磁暴时合声波驱动的外辐射带高能电子通量的增强的研究

论文摘要

辐射带是地球磁层中重要区域之一,磁暴期间辐射带高能粒子通量的增强对航天器、宇航员和地面输电系统造成严重的威胁。因此研究辐射带中高能粒子通量的演化具有重大意义。目前研究工作表明波-粒子相互作用使电子加速是辐射带高能电子通量的上升的主要原因之一。ULF波与电子产生漂移共振导致高能电子加速的时间尺度为几十分钟至几个小时之间,而合声波与电子产生回旋共振使电子加速导致高能电子通量增强的时间尺度为半天至几天之间。而观测表明在多数的磁暴事件下电子通量上升的时间尺度为数天,这与合声波加速电子导致高能电子通量上升的观点相符合。本文利用SAMPEX、GOES-10和NOAA-14卫星的观测数据研究了2002年9月28日至10月8日强磁暴期间外辐射带高能电子及种子电子通量的演化。SAMPEX和GOES-10两颗卫星的观测结果均显示,在磁暴恢复相期间,高能电子通量呈现出显著的增强,于10月6日达到最大值. SAMPEX卫星在L=3.5处观测到1.5-14MeV和2.5-14MeV两个能量通道的电子通量的最大值为6×102 cm-2s-1sr-1keV-1和5×103 cm-2s-1sr-1keV-1,分别比磁暴前上升了约10和8倍。而GOES-10卫星于同步轨道附近观测到的>0.6MeV和>2MeV的电子通量峰值为磁暴前的50倍和30倍。NOAA-14卫星的观测结果显示,磁暴开始后>100keV和>300keV的种子电子通量有明显的增强,为激发哨声波提供了条件。本文进一步利用Cluster C3卫星研究了磁暴期间背景等离子体参数和哨声模合声（chorus）波的活动现象。Cluster C3卫星于10月1日与10月4日两次穿过外辐射带区域,观测到高强度（10-5-10-4 nT2/Hz）的合声波。数值模拟表明观测到的合声波能够与外辐射带高能电子产生回旋共振作用,并在合声波的作用下高能电子通量有明显上升。本文多卫星联合观测和数值模拟的结果为合声波驱动的外辐射带高能电子的回旋共振加速机制提供了新的证据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪言
• 1.1 地球磁层及其结构
• 1.2 磁暴与辐射带中的动力学过程
• 1.2.1 磁暴及磁暴的行星际起源
• 1.2.2 辐射带与其中的动力学
• 1.3 粒子在辐射带中的运动
• 1.3.1 单粒子轨道
• 1.3.2 绝热不变量
• 1.3.3 损失锥
• 1.4 波-粒子相互作用
• 1.4.1 朗道阻尼的物理解释
• 1.4.2 哨声波的激发
• 1.4.3 二维弹跳平均Fokker-plank 方程
• 1.5 本论文的研究内容
• 第二章 数据简介
• 2.1 OMNI 数据中心
• 2.2 SAMPEX 卫星及其数据
• 2.3 GOES 卫星及其数据
• 2.4 NOAA 卫星及其数据
• 2.5 CLUSTERⅡ卫星
• 第三章 多卫星联合观测磁暴时合声波驱动的外辐射带高能电子通量的增强的研究
• 3.1 引言
• 3.2 选取事件的依据
• 3.3 DST 指数和行星际参数
• 3.4 辐射带高能电子通量的演化
• 3.4.1 SAMPEX 卫星的观测
• 3.4.2 GOES-10 卫星的观测
• 3.5 种子电子通量的演化
• 3.6 外辐射带背景等离子体参数和合声波的观测
• 3.7 讨论
• 3.8 结论
• 第四章 合声波驱动外辐射带高能电子通量增强的模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 模拟方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 结论
• 第五章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A（攻读学位期间发表的论文）
• 附录 B（攻读学位期间参加的科研项目）
• 摘要
• 参考文献