太陽活動(dòng)周近地軌道相對(duì)論電子觀測(cè)及結(jié)果研究.pdf

1、對(duì)地球輻射帶的觀測(cè)研究表明,電子輻射帶分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域:一個(gè)是內(nèi)輻射帶,內(nèi)輻射帶位于地面以上數(shù)百公里至地心距離2到2.5個(gè)地球半徑的區(qū)域內(nèi),另一個(gè)是外輻射帶,外輻射帶位于地心距離3個(gè)地球半徑到5至7個(gè)地球半徑的區(qū)域內(nèi),內(nèi)外帶之間的“槽區(qū)”極少存在捕獲電子。通常情況下內(nèi)輻射帶非常穩(wěn)定,而外輻射帶隨著磁層活動(dòng)經(jīng)常發(fā)生較大的變化,特別是能量大于1MeV的相對(duì)論電子對(duì)磁層的擾動(dòng)非常敏感,當(dāng)發(fā)生磁層擾動(dòng)時(shí),相對(duì)論電子的通量往往會(huì)出現(xiàn)數(shù)量級(jí)的

2、增長(zhǎng),這種現(xiàn)象就稱為相對(duì)論電子增強(qiáng)事件。由于能量極高,相對(duì)論電子能夠穿透表面材料,在航天器內(nèi)部充電,當(dāng)充電電位達(dá)到一定水平發(fā)生放電現(xiàn)象時(shí),可能造成航天器某些設(shè)備故障,甚至使航天器失效。因?yàn)橄鄬?duì)論電子極具破壞性,對(duì)相對(duì)論電子增強(qiáng)事件預(yù)報(bào),并采取針對(duì)性的防護(hù)措施具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義,所以相對(duì)論電子的來源、加速的促發(fā)因素和機(jī)制、增強(qiáng)事件本身的發(fā)生發(fā)展規(guī)律等都成為備受關(guān)注的空間物理課題。
　　 我國(guó)“風(fēng)云一號(hào)”衛(wèi)星運(yùn)行于太陽同步軌道上,安

3、裝于該星上的“空間粒子成分監(jiān)測(cè)器”對(duì)相對(duì)論電子進(jìn)行了長(zhǎng)期連續(xù)的觀測(cè),這是我國(guó)首次對(duì)近地軌道空間的相對(duì)論電子進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè),獲得了豐富的第一手?jǐn)?shù)據(jù),首次觀測(cè)到了長(zhǎng)壽命且強(qiáng)度劇烈的相對(duì)論電子增強(qiáng)現(xiàn)象。本文利用“風(fēng)云一號(hào)”衛(wèi)星將近一個(gè)太陽活動(dòng)周(1999年6月至2008年)的相對(duì)論電子觀測(cè)數(shù)據(jù),分析研究近地軌道的相對(duì)論電子增強(qiáng)事件,并以探究電子加速機(jī)制為目標(biāo),分析近地軌道電子觀測(cè)的方向性和能譜需求。
　　 分析觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),2004

4、年7月至2005年2月期間發(fā)生兩次劇烈相對(duì)論電子增強(qiáng)事件,兩次事件中相對(duì)論電子通量增長(zhǎng)超過3個(gè)數(shù)量級(jí),增強(qiáng)幅度極大。兩次事件的持續(xù)時(shí)間非常長(zhǎng),計(jì)算得到電子的“存活時(shí)間”分別達(dá)到24天和23天,是罕見的長(zhǎng)壽命事件。電子通量增長(zhǎng)的程度隨L值不同而不同,兩次事件的最大通量分別出現(xiàn)在Lmax～3.3和Lmax～3.0處,滿足相對(duì)論電子注入深度Lmax與|Dst|max的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系:|Dst|max=2.75×104/Lmax。為探討驅(qū)動(dòng)這種特殊事

5、件的因素和物理過程,本文分析了兩次事件同期的行星際和磁層磁場(chǎng)環(huán)境,結(jié)果表明:兩次增強(qiáng)事件發(fā)生前和事件的前期,行星際環(huán)境和地球磁場(chǎng)環(huán)境均處于強(qiáng)烈擾動(dòng)狀態(tài),Dst指數(shù)都具有連續(xù)擾動(dòng)的特征；強(qiáng)烈的行星際磁場(chǎng)南向擾動(dòng)和磁層亞暴是驅(qū)動(dòng)相對(duì)論電子增強(qiáng)的一個(gè)重要環(huán)境因素,劇烈的亞暴活動(dòng)向外輻射帶空間注入了大量的100keV～300keV亞暴電子,為相對(duì)論電子加速過程提供所需的“種子”；頻繁的太陽風(fēng)動(dòng)壓波動(dòng)可能是導(dǎo)致這兩次相對(duì)論電子劇烈增強(qiáng)事件的另一個(gè)

