（空间物理学专业论文）基于同步轨道区磁场对相对论电子通量的预报.pdf

一 i -1-1 1 i i l ll i q lii i1 1 1 1 1i 1i iii il y 17 7 912 2 行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何 其他人已发表或撰写过的材料，也不包含为获得其它教育机构的别种学位或证书 而大量使用过的材料。与我一同工作的人对本研究所做的任何贡献已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 虢迎吼冽_ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解培养单位有关保留、使用学位论文的规定，即：培养单位有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；培养单位可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：茵貔么 见证人： 本文通过分析以往的地球同步轨道区相对论电子通量预报模型，发现以往模 型的输入参量一般是太阳风参数( 来自a c e 卫星) ，预报值是相对论电子通量的 日均值。这些模型对a c e 卫星的依赖性较大，存在一定的风险性；预报值是相对 论电子通量日均值，时间跨度比较大，不能反映相对论电子通量的昼夜周期性变 化和小时间尺度的变化。针对这些不足，本文采用地球同步轨道区磁场作为模型 的输入量，来预报2 4 小时之后能量 0 6 m e v 和 2 m e v 的四个特征时段( 当地时 子夜2 3 ：3 1 o ：3 0 、清晨5 ：3 1 - 6 ：3 0 、正午1 1 ：3 1 1 2 ：3 0 、傍晚1 7 ：3 1 1 8 ： 3 0 ) 的相对论电子通量。 本文首先论述了辐射带粒子的运行特征和相对论电子通量起源、加速及损失 机制。接着分析了g o e s l l 的磁场数据与l a n l 地球同步轨道卫星各能段电子 通量数据，发现磁场p 分量与5 0 7 0 k e v 电子通量负相关，而且是同步的；低能 段电子通量与高能段正相关，前者先于后者变化，提前时间超过2 4 小时。这就 可以得出磁场p 分量与相对论电子通量负相关，前者先于后者变化，提前时间超 过2 4 小时，这说明了用磁场预报2 4 小时之后的相对论电子通量是可行的。最后 本文用多项式拟合法建立预报模型。模型的平均预报精度为0 6 8 6 2 ，正午时段 的预报结果最为重要，因为此时相对论电子通量达到一天的峰值，正午预报精度 为： o 6 m e v 电子通量为0 7 7 0 8 、 2 m e v 电子通量为0 7 0 6 9 。 关键词：地球同步轨道区，磁场p 分量，相对论电子通量 e n v i r o n m e n tr e s e a r c h i nt h i sp a p e r , w ef o u n dt h a tt h ei n p u tp a r a m e t e r so fs e v e r a lp r e v i o u sp r e d i c t i o n m o d e l so ft h eg e o s y n c h r o n o u sr e l a t i v i s t i ce l e c t r o n sf l u xa r es o l a rw i n dp a r a m e t e r s ( f r o ma c es a t e l l i t e ) ，a n df o r e c a s tv a l u ei sd a i l ya v e r a g eo fr e l a t i v i s t i ce l e c t r o nf l u xa s w ea r ed i s c u s s i n gt h e s em o d e l s t h e r ea r es o m ep o t e n t i a lr i s k si nt h e s ep r e v i o u s m o d e l sb yr e a s o nt h a tt h e ya r et o od e p e n d e n to na c es a t e l l i t e ，a n dc a r ln o tr e f l e c td a y a n dn i g h tf l u c t u a t ea n ds m a l lt i m es c a l ec h a n g e so fe l e c t r o n sf l u xb e c a u s ep r e d i