊事件的因素和物理过程,本文分析了两次事件同期的行星际和磁层磁场环境,结果表明:两次增强事件发生前和事件的前期,行星际环境和地球磁场环境均处于强烈扰动状态,Dst指数都具有连续扰动的特征；强烈的行星际磁场南向扰动和磁层亚暴是驱动相对论电子增强的一个重要环境因素,剧烈的亚暴活动向外辐射带空间注入了大量的100keV～300keV亚暴电子,为相对论电子加速过程提供所需的“种子”；频繁的太阳风动压波动可能是导致这两次相对论电子剧烈增强事件的另一个关键因为,对太阳风动压的频谱分析表明这些波动分布在几个离散的亚mHz频率上,这可能激发出相同频率的磁层振荡,即磁层ULF波动,这些ULF波动具有适当的波模数,能够有效地将“种子”电子加速到相对论量级。
　　 对1999年6月至2008年期间“风云一号”卫星观测数据的统计分析表明:其间共发生相对论电子日平均通量峰值大于100cm-2·sr-1·s-1的增强事件51次,峰值大于400cm-2·sr-1·s-1的强增强事件14次,其中有4次事件其日平均通量峰值大于1000cm-2·sr-1·s-1,最大通量峰值高达2600cm-2·sr-1·s-1。为分析增强事件与各种空间环境因素的关系,探讨导致电子加速的因为和机制,本文对增强事件与同期的行星际和磁层磁场环境进行统计研究,结果表明:高速太阳风和地磁暴是激发近地轨道相对论电子增强事件的必要条件,强度大的增强事件与太阳风速度和|Dst|max指数的相关性明显优于强度低的事件,太阳风速度越大、磁暴越强,越倾向于激发强度大的增强事件；但高速太阳风,甚至高速太阳风伴随强磁暴事件不一定能诱发相对论电子增强,这表明高速太阳风和强磁暴不是太阳同步轨道相对论电子增强事件的充分条件；磁暴恢复相持续的强亚暴活动是近地轨道相对论电子通量增强的必要条件；南向行星际磁场与相对论电子通量增长并没有必然的联系,在北向行星际磁场条件下,近地轨道的相对论电子通量仍可能大幅度增长,但日平均通量峰值大于1000cm-2·sr-1·s-1的剧烈增强事件都在行星际磁场持续南向或南北向剧烈翻转的条件下发生。
　　 对增强事件的统计研究还表明,外辐射带的相对论电子环境具有随11年太阳活动周期变化的长期特征:极大年向极小年过渡的时期是相对论电子增强事件的多发期,而且事件强度较大,使得这一时期外辐射带的相对论电子通量水平最高；极大年也常有增强事件发生,但多为一般强度事件,相对论电子通量水平低于过渡时期。极小年发生的增强事件最少,相对论电子通量水平也最低。相对论电子环境的这一变化特征可能与11年周期中太阳活动的不同特点相关,在极大年太阳活动以爆发性事件CME为主,时常引起强地磁暴活动,在过渡时期冕洞时常导致太阳风高速流,驱动行星际和磁层磁场的扰动。这表明至少在相对论电子的加速方面,CME主导时期对地球空间的影响效果不如太阳风高速流主导时期显著。
　　 在电子加速机制方面还有很多未解决的问题,进一步的研究需要开展更加细致的就位观测。本文根据现实的科学需求,分析了近地轨道电子观测的方向性和能谱需求。本文对近地轨道三轴稳定卫星运行过程中,卫星朝天面、背阳面和朝后面入射粒子的投掷角变化进行仿真计算,根据仿真结果和电子投掷角分布特征提出了各安装面的方向观测需求,综合三个观测面的方向性分析表明,探测器要在各安装面都满足投掷角观测要求,至少需要在0°、10°、20°、25°、35°、45°、70°、80°和90°共9个方向设计探测窗口。在能谱观测方面,本文根据相对论电子事件中涉及的能量范围,选择出近地轨道研究相对论电子加速所需的第一不变量μ值,计算各μ值在不同投掷角条件下不同位置处对应的能量值,结果表明:在近地轨道上,随磁场强度增强,需要观测的能量升高；投掷角取值越小,需要观测的能量越大。为满足计算μ值的需求,需要对20keV至15MeV的电子通量进行观测。

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