太陽活動周近地軌道相對論電子觀測及結(jié)果研究.pdf

1、對地球輻射帶的觀測研究表明,電子輻射帶分為兩個相對獨立的區(qū)域:一個是內(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個地球半徑的區(qū)域內(nèi),另一個是外輻射帶,外輻射帶位于地心距離3個地球半徑到5至7個地球半徑的區(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經(jīng)常發(fā)生較大的變化,特別是能量大于1MeV的相對論電子對磁層的擾動非常敏感,當發(fā)生磁層擾動時,相對論電子的通量往往會出現(xiàn)數(shù)量級的

2、增長,這種現(xiàn)象就稱為相對論電子增強事件。由于能量極高,相對論電子能夠穿透表面材料,在航天器內(nèi)部充電,當充電電位達到一定水平發(fā)生放電現(xiàn)象時,可能造成航天器某些設(shè)備故障,甚至使航天器失效。因為相對論電子極具破壞性,對相對論電子增強事件預(yù)報,并采取針對性的防護措施具有非?，F(xiàn)實的意義,所以相對論電子的來源、加速的促發(fā)因素和機制、增強事件本身的發(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“風(fēng)云一號”衛(wèi)星運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)測器”對相對論電子進行了長期連續(xù)的觀測,這是我國首次對近地軌道空間的相對論電子進行長期連續(xù)觀測,獲得了豐富的第一手數(shù)據(jù),首次觀測到了長壽命且強度劇烈的相對論電子增強現(xiàn)象。本文利用“風(fēng)云一號”衛(wèi)星將近一個太陽活動周(1999年6月至2008年)的相對論電子觀測數(shù)據(jù),分析研究近地軌道的相對論電子增強事件,并以探究電子加速機制為目標,分析近地軌道電子觀測的方向性和能譜需求。
　　 分析觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),2004

4、年7月至2005年2月期間發(fā)生兩次劇烈相對論電子增強事件,兩次事件中相對論電子通量增長超過3個數(shù)量級,增強幅度極大。兩次事件的持續(xù)時間非常長,計算得到電子的“存活時間”分別達到24天和23天,是罕見的長壽命事件。電子通量增長的程度隨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,滿足相對論電子注入深度Lmax與|Dst|max的經(jīng)驗關(guān)系:|Dst|max=2.75×104/Lmax。為探討驅(qū)動這種特殊事

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環(huán)境,結(jié)果表明:兩次增強事件發(fā)生前和事件的前期,行星際環(huán)境和地球磁場環(huán)境均處于強烈擾動狀態(tài),Dst指數(shù)都具有連續(xù)擾動的特征；強烈的行星際磁場南向擾動和磁層亞暴是驅(qū)動相對論電子增強的一個重要環(huán)境因素,劇烈的亞暴活動向外輻射帶空間注入了大量的100keV～300keV亞暴電子,為相對論電子加速過程提供所需的“種子”；頻繁的太陽風(fēng)動壓波動可能是導(dǎo)致這兩次相對論電子劇烈增強事件的另一個

6、關(guān)鍵因為,對太陽風(fēng)動壓的頻譜分析表明這些波動分布在幾個離散的亞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,這些ULF波動具有適當?shù)牟?shù),能夠有效地將“種子”電子加速到相對論量級。
　　 對1999年6月至2008年期間“風(fēng)云一號”衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表明:其間共發(fā)生相對論電子日平均通量峰值大于100cm-2·sr-1·s-1的增強事件51次,峰值大于400cm-2·sr-1·s-1的強增強事件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2600cm-2·sr-1·s-1。為分析增強事件與各種空間環(huán)境因素的關(guān)系,探討導(dǎo)致電子加速的因為和機制,本文對增強事件與同期的行星際和磁層磁場環(huán)境進行統(tǒng)計研究,結(jié)果表明:高速太陽風(fēng)和地磁暴是激發(fā)近地軌道相對論電子增強事件的必要條件,強度大的增強事件與太陽風(fēng)速度和|Dst|max指數(shù)的相關(guān)性明顯優(yōu)于強度低的事件,太陽風(fēng)速度越大、磁暴越強,越傾向于激發(fā)強度大

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

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

10、,在極大年太陽活動以爆發(fā)性事件CME為主,時常引起強地磁暴活動,在過渡時期冕洞時常導(dǎo)致太陽風(fēng)高速流,驅(qū)動行星際和磁層磁場的擾動。這表明至少在相對論電子的加速方面,CME主導(dǎo)時期對地球空間的影響效果不如太陽風(fēng)高速流主導(dǎo)時期顯著。
　　 在電子加速機制方面還有很多未解決的問題,進一步的研究需要開展更加細致的就位觀測。本文根據(jù)現(xiàn)實的科學(xué)需求,分析了近地軌道電子觀測的方向性和能譜需求。本文對近地軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星運行過程中,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行仿真計算,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需求,綜合三個觀測面的方向性分析表明,探測器要在各安裝面都滿足投擲角觀測要求,至少需要在0°、10°、20°、25°、35°、45°、70°、80°和90°共9個方向設(shè)計探測窗口。在能譜觀測方面,本文根據(jù)相對論電子事件中涉及的能量范圍,選擇出近地軌道研究相對論電子加速所需的第一不變量μ值,計算各μ值在不同投擲角條件下不同位置處對應(yīng)的能量