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太阳同步轨道高能质子捕获和损失的探测结果综合研究

王春琴  
【摘要】:辐射带高能质子作为航天活动的重要辐射源,通常被认为有着相对稳定的分布-集中在接近地球的内辐射带。但事实上辐射带高能质子也存在不平静的时候,太阳质子事件和磁暴等扰动发生会显著影响到高能质子在辐射带的分布,导致高能质子捕获和损失现象发生。高能质子的捕获和损失这一重要的空间物理现象,对于航天活动的空间环境有着重要的影响。深入开展高能质子的动态研究,不仅具有重要的科学意义,也具有重要的应用价值。本文通过观测数据尤其是首次联合FY-1系列卫星、NOAA系列卫星观测数据开展了辐射带高能质子捕获和损失现象综合研究。首先对所用卫星的观测数据进行了数据验证分析,确保了文中应用数据的可靠有效。针对联合观测发现的2000年4月、2000年7月、2001年3月和2003年10月、11月期间5起显著的高能质子捕获和损失典型事件,开展了深入具体的高能质子捕获和损失事件随环境参数变化的演化过程研究,着重分析了对应事件的高能质子能谱特征、空间分布特征、强度变化特征以及持续时间特征等,并对导致高能质子捕获和损失发生的可能机理机制进行了探讨。最后,对2000年~2011年最近一个太阳活动周卫星观测到的捕获或损失事件进行了统计,确认了13起高能质子捕获事和12起高能质子损失事件,重点研究了这些事件与地磁参数、行星际参数等环境参数之间存在的相关关系。论文的主要研究结果和创新点:1)高能质子捕获增强区域主要出现在1.75L3的空间范围。每起事件质子捕获增强幅度各不相同,显著的捕获增强事件出现在2000年4月、2001年3月和2003年10月,卫星联合观测结果显示10Me V的高能质子捕获增强峰值显著超过异常区峰值水平。未出现10Me V的高能质子捕获增强峰值超过异常区峰值的现象。高能质子捕获现象存在能量上限,联合观测结果推测可能的捕获能量上限应该不超过16Me V。高能质子捕获增强现象存在显著投掷角分布差异,垂直磁力线观测的高能质子捕获增强现象更加显著,而较小投掷角观测则几乎没有高能质子捕获增强现象发生。捕获高能质子通量在在不同L高能质子通量衰减速度各不相同,但随时间变化整体呈现出快速减小和缓慢衰变两个明显的过程。2)高能质子捕获现象大多利用直接捕获模型解释可能更加有效;SC直接注入也可能与2001年3月捕获增强现象相关。但一定还存在其他的加速机制导致捕获质子通量的显著增强,如各种波动影响。3)高能质子损失现象发生可能的最低L位置在L~1.75,由2003年11月20日的强扰动导致。不同事件中高能质子在不同L的损失程度有所不同。140Me V的质子损失现象比较显著,140Me V的质子损失现象极少且不明显。损失的高能质子会在随后时间逐渐恢复,但受后续扰动事件的影响,质子的损失可能会进一步加剧。4)磁力线曲率的增加导致辐射带粒子捕获的第一绝热不变量遭到破坏可以很好的解释36Me V高能质子在L2出现的损失现象;对于能量更低的36Me V的高能质子损失、以及36Me V高能质子在L2更低范围出现的损失,可能与捕获质子第三绝热不变量有关。5)高能质子捕获和损失发生均与磁暴Dst_min相关,事件与Dst_min的统计关系表明地磁暴尤其是Dst_min-200的强磁暴会显著影响高能质子的动态分布,愈强的磁暴会导致高能质子更大L范围的损失和捕获。但并不是所有的太阳能量粒子事件和磁暴均会导致捕获的发生。6)太阳能量粒子是捕获高能质子的必要来源,但还存在其他因素影响捕获高能质子的强度;同时太阳能量粒子还会对暴时高能质子的损失产生影响,持续高通量的太阳能量质子的存在可能会平衡磁暴对高能质子分布产生的损失。7)高能质子捕获和损失动态变化除与地磁暴相关外,与太阳风动压、行星际磁场等行星际环境要素以及地磁亚暴等磁层环境要素也存在一定的相关。相关参数数值显示行星际磁场持续南向且Bz-20;太阳风动压增强且10 np;高强度的持续性亚暴活动且亚暴活动AE指数800。其中增强的太阳风动压可能对太阳能量粒子向磁层注入的截止产生极大的影响,甚至超过激波前的到达或是显著的Dst累计。8)高能质子捕获和损失事件发生呈现与太阳活动11年周期变化的相关,极大年和由极大年向极小年过渡的时期是事件多发期。极小年事件发生最少。研究发现高能质子动态变化显著受以爆发性事件CME为主的太阳活动影响。


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