准线性扩散系数与空间高能电子特征物理量的关系研究

研究已经证实,地面电磁波进入电离层与高能粒子发生波粒相互作用,通过改变其投掷角、动量等发生扩散,导致粒子沉降,进而形成粒子暴.近几十年来,从卫星观测到很多电离层中的粒子暴与地震有关系.本文利用波粒回旋共振耦合理论,结合低轨卫星的观测范围,研究场向电磁波的准线性投掷角扩散系数分布与VLF电磁波频率、带宽、电子能量(0.1—50 MeV)、磁壳层(L=1.1—3)等特征物理量的关系,并研究在某个确定的投掷角条件下,电磁波频率与其所引发的电子沉降对应的最小耦合能量的关系.利用这些物理量之间的关系,为卫星观测的高能粒子沉降事例提供理论解释,为从卫星高能粒子探测中提取与地震相关的信息提供理论支持,也为我国计划2016年底将发射的电磁监测试验卫星的数据分析奠定基础.     

基于试验粒子模拟的电离层人工调制激发的极低频和甚低频波对磁层高能电子的散射效应

电离层调制加热能够有效激发极低频和甚低频(ELF/VLF)波,其中向上传播进入磁层的ELF/VLF波能够与高能电子发生共振相互作用,具有人工沉降高能电子、消除辐射带等潜在实际用途.本文综合运用射线追踪和试验粒子方法模拟电离层人工激发的单频ELF/VLF波在电离层和磁层的传播,以及在外辐射带层与高能电子的共振相互作用过程,通过投掷角和能量散射系数评估人工ELF/VLF波对磁层高能电子的共振散射效应.研究表明,电离层人工ELF/VLF波传播到磁层后呈现高倾斜性,传播所能跨域的空间范围主要取决于加热的纬度位置和调制频率.在内辐射带,与～100 keV到几个MeV高能电子发生一阶共振相互作用的为10 kHz的VLF波段;在外辐射带,为几百Hz到1 kHz的ELF波段.对于L=4.5的外辐射带,试验粒子模拟结果显示,单个粒子在人工ELF波作用下投掷角和能量(α,E)的改变具有随机性,而所有试验粒子平均化的?α2和?E2随时间呈现出近似线性的增大,说明波粒共振散射过程体现出整体性.基于试验粒子模拟得到的共振散射系数表明,幅度为10 pT的人工ELF波可在外辐射带的磁赤道局地对1 MeV电子产生较强的投掷角散射效应,进而影响高能电子的损失、沉降等动力学过程.当人工ELF/VLF波在传播过程中变得高度倾斜,不仅最基本的一阶共振十分重要,高阶共振散射也具有较大效应.这些定量分析结果表明,通过电离层加热激发人工ELF/VLF哨声波来沉降、消除辐射带高能电子具有可行性.     

地基高频加热激励ELF/VLF波对辐射带高能电子的准线性散射

地球内、外辐射带电子通量的变化对于空间飞行器,尤其是中低轨卫星的防护有着非常重要的影响.基于回旋共振波粒相互作用的准线性理论,使用地基高频发射器发射电波调制低电离层背景电流可以人工激励ELF/VLF波,这些波能使辐射带相对论电子发生抛射角散射沉降进入大气层从而降低其生存期.为了定量地分析人工激励ELF/VLF波散射辐射带高能粒子的可行性,针对内、外辐射带,本文选取了两个典型区域：L=4.6和L=1.5.数值计算结果表明,在内、外辐射带由于ELF/VLF波的人工注入而造成的高能电子损失时间尺度很大程度上取决于冷等离子体参量α^*(∝B²/N₀,这里B是背景磁场,N₀是电子数密度)、电波频谱特性和功率,以及与波发生回旋共振的电子能量.一般来讲,在外辐射带人工ELF/VLF哨声波散射相对论电子使之沉降到大气层要容易得多;低能量的高能电子(200keV)要比高能量的相对论电子(500keV)更有效地通过抛射角散射进入大气层.考虑到高频电波加热电离层激励的ELF/VLF波可能会被捕获在磁层空腔中,来回反射从而得到增强,因此在适当的条件下,地基高频加热装置发射足够的电波功率进入电离层诱导大幅度ELF/VLF波注入到内磁层,能够在1至3天的时间尺度内快速散射外辐射带相对论电子使之沉降,也能够在10天量级的时间尺度里散射生存周期一般为100天甚至更长的内辐射带相对论电子. 关键词： 地基高频加热电离层 ELF/VLF波激励 高能电子散射和沉降 共振波粒相互作用     

典型甚低频电磁波对辐射带高能电子的散射损失效应

辐射带中高能电子与空间甚低频电磁波由于波粒共振相互作用发生投掷角散射, 进而沉降入稠密大气而损失. 为研究甚低频电磁波对辐射带中高能电子的散射作用机制, 本文基于准线性扩散理论, 利用库仑作用和波粒共振相互作用扩散系数的物理模型, 得到了两组典型甚低频电磁波与高能电子波粒共振相互作用的赤道投掷角弹跳周期平均扩散系数, 并分析了甚低频电磁波共振散射作用与大气库仑散射作用对不同磁壳及不同能量的辐射带电子扩散损失的影响规律. 以磁壳参数L=2.2, 能量E=0.5 MeV的辐射带电子作为算例, 采用有限差分方法数值求解扩散方程, 计算分析了电子单向通量和全向通量随时间的沉降损失演化规律. 研究结果表明: 当电子能量大于0.5 MeV, 磁壳参数大于1.6时, 甚低频电磁波的共振散射作用显著; 随着磁壳参数或电子能量的增大, 斜传播甚低频电磁波引起的高阶共振相互作用越来越大; 电子全向通量近似随时间呈指数函数形式衰减.     