c t i o n v a l u ei sd a i l ya v e r a g e f o rt h e s es h o r t c o m i n g s ，p c o m p o n e n to fm a g n e t i cf i e l da t g e o s y n c h r o n o u so r b i ti sc h o s e nt o b et h ei n p u to ft h ep r e d i c t i o nm o d e l ，a n dt h e o u t p u t sa r ea v e r a g eh o u r l yf l u xo nf o u rt y p i c a lt i m e sw i t h2 4h o u r sl a t e r t h e s ef o u r t y p i c a lt i m ea r em i d n i g h t ( 2 3 ：3 1 0 ：3 0 ) 、m o r n i n g ( 5 ：3 1 - 6 ：3 0 ) 、n o o n ( 1 1 ：3 1 1 2 ：3 0 ) 、 e v e n i n g ( 17 ：31 - 18 ：3 0 ) o fl o c a lt i m e t h er e l a t i v i s t i cf l u xo ft h em o d e lh a v et w o e n e r g ys p e c t r u m sw h i c ha r e o 6 m e va n d 2 m e v i nt h i sp a p e r ，f i r s t l y , t h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fr a d i a t i o nb e l tp a r t i c l e sa n d t h er e l a t i v i s t i ce l e c t r o nf l u xo r i g i n ，a c c e l e r a t i o na n dl o s sm e c h a n i s m sh a v eb e d i s c u s s e d t h e nw ea n a l y z em a g n e t i cf i e l da n de l e c t r o nf l u xd a t af r o mg o e s11a n d l a n la n df i n dt h a tp - c o m p o n e n to fm a g n e t i cf i e l da n d5 0 - - 7 0 k e vi sn e g a t i v e c o r r e l a t e d ，b u ta l s os y n c h r o n o u s w ea l s of i n dt h a tl o we n e r g ye l e c t r o nf l u x i s p o s i t i v e l yc o r r e l a t e d 、加t ht h eh i g h - e n e r g ys e g m e n t a n dt h ef o r m e rc h a n g e sm o r et h a n 2 4h o u r sb e f o r et h el a t t e r s ow ec a nd e d u c et h a tr e l a t i v i s t i ce l e c t r o nf l u xi sn e g a t i v e l y c o r r e l a t e dw i t hp - c o m p o n e n to ft h em a g n e t i cf i e l da n dt h el a t t e rc h a n g e sm o r et h a n 2 4h o u r sb e f o r et h ef o r m e r , w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rp r e d i c t i o no f r e l a t i v i s t i ce l e c t r o nf l u x2 4 - h o u rl a t e rb a s eo nm a g n e t i cf i e l d f i n a l l y , p o l y n o m i a lf i t i sa p p l i e dt oe s t a b l i s hp r e d i c