6、關(guān)鍵因?yàn)?對(duì)太陽風(fēng)動(dòng)壓的頻譜分析表明這些波動(dòng)分布在幾個(gè)離散的亞mHz頻率上,這可能激發(fā)出相同頻率的磁層振蕩,即磁層ULF波動(dòng),這些ULF波動(dòng)具有適當(dāng)?shù)牟?shù),能夠有效地將“種子”電子加速到相對(duì)論量級(jí)。
　　 對(duì)1999年6月至2008年期間“風(fēng)云一號(hào)”衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明:其間共發(fā)生相對(duì)論電子日平均通量峰值大于100cm-2·sr-1·s-1的增強(qiáng)事件51次,峰值大于400cm-2·sr-1·s-1的強(qiáng)增強(qiáng)事件14次,其中

7、有4次事件其日平均通量峰值大于1000cm-2·sr-1·s-1,最大通量峰值高達(dá)2600cm-2·sr-1·s-1。為分析增強(qiáng)事件與各種空間環(huán)境因素的關(guān)系,探討導(dǎo)致電子加速的因?yàn)楹蜋C(jī)制,本文對(duì)增強(qiáng)事件與同期的行星際和磁層磁場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究,結(jié)果表明:高速太陽風(fēng)和地磁暴是激發(fā)近地軌道相對(duì)論電子增強(qiáng)事件的必要條件,強(qiáng)度大的增強(qiáng)事件與太陽風(fēng)速度和|Dst|max指數(shù)的相關(guān)性明顯優(yōu)于強(qiáng)度低的事件,太陽風(fēng)速度越大、磁暴越強(qiáng),越傾向于激發(fā)強(qiáng)度大

8、的增強(qiáng)事件；但高速太陽風(fēng),甚至高速太陽風(fēng)伴隨強(qiáng)磁暴事件不一定能誘發(fā)相對(duì)論電子增強(qiáng),這表明高速太陽風(fēng)和強(qiáng)磁暴不是太陽同步軌道相對(duì)論電子增強(qiáng)事件的充分條件；磁暴恢復(fù)相持續(xù)的強(qiáng)亞暴活動(dòng)是近地軌道相對(duì)論電子通量增強(qiáng)的必要條件；南向行星際磁場(chǎng)與相對(duì)論電子通量增長(zhǎng)并沒有必然的聯(lián)系,在北向行星際磁場(chǎng)條件下,近地軌道的相對(duì)論電子通量仍可能大幅度增長(zhǎng),但日平均通量峰值大于1000cm-2·sr-1·s-1的劇烈增強(qiáng)事件都在行星際磁場(chǎng)持續(xù)南向或南北向劇烈翻

9、轉(zhuǎn)的條件下發(fā)生。
　　 對(duì)增強(qiáng)事件的統(tǒng)計(jì)研究還表明,外輻射帶的相對(duì)論電子環(huán)境具有隨11年太陽活動(dòng)周期變化的長(zhǎng)期特征:極大年向極小年過渡的時(shí)期是相對(duì)論電子增強(qiáng)事件的多發(fā)期,而且事件強(qiáng)度較大,使得這一時(shí)期外輻射帶的相對(duì)論電子通量水平最高；極大年也常有增強(qiáng)事件發(fā)生,但多為一般強(qiáng)度事件,相對(duì)論電子通量水平低于過渡時(shí)期。極小年發(fā)生的增強(qiáng)事件最少,相對(duì)論電子通量水平也最低。相對(duì)論電子環(huán)境的這一變化特征可能與11年周期中太陽活動(dòng)的不同特點(diǎn)相關(guān)

10、,在極大年太陽活動(dòng)以爆發(fā)性事件CME為主,時(shí)常引起強(qiáng)地磁暴活動(dòng),在過渡時(shí)期冕洞時(shí)常導(dǎo)致太陽風(fēng)高速流,驅(qū)動(dòng)行星際和磁層磁場(chǎng)的擾動(dòng)。這表明至少在相對(duì)論電子的加速方面,CME主導(dǎo)時(shí)期對(duì)地球空間的影響效果不如太陽風(fēng)高速流主導(dǎo)時(shí)期顯著。
　　 在電子加速機(jī)制方面還有很多未解決的問題,進(jìn)一步的研究需要開展更加細(xì)致的就位觀測(cè)。本文根據(jù)現(xiàn)實(shí)的科學(xué)需求,分析了近地軌道電子觀測(cè)的方向性和能譜需求。本文對(duì)近地軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星運(yùn)行過程中,衛(wèi)星朝天面、背

11、陽面和朝后面入射粒子的投擲角變化進(jìn)行仿真計(jì)算,根據(jù)仿真結(jié)果和電子投擲角分布特征提出了各安裝面的方向觀測(cè)需求,綜合三個(gè)觀測(cè)面的方向性分析表明,探測(cè)器要在各安裝面都滿足投擲角觀測(cè)要求,至少需要在0°、10°、20°、25°、35°、45°、70°、80°和90°共9個(gè)方向設(shè)計(jì)探測(cè)窗口。在能譜觀測(cè)方面,本文根據(jù)相對(duì)論電子事件中涉及的能量范圍,選擇出近地軌道研究相對(duì)論電子加速所需的第一不變量μ值,計(jì)算各μ值在不同投擲角條件下不同位置處對(duì)應(yīng)的能量