基于AKEBONO哨声波参数的内辐射带高能电子扩散模拟

为能准确地模拟内辐射带中哨声波对高能电子扩散损失的影响,基于内辐射带AKEBONO哨声波参数统计模型,及随纬度分布的背景冷等离子体密度模型,对引起电子扩散损失的大气分子,空间等离子体嘶声、闪电激发的哨声、人工激发的甚低频三类哨声波,利用准线性扩散理论,计算1.4≤ L≤2.0区域的不同能量电子,受到库仑碰撞和波粒回旋共振相互作用的弹跳周期平均赤道投掷角扩散系数,分析不同作用机制、不同类哨声波、不同能量、不同磁壳参数等对辐射带高能电子扩散损失的影响.结果表明：在赤道面损失锥角附近,高能电子主要受到库仑碰撞作用而扩散;在赤道投掷角接近90°附近区域,等离子体嘶声和闪电激发的哨声是引起扩散的主要因素;内辐射带电子主要受到甚低频电磁波波粒回旋共振扩散影响;扩散系数对高能电子能量及其所处磁壳参数比较敏感,通常,高能电子的能量或所处磁壳参数越大,扩散系数越大.     

场向传播的内磁层哨声波对辐射带高能电子的共振扩散

基于高斯分布的哨声波谱密度分布、偶极子背景磁场模型以及建立在卫星观测数据基础上的半经验电子密度纬度分布模型,对于等离子体层顶以外区域(4≤L≤7),计算了准线性当地及弹跳平均电子共振扩散系数,并估算了与磁层哨声波回旋共振导致的辐射带电子损失及加速时间尺度.结果表明,波粒共振相互作用区域取决于电子能量、波谱分布、电子赤道抛射角以及当地电子密度及背景磁场.哨声波共振频率除了与以上5个参量有关外,还与地磁纬度有关.赤道哨声波主要影响较低能量辐射带电子的加速,中高纬度哨声波主要作用于较高能量辐射带电 关键词： 共振波粒相互作用 地球辐射带 哨声波 回旋共振加速及散射沉降     

低纬电离层人工调制所激发的ELF波射线追踪

通过大功率极低频(ELF)/甚低频(VLF)高频调幅波能有效地扰动低电离层电流, 形成等效的ELF/VLF电离层虚拟天线,辐射ELF/VLF波, 所辐射出的低频信号能够传播进入到磁层,对其传播特性的研究对于理解辐射带高能电子沉降具有重要意义.本文基于磁层射线追踪理论,通过数值模拟得到在低纬地区所激发出的ELF波在磁层中的射线路径,并对其特征进行分析.数值模拟结果表明, 从低纬激发的ELF波在南北半球来回弹跳,并逐渐传播到更远处,对于不同频率的ELF波, 频率越高,传播距离越近,频率越低,传播距离越远,在传播过程中, ELF波会逐渐倾向于在一个固定的磁层区域附近来回反射,在此过程中波法向角也逐渐变为90°,射线方向倾向于沿着背景磁场方向传播.     

高空核爆炸形成人工辐射带的数值模拟

基于Stmer关于带电粒子在地球磁场中运动的理论模型,分析得出高能电子在地球周围的运动区域.结合高空核爆形成放射性烟云的经验模型,推断高空核爆在地球周围形成人工辐射带的基本区域.进而利用高空核爆裂变特性和辐射带中高能粒子的分布特性,计算得到高空核爆形成人工辐射带的电子密度通量,并对高空核爆激发的人工辐射带特征与核爆炸的爆点纬度、高度及当量之间的关系作了初步的定量分析.数值模拟结果表明,在一定的条件下,0.1—1Mt TNT当量的高空核爆,预计在地球周围可形成电子通量密度比自然辐射带高3—4个量级的人工辐射带.形成的人工辐射带中心位置主要受核爆爆点地磁纬度的影响,核爆的爆高和核爆的当量则对人工辐射带的厚度及其中高能电子的通量密度有一定的影响. 关键词： 高空核爆 人工辐射带 高能电子通量 爆炸当量     