t i o nm o d e la n dt h ea v e r a g ep r e d i c t i o ne f f i c i e n c yo ft h e m o d e li s0 6 8 6 2 p r e d i c t i o nr e s u l to fn o o nt i m er e l a t i v i s t i ce l e c t r o ni sm o s ti m p o r t a n t ， w h i c hr e a c h e da p e a ko ft h ed a y , a n di t sp r e d i c t i o ne f f i c i e n c y ： o 6 m e ve l e c t r o nf l u x i so 7 7 0 8 2 m e ve l e c t r o nf l u xi so 7 0 6 9 k e yw o r d s ：g e o s y n c h r o n o u so r b i t ，p c o m p o n e n to fm a g n e t i cf i e l d ，r e l a t i v i s t i c e l e c t r o nf l u x 1 1 3 3 5 量的模型6 1 2 4 以往模型的特征与不足8 1 3 本文研究的目的、方法和结果8 第二章数据来源与处理1 1 2 1 数据的来源1 1 2 2 数据的处理1 2 第三章地球辐射带与相对论电子1 5 3 1 地球辐射带1 5 3 2 相对论电子的起源、加速和损失1 7 3 3 同步轨道区磁场和相对论电子通量的特性2 0 3 3 1 昼夜周期变化特性2 0 3 3 2 相对论电子通量2 7 3 天重现特性2 1 第四章可行性分析2 3 4 1 相对论电子通量四个特征时段2 3 4 2 同步轨道区磁场与相对论电子通量的关系2 4 第五章预报模型的建立与结果2 9 5 1 相关性分析2 9 5 1 1 子夜时段相对论电子通量与磁场的移动相关性分析3 0 5 1 2 清晨时段相对论电子通量与磁场的移动相关性分析3 2 5 1 3 正午时段相对论电子通量与磁场的移动相关性分析3 3 5 1 4 傍晚时段相对论电子通量与磁场的移动相关性分析3 4 5 2 模型的建立3 5 5 3 模型的结果3 6 5 3 1 子夜时段的预报结果3 7 5 3 2 清晨时段的预报结果3 8 5 3 3 正午时段的预报结果3 9 5 3 4 傍晚时段的预报结果4 0 5 3 5 本文中的模型预报精度与自回归模型预报警的比较4 1 第六章结论与展望4 3 附录a 磁场p 分量的移动平均值4 7 附录b 多项式拟合预报方法介绍4 8 参考文献5 1 3 1 3 2 5 3 正午时段相对论电子通量与磁场最优相关系数和最佳提前量3 3 5 4 傍晚时段相对论电子通量与磁场最优相关系数和最佳提前量3 4 5 5 正午相对论电子通量预报模型的输入量和输出量，以预报2 0 1 0 年1 0 月1 日g o e s l l 正午时段 0 6 m e v 相对论电子通量为例3 5 5 6 本文中的模型与自回归模型预报精度的比较4 1 场z 分量、扩 1 5 不同能量段电子通量的变化比较，引自原文8 2 1g o e s i o 、g o e s l l 、g o e s l 2 数据质量比较，图中是 o 6 m e v 的电子通量，单 位e l e c t r o n s c m 2 s s r 1 l 2 2g o e s l l 相对论电子通量数据坏点处理前后对比1 3 3 1 地球辐射带示意图1 5 3 2 辐射带中带电粒子的运动1 6 3 3 相对论电子起源、加速和损失示意图1 7 3 4 木星电子沿c i r s 向地球传输1 8 3 5 地球磁场在太阳风作用下的位形2 0 3 6 磁场与相对论电子通量昼夜周期变化特性2 1 3 7 相对论电子通量2 7 3 天周期性规律2 2 4 1同步轨道区磁场与不同能段的电子通量的对比2 4 4 2 磁场p 分量与相对论电子通量关系推理示意图2 6 4 3 磁场p 分量与 o 6 m e v 正午时段相对论电子通量2 6 5 1 子夜时段相对论电子通量与磁场移动相关性分析3 0 5 2 清晨时段相对论电子通量与磁场移动相关性分析3 2 5 3 正午时段相对论电子通量与磁场移动相关性分析3 3 5 4 傍晚时段相对论电子通量与磁场移动相关性分析3 4 5 5 子夜时段的预报结果3 7 5 6 清晨时段的预报结果3 8 5 7 正午时段的预报结果3 9 5 6 7 5 8 傍晚时段的预报结果4 0 ) 处， 布着大 的主要 因素之一。