电子辐射带形成和演化的全球动力学模型

摘要

辐射带自1958年被发现以来就受到广泛的研究，近年来它又成为空间物理领域的研究热点。主要原因包含两个方面：第一是围绕电子辐射带复杂和剧烈的动态过程存在着许多尚未解决的科学问题；第二是辐射带高能电子能够对在轨航天系统产生重大危害。电子辐射带物理模型的建立能够分析不同机制对辐射带动态过程的贡献，同时发展完善的计算模型能够预报电子辐射带的具体演化过程，从而减低甚至避免其可能的空间天气灾害效应。辐射带物理模型的建立主要基于两类方法：试验粒子法和动力学方法。本论文关注于电子辐射带动力学模型的构建和应用，以及对各种物理机制所发挥作用的评估。
　　 在第一章中，我们介绍了内磁层的基本结构，概述了电子辐射带的动态过程和空间天气灾害效应，阐述了相关的基本理论，提出了论文的研究内容。
　　 在第二章中，我们建立了一个描述多种波模(合声波、嘶声波和电磁离子回旋波)回旋共振作用的电子辐射带局地扩散模型。数值实现的难点在于完整求解包含投掷角、动量和交叉扩散三部分的局地扩散方程。我们构造了一种高效、稳定和易于编程实现的数值格式--混杂有限差分法，它能够有效地克服交叉扩散项的引入导致的计算不稳定性。首先，我们详细分析了各种波模回旋共振在电子辐射带演化过程中所发挥的作用，以及交叉扩散项对模拟结果的影响。接着，我们引入一个较为真实的背景等离子体密度模型，定量分析了沿磁力线密度变化对合声波回旋共振效率的影响。最后，我们将该局地扩散模型推广应用于其他研究领域，首次模拟得到了由合声波驱动的等离子体片电子相空间密度的演化。
　　 在第三章中，我们建立了一个包含径向扩散和回旋共振两个物理过程的电子辐射带全球扩散模型STEERB。数值实现的难点仍然在于完整和稳定求解包含交叉项的回旋共振扩散方程。STEERB模型是最先包含交叉扩散项的电子辐射物理模型之一，它具有高效、稳定和易于并行化的特征。我们进行了若干理想化的数值实验，重现了电子辐射带于地磁平静期和活动期的主要特征，对比研究了径向扩散和各种回旋共振对磁暴时辐射带演化的贡献，以及交叉项对全球扩散模型计算结果的影响。
　　 在第四章中，我们采用了一个依赖于Dst指数的背景地磁场，在STEERB模型中自洽地引入了绝热输运过程。STEERB模型是最先准确引入绝热输运过程的电子辐射带全球扩散模型。首先，我们进行了若干理想化的数值实验，分析了绝热输运过程在其它非绝热过程消失和存在的两种情形下对电子辐射带演化的贡献。其次，我们应用数据驱动的STEERB模型定量研究了1990年10月9日磁暴主相期间外辐射带电子损失事件，判定了其主导的物理机制。过去数十年，学界在辐射带电子加速的理论和模拟方面进展颇丰，而在辐射带电子损失的研究上进展相对有限。我们当前的工作将会促进辐射带电子损失过程的研究。
　　 在第五章中，我们进一步将STEERB模型扩展为一个全面包含绝热输运、磁层对流、径向扩散和回旋共振四类物理过程的电子辐射带全球对流-扩散模型。当前的STEERB模型保持高效、稳定和易于并行化的特征，且具有较高时空分辨率和处理瞬变结构的能力。我们采用数据驱动的STEERB模型定量研究了1997年1月10日亚暴注入事件，分析了亚暴注入过程对电子辐射带演化的贡献。
　　 在第六章中，我们总结了电子辐射带动力学模型STEERB的构建过程和得到的物理结果，提出了STEERB模型未来的发展方向。