電子輻射帶形成和演化的全球動力學模型.pdf

1、輻射帶自1958年被發(fā)現(xiàn)以來就受到廣泛的研究，近年來它又成為空間物理領域的研究熱點。主要原因包含兩個方面：第一是圍繞電子輻射帶復雜和劇烈的動態(tài)過程存在著許多尚未解決的科學問題；第二是輻射帶高能電子能夠對在軌航天系統(tǒng)產生重大危害。電子輻射帶物理模型的建立能夠分析不同機制對輻射帶動態(tài)過程的貢獻，同時發(fā)展完善的計算模型能夠預報電子輻射帶的具體演化過程，從而減低甚至避免其可能的空間天氣災害效應。輻射帶物理模型的建立主要基于兩類方法：試驗粒子法和

2、動力學方法。本論文關注于電子輻射帶動力學模型的構建和應用，以及對各種物理機制所發(fā)揮作用的評估。
　　 在第一章中，我們介紹了內磁層的基本結構，概述了電子輻射帶的動態(tài)過程和空間天氣災害效應，闡述了相關的基本理論，提出了論文的研究內容。
　　 在第二章中，我們建立了一個描述多種波模(合聲波、嘶聲波和電磁離子回旋波)回旋共振作用的電子輻射帶局地擴散模型。數(shù)值實現(xiàn)的難點在于完整求解包含投擲角、動量和交叉擴散三部分的局地擴散方程。

3、我們構造了一種高效、穩(wěn)定和易于編程實現(xiàn)的數(shù)值格式--混雜有限差分法，它能夠有效地克服交叉擴散項的引入導致的計算不穩(wěn)定性。首先，我們詳細分析了各種波模回旋共振在電子輻射帶演化過程中所發(fā)揮的作用，以及交叉擴散項對模擬結果的影響。接著，我們引入一個較為真實的背景等離子體密度模型，定量分析了沿磁力線密度變化對合聲波回旋共振效率的影響。最后，我們將該局地擴散模型推廣應用于其他研究領域，首次模擬得到了由合聲波驅動的等離子體片電子相空間密度的演化。<

4、br>　　 在第三章中，我們建立了一個包含徑向擴散和回旋共振兩個物理過程的電子輻射帶全球擴散模型STEERB。數(shù)值實現(xiàn)的難點仍然在于完整和穩(wěn)定求解包含交叉項的回旋共振擴散方程。STEERB模型是最先包含交叉擴散項的電子輻射物理模型之一，它具有高效、穩(wěn)定和易于并行化的特征。我們進行了若干理想化的數(shù)值實驗，重現(xiàn)了電子輻射帶于地磁平靜期和活動期的主要特征，對比研究了徑向擴散和各種回旋共振對磁暴時輻射帶演化的貢獻，以及交叉項對全球擴散模型計算

5、結果的影響。
　　 在第四章中，我們采用了一個依賴于Dst指數(shù)的背景地磁場，在STEERB模型中自洽地引入了絕熱輸運過程。STEERB模型是最先準確引入絕熱輸運過程的電子輻射帶全球擴散模型。首先，我們進行了若干理想化的數(shù)值實驗，分析了絕熱輸運過程在其它非絕熱過程消失和存在的兩種情形下對電子輻射帶演化的貢獻。其次，我們應用數(shù)據(jù)驅動的STEERB模型定量研究了1990年10月9日磁暴主相期間外輻射帶電子損失事件，判定了其主導的物理機

6、制。過去數(shù)十年，學界在輻射帶電子加速的理論和模擬方面進展頗豐，而在輻射帶電子損失的研究上進展相對有限。我們當前的工作將會促進輻射帶電子損失過程的研究。
　　 在第五章中，我們進一步將STEERB模型擴展為一個全面包含絕熱輸運、磁層對流、徑向擴散和回旋共振四類物理過程的電子輻射帶全球對流-擴散模型。當前的STEERB模型保持高效、穩(wěn)定和易于并行化的特征，且具有較高時空分辨率和處理瞬變結構的能力。我們采用數(shù)據(jù)驅動的STEERB模型定