所以建立一个利用同步轨道卫星上的磁场探测数据实时预报同步轨道 区相对论电子通量变化的模式，对航天器的自主运行安全和空间环境的研究具有 十分重要的意义。我们以未来“风云四号气象卫星为应用背景，以g e o s 卫星 磁场和相对论电子通量的探测数据为分析基础而建立初步的电子通量变化预报 模式，今后可以为“风云四号”卫星的自主安全运行提供技术支持。 1 1 研究的意义 迄今为止，各国发射了大约4 0 0 颗地球同步轨道卫星，这些卫星主要用于 通讯、气象、广播电视、导弹预警、数据中继等方面，以实现对同一地区 的连续工作，例如中国的风云二号系列卫星。地球同步轨道卫星与地球自转 周期相同，且一直处在外辐射带中，运行环境十分恶劣。相对论电子接近光速， 可以穿透卫星的屏蔽层，它不仅可以造成辐射损伤和单粒子效应( 1 0 m e v 电 子) ，更重要的是会引起航天器的深层充电，其中后者破坏力更强。卫星的深层 充电包括两种：一种是对卫星内部孤立导体进行充电，防护比较简单，将其尽量 接地即可。另一种是对卫星内部介质充电，即介质深层充电( d e e pd i e l e c t r i c c h a r g i n g ) ，它是由于相对论电子进入卫星内部的电子学设备，引起卫星内部绝 缘介质或元器件电荷堆积，造成介质深层充电，形成的电压可达数千伏。由于辐 射感应，电介质的电导率会明显增大【l 】，当电介质中的电压超过其击穿阈值时， 就会产生脉冲放电，因而损坏卫星材料，破坏电子元器件，轻则会使卫星工作状 态发生异常，重则导致卫星报废【2 1 。外辐射带环境变化剧烈，尤其是在磁暴期间， 短时间内，相对论电子通量可以迅速上升l 3 量级，称之为相对论电子增强事 件【3 1 ，其危害程度与其通量和谱的硬度成正咄4 1 。相对电子通量增强事件( 高能 电子暴) 分为突发型和滞后型【5 1 。突发型的特征是磁暴急始后辐射带相对论电子 通量突然增强2 个量级以上。赵华等【6 】利用“风云二号”卫星上高能粒子探测器 2 基于同步轨道区磁场对相对论电子通量的预报 研究2 0 0 0 年7 月1 4 日( 巴士底事件) 太阳高能粒予事件引起地球同步轨道区相 对论电子的的巨幅增加，当太阳上出现耀斑爆发后1 1 分钟，地球同步轨道区能 量 1 6 m e v 的电子通量出现一个量级的快速增加。滞后型是磁暴开始l 2 天后， 相对论电子通量逐步增强1 3 个量级，维持1 2 周，大部分事件是滞后型，本 文中的模型也是对滞后型的预报。表1 1 是2 0 世纪9 0 年代几次由于相对论电子 通量突然增强，引起的空间天气灾害性事件。 表1 1 相对论电子事件引起的空间天气灾害性事件，引自太空物理学【7 】 时间卫星灾害结果 1 9 9 1 3 2 3 美国环境卫星寿命缩短2 3 年 g o e s 7 1 9 9 1 3 2 5 美国地球同步卫星完全报废 m a r e c s 1 1 9 9 4 1 2 0 加拿大通讯卫星动量转动系统受损，姿态控制失灵 i n t e l s a t k 1 9 9 4 1 2 0 加拿大通讯卫星同上，切换备份子系统才保以正常工作 a n i ke 1 1 9 9 4 1 2 1 加拿大通信卫星同上，备份子系统不能工作，当年8 月通过 a 血ke 2 其它方法恢复其工作。 1 9 9 6 3 2 6 加拿大通信卫星再次受到相对论电子通量增加而异常，南太 a n i k e l 阳电池阵全部受损失效 1 9 9 7 1 1 1 美国通信卫星卫星完全报废 t e l s t a r - 4 01 1 9 9 8 5 1 德国科学卫星卫星完全报废 e q u a t o r s 1 9 9 8 5 1 9 美国卫星g a l a x y 一4 卫星完全报废 因此，如果预报出同步轨道区的相对论电子通量的变化，则同步轨道卫星可 以提前做好防护措施，降低相对论电子通量增强事件的危害程度。这对其它运行 增加，整个外辐射带的相对论电子通量也会增加，正如“一叶落而天下知秋 。 预报同步轨道区的相对论电子通量不仅为卫星提供安全运行保障，而且具有 科学研究的意义。外辐射带的相对论电子的加速机制是一直困扰着各国学者，人 们提出了一些物理机制，但是没有一个是完美的。各种预报模式都是建立在某些 物理机制的基础上，因而在建立预报模式的过程中，同时也验证了这些物理机制。 1 2 目前已有的预报模型 1 2 1x i n i i nl ie ta i 径向扩散预报模型【8 】 太阳风是地球磁层空间天气的主要驱动力，是各种空间天气灾害性事件的 “元凶 ，2 0 0 1 年x i n l i nl ie ta 1 建立了以上游太阳风数据作为输入量来预 报同步轨道区相对论电子通量的模型，其中太阳风数据来源于美国a c e 卫星，电 子通量数据来源于美国l a n l ( l o sa l a m o sn a t i o n a ll a b o r a t o r y 同步轨道卫星) 。 