风云四号A星和GOES-13相对论电子观测数据在轨交叉定标及数据融合研究

地球磁层空间的相对论电子通过内部充放电效应,能够导致在轨航天器彻底失效.由于对这种空间粒子的特性和物理机制仍不清楚,磁层空间相对论电子一直是空间环境探测和空间科学研究的重要对象.开展相关磁层空间环境特性的研究和粒子辐射环境建模等,需要同时使用来自不同卫星、不同探测器的观测数据.消除不同探测器之间的系统偏差,实现不同来源数据的融合,是开展相关研究的必要前提.本文对我国最新的地球同步轨道卫星—风云四号A星(FY-4A)和同类轨道的美国GOES-13卫星相对论电子( 2 MeV)观测数据,开展在轨交叉定标及数据融合研究.本文严格筛选出地磁宁静期(Kp 2)的观测数据,以保证研究对象是被地磁场稳定捕获的辐射带粒子.根据辐射带粒子的物理特性,即3个绝热不变量的基础之上,以Liouville定理为依据,在漂移壳Lm坐标下比较两颗卫星观测到的电子通量,得到两颗卫星相对论电子观测之间的系统偏差.依据该结果,进行数据融合处理,结果表明系统偏差得以很好地消除.通过本项研究工作,得到了国际上重要的两个地球同步轨道相对论电子观测系统之间的偏差,并根据该研究成果,成功实现两个探测系统观测数据之间的融合,为后续的理论和应用研究工作打下了坚实的基础,也为地球同步轨道其他能道高能电子观测数据的在轨交叉定标和数据融合提供了参考方法.     

高空核爆炸注入辐射带电子的大气扩散损失

利用辐射带电子大气倾角扩散的福克-普朗克方程,通过推导与拟合处理扩散系数表征式,构造二阶精度有限差分格式,给出辐射带捕获电子大气扩散损失的数值计算方法.计算高空核爆炸裂变β谱电子注入辐射带后在不同L壳上的通量损失和能谱变化,结果表明,当L < 1.3时,大气作用引起的扩散损失效应明显,低能电子比高能电子消失要快,电子通量初始阶段衰减很快,随后逐渐近似成时间指数函数形式衰减.     

North west cape-induced electron precipitation and theoretical simulation

Enhancement of the electron fluxes in the inner radiation belt,which is induced by the powerful North West Cape(NWC) very-low-frequency(VLF) transmitter,have been observed and analyzed by several research groups.However,all of the previous publications have focused on NWC-induced 100-keV electrons only,based on observations from the Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions(DEMETER) and the Geostationary Operational Environmental Satellite(GOES) satellites.Here,we present flux enhancements with 30-100-keV electrons related to NWC transmitter for the first time,which were observed by the GOES satellite at night.Similar to the 100-300-keV precipitated-electron behavior,the low energy 30-100-keV electron precipitation is primarily located east of the transmitter.However,the latter does not drift eastward to the same extent as the former,possibly because of the lower electron velocity.The 30-100-keV electrons are distributed in the L = 1.8-2.1 L-shell range,in contrast to the100-300-keV electrons which are at L= 1.67-1.9.This is consistent with the perspective that the energy of the VLF-waveinduced electron flux enhancement decreases with higher L-shell values.We expand upon the rationality of the simultaneous enhancement of the 30-100- and 100-300-keV electron fluxes through comparison with the cyclotron resonance theory for the quasi-linear wave-particle interaction.In addition,we interpret the asymmetry characteristics of NWC electric power distribution in north and south hemisphere by ray tracing model.Finally,we present considerable discussion and show that good agreement exists between the observation of satellites and theory.     

Perturbations of ionosphere-magnetosphere coupling by powerful VLF emissions from ground-based transmitters

The characteristics of the plasma-wave disturbances stimulated in the near-Earth plasma by powerful VLF radiation from ground-based transmitters are investigated. Radio communication VLF transmitters of about 1 MW in power are shown to produce artificial plasma-wave channels (density ducts) in the near-Earth space that originate in the lower ionosphere above the disturbing emission source and extend through the entire ionosphere and magnetosphere of the Earth along the magnetic field lines. Measurements with the onboard equipment of the DEMETER satellite have revealed that under the action of emission from the NWC transmitter, which is one of the most powerful VLF radio transmitters, the generation of quasi-electrostatic (plasma) waves is observed on most of the satellite trajectory along the disturbed magnetic flux tube. This may probably be indicative of stimulated emission of a magnetospheric maser.     

Nobel Prizes in the “light” of Vavilov–Cherenkov radiation. To the 125th anniversary of the birth of S.I. Vavilov

The objective of this paper is not a detailed review or an analysis of the studies in the field of high-energy physics initiated by the discovery of Vavilov–Cherenkov radiation, occurred more than 80 years ago at the Lebedev Physical Institute, and awarded Nobel Prizes. The paper is written to emphasize the historical significance of the discovery of the effect and its key role in further studies in high-energy physics, commended by the high award of the Nobel committee. In 1958, 24 years after the first publication about the new phenomenon, i.e., emission of electrons moving in matter with the superlight speed, discovered by P.A. Cherenkov under the supervision by S.I. Vavilov, the Nobel Prize was awarded to a group of scientists of the Lebedev Physical Institute, P.A. Cherenkov, I.M. Frank, and I.E. Tamm “for the discovery and explanation of the Cherenkov effect”. Since then, practical application of Vavilov–Cherenkov radiation is widely spread.