论文部分内容阅读
地球磁层中的外辐射带主要包含100keV到几个MeV的高能电子，这些相对论电子(＞1MeV)有着至关重要的空间天气效应，俗称“杀手电子”。地球外辐射带剧烈的动态变化往往由太阳风驱动源如日冕物质抛射(CME)或太阳风共转相互作用区(CIR)所驱动。当这些行星际驱动源与地球磁层相互作用，地球外辐射带将可能出现剧烈的变化，如高能电子暴事件、槽区高能电子注入、瞬时性新辐射带事件（包括相对论电子带和第二质子带）和最近发现的辐射带双层结构等。高能电子暴事件是指外辐射带中能量约为数百KeV到MeV的相对论电子通量增强，主要发生在大磁暴期间;瞬时辐射带事件是指大磁暴期间在内外辐射带之间的槽区形成了新的辐射带，主要是能量高于数MeV的相对论电子。电子带持续几个月左右，质子带可以持续更长的时间，约为2-3年;而外辐射带双层结构是由于外辐射带粒子主要损失区（等离子体层顶位置），和额外的辐射带快速加速作用导致原本单层的外辐射带演变成了双层外辐射带结构。 Reevesetal.(2003)的研究显示，在绝大多数磁暴中，辐射带电子通量动态范围非常大。这些外辐射带相对论电子相应的产生机制，可以分为两类:一类机制仅依赖于源的增长和/或径向输运（例如“Dst效应”）;另外一类机制与磁层内“源”或内部加速机制（例如，由于与ULF或VLF波相互作用而产生的当地共振加速）有关(Friedeletal.(2002))。为了进一步定量的研究外辐射带电子的动态变化和可能的机制，我们对1998年至2003年间的110个与伴有行星际激波的CME相关的地磁暴和1994-2003年间223个与CIR相关的地磁暴期间的地球外辐射带相对论电子通量变化进行了系统的研究。我们获得了如下成果: (1)通过SAMPEX卫星的观测，我们发现:不论是对于CME磁暴还是CIR磁暴，地球外辐射带电子通量随着L壳层的分布存在一个最大值。从这个最大值所在位置向更高的L壳层或更低的L壳层，辐射带电子通量均逐渐降低。我们成功地用关于L壳层的指数函数拟合了外辐射带中相对论电子通量随L壳层的分布，并且根据这个分布定义了外辐射带的内、外边界。在Bakeretal.(2001)的基础上，我们采用了动态的外辐射带内外边界，并通过使用非均匀电子分布改进了获得地球辐射带电子总含量(RBC)的方法。从而，我们可以更加准确地计算地球辐射带电子总含量。 (2)本研究通过对CME磁暴和CIR磁暴的时间序列叠加分析的结果计算了RBC指数，并据此发现:在地球外辐射带，CME磁暴也许能比CIR磁暴产生更多的相对论电子。这与前人，例如Bakeretal.(1987)和MiyoshiandKataoka(2005)通过同步轨道处的数据得到的结果不同。在以前的研究中，Bakeretal.(1987)和MiyoshiandKataoka(2005)只使用地球同步轨道处的数据，他们发现，CIR磁暴能够比CME磁暴更加有效地加速电子。我们发现这一结论只适用于地球同步轨道，在CME和CIR磁暴期间仅用同步轨道处的数据不能够反应出外辐射带整体的变化，在整个地球外辐射带区域，CME磁暴能比CIR磁暴产生更多的相对论电子。 (3)进一步，我们的研究表明，相比于低太阳风动压，高太阳风动压能引起地球外辐射带电子通量更大的下降;与北向行星际磁场相比较，南向行星际磁场能引起更加显著的电子通量下降。对于CIR磁暴期间的电子通量下降事件，通过对电子相空间密度的廓线的计算，我们推测伴有南向IMF的磁暴期间的通量下降的可能原因之一是大尺度对流导致辐射带电子经由磁层顶损失。对于CME磁暴期间的电子通量下降事件，我们的研究通过计算外辐射带电子总含量指数，定性和定量分析了外辐射带电子通量剧烈下降。我们发现最大的局地通量下降发生在高太阳风动压和北向行星际磁场的条件下，L～5.1处。从整体的角度看外辐射带剧烈下降现象，最强的辐射带通量下降发生在高太阳风动压与南向行星际磁场的条件下，而低太阳风动压和北向行星际磁场所引起的外辐射带通量下降是最小的。 (4)外辐射带的双层结构首先被Bakeretal.(2013)利用最新的VanAllan探测器发现。而我们利用10多年的SAMPEX卫星的数据做了更为完善和综合的研究。我们从1994年至2003年间的110个日冕物质抛射(CME)驱动的地球磁暴和223个太阳共转相互作用区（CIR）驱动的地球磁暴中，发现了8个具有明显双层外辐射带结构的事件。其中3个事件发生在CME磁暴的恢复相，另外5个发生在CIR磁暴的恢复相。我们发现CME磁暴期间的外辐射带双层结构事件发生前的磁暴主相都伴随着高太阳风动压和南向行星际磁场;而CIR磁暴恢复相期间的外辐射带双层结构事件则伴随着太阳风高速流和南向行星际磁场。本研究进一步发现，双层结构的相对论电子通量空间分布可以被随着L壳层指数下降的方程拟合出来。本研究指出，外辐射带的双层结构与等离子体层顶的位置紧密相关，这一结果表明局地加速对双层外辐射带的形成起着重要作用。综上所述，本研究拓展了对地球外辐射带动态变化过程的认识。 本论文分为以下六个章节:第一章介绍了地球外辐射带和能量粒子;第二章介绍了引起辐射带变化的可能因素;第三章介绍了研究所使用的卫星数据及数据处理方法;第四章是关于外辐射带电子总含量;第五章是关于地球磁暴期间的外辐射带电子通量下降事件;第六章是关于外辐射带的双层结构;第七章是总结和对未来工作的展望。