种子电子输入对辐射带高能电子时空变化的影响

摘要

许多年来地球磁层是令人类充满幻想的神秘空间。近年随着人类空间活动和航天探测器的增加，例如，美国的RBSP项目、SAMPEX卫星等，人类加快了对地球内磁层高能粒子的分布及其动力学演化过程的研究。辐射带自1958年被发现以来，就因其内部的高能粒子快速而剧烈的变化过程，以及大量在役航天器材运行其中而受到广泛的关注。由于围绕着外辐射带带电粒子迅速而多变的演化过程存在着许多科学现象有待揭示，并且外辐射带高能粒子可对在轨航天器以及宇航员产生重大危害，推动着人类继续深入探索地球辐射带高能电子演化的动力学过程，主要涉及到高能电子的加速过程、损失过程以及输运过程。
　　辐射带中的一部分高能电子很可能来源于亚暴爆发期间被加速注入到地球磁层的能量约为数十到数百Kev磁尾粒子，我们通常称之为种子电子。种子电子只有通过一系列物理过程才能获得能量从而成为辐射带高能粒子，常被提及的加速过程包括：径向扩散向地球方向输运电子；与合声波发生回旋共振从而加速等。同时这些被注入到内磁层的种子电子也可能会经历一系列损失能量的物理过程，其中较为有代表性的如径向扩散向背离地球方向输运电子和与嘶声波、电磁离子回旋波的回旋共振过程。
　　本文前部分简要介绍了从粒子能量角度划分的内磁层基本结构，以及内磁层中几种常见的等离子体波动。阐述了粒子在磁层中运动的一些相关理论。
　　我们详细推导了波-粒回旋共振的局地扩散系数。再经由局地扩散系数得到弹跳平均扩散系数。进而求解赤道面上投掷角—动量空间内相空间密度扩散方程。并以合声波为例，定量模拟了短时间种子电子注入对合声波驱动的辐射带高能电子演化的影响情况数值结果表明合声波能有效加速种子电子，使之成为高能辐射带电子。
　　本文利用辐射带动力学模型定量模拟了在理想磁暴期间伴有电子注入情况下辐射带电子通量的演化情况。模型通过求解包含回旋共振，碰撞损失和径向扩散等机制的三维Fokker-Planck方程驱动的扩散方程，能够较好地模拟出辐射带在理想磁暴情况下的典型演化。数值结果表明在有低能段种子电子（0.1~0.2MeV） 短时间尺度内（一个小时内）的注入情况，辐射带高能电子通量在整个磁暴期间都有所增强。无论是主相期间还是恢复相期间，注入电子都有效地促进了合声波驱动的加速过程，使得外辐射带电子通量比同时期没有注入的情况下的通量高了一到两个数量级。本文的结果表明，在研究磁暴期间辐射带电子演化时，同期发生的伴有电子注入的亚暴过程必须被考虑到。

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第一章 绪论

1.1地球磁层

1.1.1辐射带

1.1.2环电流

1.1.3等离子体层

1.2磁层中的等离子体波动

1.2.1哨声模合声波

1.2.2哨声模嘶声波

1.2.3电磁离子回旋波

1.3内磁层中带电粒子的运动

1.3.1单粒子轨道理论

1.3.2绝热不变量

1.4研究的历史与现状

1.5论文研究的主要内容

第二章 种子电子输入影响的二维模拟

2.1 等离子体动力论

2.2等离子体波动与粒子的回旋共振作用

2.2.1地球偶极磁场

2.2.2扩散方程

2.2.3扩散系数的计算

2.3合声波对亚暴种子电子的影响

2.3.1 模拟方法

2.3.2模拟参数

2.3.3模拟结果与分析

2.4结论与讨论

第三章 种子电子输入影响的三维模拟

3.1引言

3.2 模拟方法

3.2.1扩散方程及扩散系数

3.2.2数值方法

3.2.3边界条件及初始条件

3.3模拟结果与分析

3.3.1 磁暴的理想数值实验

3.3.2低能电子的注入

3.3.3结论与讨论

总结

参考文献

致谢

附录A（攻读学位期间发表的论文）