他们通过数据分析发现，上游太阳风参数与同步轨道区m e v 电子( 相对论电子) 通量有很好的相关性：( 1 ) 太阳风速度的峰值相对于m e v 电子通量的峰值提前1 2 天；( 2 ) 行星际磁场与m e v 电子通量没有明显的相关性；( 3 ) 太阳风速度增强 幅度与相对应的m e v 电子通量增强幅度相比，前者要小于后者，如图1 1 所示： 4 基于同步轨道区磁场对相对论电子通量的预报 k地j j 一一：l l l l - 一址一- j- 1 il ij r w i 甲1 厂 f r r ，r r 7 rr一一 r 一，1 1 rf ! - 口 廿 j 口 胃 口 1 山 l o a 1 0 6 1 0 4 1 0 3 1 0 z 扩散方程中d o 、相对论电子通量的预报值和实测值，引自原文 根据这关系，利用电子的标准径向扩散方程【9 】： 鲁= r 羞( 争差) 一手 c ， 劣a ! l 越jf 厂是相空间密度，它与电子微分通量的关系可以写成厂2 么z ，p 为电子的动 量。l 是球坐标系中径向距离，单位是地球半径吃。p 址是扩散系数，f 是电子 的平均寿命，它们都可以写成三的函数：p u = 或( 6 ) 1 0 ，f = ( 6 ) 1 0 。d o ， 是同步轨道区的扩散系数和电子寿命，存在经验关系： 叫珊+ ( 掣州掣卜蝴m ， 舯 舯萨 泸 矿约加。加粕 8 5 2 l i l - - 一钾臣苎声 i(1是l雎暑一 一扣u ) 1 8 5 平均 出扩 散方程中的厂( 厶r ) ，进而求出电子的微分通量( 厶r ) ，进而对，( 厶f ) 进行积分就 可以求出一天之后或两天之后的相对论电子通量的日平均值。该模式预报值与实 测值的比较如图1 2 所示，一天之后的日均值预报精度在1 9 9 5 - - 1 9 9 9 年为0 5 9 ， 预报和实测数据线性相关度0 8 0 。预报精度( p r e d i c t i o ne f f i c i e n c y ) 定义： 兰( e z ) 2( e z ) 2 阳= 1 一昔l _ ( z 一( 纠2 其中( f ) = 寺z ，z 为实测值，e 为预报值，n 总的天数。 v n = l 0 7 - 1 8m i el i u l l i i p n j m e t o d - l 7 - - i i b t l eu l m - l ? - i t h v l l m i l l i 惭l k t s 4 - o t - i 8i l e ll eh i l l - l 卅- l _ i l t - i o - i eu l l _ 蚓 u 盯a l ：p r e d i c ? n o n0 fm e ve l e c t r o n s ( 1 3 ) i -i n 图1 2x i n l i nl ie ta 1 模型的预报值与实测值对比，引自原文 6 基于同步轨道区磁场对相对论电子通量的预报 1 2 2 薛炳森等人的神经网络预报模型【1 0 】 2 0 0 4 年，国内的薛炳森等人通过分析上游太阳风数据( 来源于a c e 卫星) 与同步轨道区相对论电子通量数据( 来源于g o e s 卫星) 之间的相关性，应用神 经网络，建立一个相对论电子通量的预报模型。通过数据分析发现，相对论电子 通量与前一天的太阳风速度成正相关，可以近似认为前者的对数( 1 9 f ) 与太阳 风速度线性相关，如图1 3 所示。 ：、 毛 d i 丢 荟 暑 l o t 朔4 5 6 0 0? 0 0 嗣 j a l mw i n d p - 蝴( 1 田l 一o 】 图1 3 相对论电子通量与太阳风速度的统计关系，引自原文 他们还发现太阳风等离子密度和行星际磁场强度与相对论电子通量的关系非常 复杂，很难用经验公式来表示，但是它们都与地磁扰动、磁层内外物质和能量的 输运有关系，因此与相对论电子通量存在某种联系。要人工总结出太阳风、行星 际磁场与相对论电子通量的经验关系式是非常困难的，但是采取神经网络理论， 通过以往大量的事实对计算机程序进行训练，则可以寻找出一个它们之间的确定 的关系，最终给出相对论电子通量的预报模型。模型的输入参量是太阳风参数和 行星际磁场数据，输出参量是一天后 2 m e v 相对论电子通量日平均值。1 9 9 5 年 1 - - - , 4 月检验结果显示，模型预报值与实测值的相对误差为8 1 ，预报结果如图 1 4 所示。 