磁层相对论电子通量增强事件的观测和理论研究

论文题目: 磁层相对论电子通量增强事件的观测和理论研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 空间物理学

作者: 李柳元

导师: 曹晋滨

关键词: 磁暴,亚暴,相对论电子,哨声模湍流,压缩湍流,波粒共振

文献来源: 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）

发表年度: 2005

论文摘要: 当日冕物质抛射/磁云（CME/MC）、共转相互作用区（CIR）、行星际激波（IS）、太阳风高速流( V SW≥500km.s-1)或南向行星际磁场作用地球磁层时,磁层中常常会产生磁暴/亚暴活动和各种等离子体波活动。在此期间,外辐射带（ 3 ≤L ≤7）中的高能电子通量会出现显著的变化。典型地,在磁暴主相期间,相对论电子（能量大于1MeV）的通量减小;在磁暴恢复相期间,相对论电子的通量出现不同程度的增长。但是,只有在一部分磁暴恢复相期间,相对论电子的通量才能增长到超过暴前水平的10 103倍,这种现象通常叫做磁层相对论电子通量增强事件。由于这种高能量电子的高通量在磁层中持续时间很长,它可以造成了卫星的深层充电,从而使卫星工作异常甚至完全毁坏。所以对磁层相对论电子的来源、加速、相对论电子的通量增强事件的发生和发展规律的研究具有非常重要的意义,它可以为预报这种灾害性空间天气事件提供可靠的理论依据。为了更清楚地认识磁层相对论电子通量的变化规律、相对论电子通量增强事件产生的行星际扰动条件和地磁条件。本文联合分析了ACE 飞船、GOES10 和LANL卫星在2003 年7～8 月和10～11 月期间对行星际总磁场、行星际磁场南北向分量、太阳风速度和太阳风高能电子通量的变化、地球同步轨道高度相对论电子通量变化的测量数据以及日本Kyoto 地磁数据中心给出的Dst 指数和AE 指数的变化情况。数据分析结果发现:（1）磁暴期间磁层相对论电子通量的变化与太阳风中的高能电子通量变化没有一对一的关系,即使太阳风中的高能电子（ 38 315keV）通量值为零,外辐射带中也会发生相对论电子通量增强事件;相反,即使太阳风中的高能电子通量出现巨大的增长,磁层相对论电子通量值也会衰减到零附近,这说明磁层相对论电子通量增强事件的爆发跟太阳风高能电子增长事件没有关系。（2）磁层相对论电子通量增强事件和磁暴并不是一对一的关系。磁暴期间Dst 绝热效应是造成磁层相对论电子通量主相下降和恢复相上升的一个重要因素。但是在磁暴恢复相期间,相对论电子通量的增强与否与磁暴强弱或其恢复相长短无关。（3）在有磁层相对论电子通量增强事件爆发的磁暴主相和恢复相期间,行星际磁场通常有持续几天的南向分量,同时,太阳风速度一直保持在500km.s-1以上,直到磁暴活动结束。（4）能量低于300keV 电子的通量在磁暴主相期间就会增长,这可能是磁层压缩或亚暴活动注入电子造成的结果;磁暴恢复相期间,能量低于300keV 的亚暴电子的通量越高,相对论电子的通量越高,反之,相对论电子的通量越低。已有的观测研究说明,外辐射带相对论电子通量增长是全球性的,相对论电子通量的峰值在L =45附近;而且在伴随有相对论电子通量增强事件的磁暴/亚暴期间,磁层中常常观测哨声模波或低频快模波（即频率在Pc4 至Pc5 范围内的压缩ULF 波）活动。这说明磁层相对论电子通量增长事件可能主要由磁层当地的一些波-粒共振相互作用过程（非绝热加速）造成的。为了验证这些波对电子加速的可能性和加速能力,我们在准线性理论近似下对波-粒共振相互作用的动量扩散方程（即Fokker-Planck 方程）进行了数值计算。计算结果反映了磁暴/亚暴过程中可能出现的三种情况: 首先,当磁暴/亚暴过程中缺乏压缩ULF 湍流（低频快模波）或者在磁层中

论文目录:

引言

第一章磁层相对论电子通量增强事件及其特征

1.1 带电粒子在磁场中的运动和捕获辐射带

1.2 磁层相对论电子通量增强事件及其危害

1.3 磁层中相对论电子的空间分布及地方时变化

1.4 相对论电子的投掷角分布及其演化

1.5 磁暴期间相对论电子的相空间密度变化

第二章磁层相对论电子的来源和加速过程

2.1 磁层相对论电子的来源

2.1.1 木星电子源模式

2.1.2 太阳能量电子源模式

2.1.2 地球磁层电子的内源模式

2.2 磁暴期间外辐射带电子能谱的变化

2.3 磁层中电子的加速过程

2.3.1 低能电子的绝热加速

2.3.2 绝热加速的增强(漂移共振加速)

2.3.3 非绝热加速机制(波-粒共振相互作用)

第三章磁层相对论电子通量变化与磁暴/亚暴的关系

3.1 卫星测量仪器和数据性质

3.2 相对论电子通量变化的行星际和地磁条件

3.3 小结

第四章磁层哨声模湍流对电子的加速

4.1 磁层中的哨声模湍流

4.2 总电子的初始动量分布及波-粒共振条件

4.2.1 亚暴注入“种子电子”后总电子的初始动量分布

4.2.2 波-粒回旋共振条件

4.3 电子的动量扩散方程

4.4 数值计算结果

4.4.1 计算参数

4.4.2 波-电子共振后电子的动量分布

4.5 加速后相对论电子的增加情况

4.6 小结

第五章磁层压缩超低频湍流对电子的加速

5.1 磁层ULF 波扰动与相对论电子通量增长的关系

5.2 磁层压缩ULF 湍流的性质和渡越时间加速机制

5.3 电子的动量扩散方程

5.4 数值计算结果

5.4.1 计算参数

5.4.2 动量扩散后电子的动量分布函数

5.4.3 动量扩散后增加的相对论电子数比率

5.5 小结

第六章磁层哨声模湍流和压缩超低频湍流对电子的复合加速

6.1 1997 年1 月10 日哨声模波和压缩ULF 波的观测

6.2 电子的动量扩散方程和复合加速

6.3 磁层中不同的湍流对电子的不同加速

6.4 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

发布时间: 2005-09-09

参考文献

[1].由多颗卫星ENA成像反演磁层环电流离子分布[D]. 颜伟男.武汉大学2015
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[3].日侧磁层顶磁重联过程的卫星和地面联合观测研究[D]. 张清和.西安电子科技大学2008
[4].地球磁层顶通量传输事件的轴向研究[D]. 李照宇.中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)2017
[5].磁层顶位形的全球磁流体力学模拟研究[D]. 刘子谦.中国气象科学研究院2013

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