7 1 0加 3 0 4 05 0舶7 09 0 幽l 拥陬砒f r e e , 1 9 9 5 - 0 1 一o ti 图1 4 薛炳森等人模型的预报值与实测值对比，引自原文 1 2 3d r e wl t u r n e re tai 用低能段预报高能段电子通量的模型【l l 】 目前普遍认为，外辐射带相对论电子是由中能电子( 5 0 3 0 0 k e v ) 加速而来 的，而中能电子也被称之为种子电子。2 0 0 8 年，d r e wl t u r n e ra n dx i n l i nl i 通过分析l a n l 地球同步轨道卫星的电子通量数据发现，中低能段电子通量与高 能段的相对论电子通量有很好的正相关性，更重要的是前者相对于后者有一个时 间提前量，中低能电子通量能段越低，提前时间越大，见图1 5 ，根据这种关系， 可以用中能电子通量来预报相对论电子通量。在建立预报模型的过程中，t u r n e r 等分析了各个能段电子通量与相对论电子通量线性相关性和最佳时间提前量，见 表1 2 。通过比较，最终确定用3 7 小时之前5 0 - 7 5 k e y 的电子通量作为预报模型 的输入量，来预报1 1 - 1 5 m e v 相对论电子通量。1 9 9 5 2 0 0 6 年的预报精度( p e ) 为0 7 3 8 基于同步轨道区磁场对相对论电子通量的预报 耵m e d a y 暑o f2 0 0 5 图1 5 不同能量段电子通量的变化比较，引自原文 表1 2 ：低能段电子通量与1 卜1 5 m e v 电子通量的相关性分析，引自原文 1 2 4 以往模型的特征与不足 除了以上三种典型的预报模型外，还有其它预报模型，这里不一一赘述。通 过这些预报模型可以得出以下几点特征： 9 太阳风作为地球磁层动态变化的物质源和能量源，太阳风参数( 速度、温度、 动压等) 与同步轨道区相对论电子通量有很好的相关性，因此用太阳风参数作为 预报模型的输入量。但是采用运行在拉格朗日点的a c e 卫星的观测数据作为模型 的输入量有一定的风险性，主要有两方面，一是如果我国自主研发同步轨道区相 对论电子通量预报模型，输入量应该是我国卫星观测的数据；二是用a c e 卫星数 据作为输入量时，没有其它备份量，一旦a c e 卫星在太阳风恶劣的环境中发生故 障，则预报模型也将失效。预报模型输出量是相对论电子通量的日平均值，不能 反映其昼夜波动变化，而且日平均的时间跨度比较大，不能反映出小时间尺度的 相对论电子通量增强事件。针对这些不足，本文用同步轨道区磁场来预报四个不 同时段的相对论电子通量，下文将简单介绍。 1 3 本文研究的目的、方法和结果 根据本章1 1 节和1 2 节，总结出本文的研究目的有以下3 点：( 1 ) 建立相 对论电子通量预报模型为卫星运行提供安全保障；( 2 ) 为理论研究提供现实证据； ( 3 ) 克服以往的预报模型存在的不足。 本文选取g o e s l l 卫星的磁场和电子通量作为研究的数据对象。本文分析了 g o e s l l 的磁场p 分量( 垂直于轨道面指向北) 与相对论电子通量之间的相关性， 发现二者有很好的负相关，而且前者相对于后者有提前量。通过程序找出最佳提 前时间，以最佳提前时间的磁场作为模型的输入量，利用多项式拟合，得出系数， 进而来预报2 4 小时之后的相对论电子通量的值。模型的输出参量是2 4 小时之后 0 6 m e v 和 2 m e v 的四个特征时间段( 当地时子夜2 3 ：3 1 0 ：3 0 、清晨5 ：3 l 一6 ： 3 0 、正午1 1 ：3 1 1 2 ：3 0 、傍晚1 7 ：3 1 1 8 ：3 0 ) 的相对论电子通量，一共8 个量， 其中正午时的预报结果最为重要，因为这时卫星在日下地附近，相对论电子辐射 最为严重。正午时的相对论电子通量预报精度： 0 6 m e v 是0 7 7 0 8 、 2 m e v 是 0 7 0 6 1 0基于同步轨道区磁场对相对论电子通量的预报 0 7 0 6 9 。 号系列同步轨道卫星都没有搭载磁强计，只有相对论电子通量探测器。 2 0 o 历1 0 山 o c 9 0 一 r c ，) 山 o o x1 0 5 柚，胤m k 。就舳胁从。挑，瓜， 州h 。1 2 厂 | | ：脚从 m “ 1l l j j j j j 刖 图2 1g o e s i o 、g o e s l1 、g o e s l 2 数据质量比较，图中是 o 6 m e v 的电子通量， 单位e l e c t r o n s c m 2 s s t 为了使研究更与时俱进，我们选择最近几年可以正常使用的g o e s 系列卫星， 有g o e s l 0 ( w 6 0 0 ) 、g o e s l l ( w 1 3 5 。) 、g o e s l 2 ( w 7 5 。) 、g o e s l 3 ( w 1 0 5 。) ，而g o e s l 3 没有自由使用的数据，g o e s l 0 和g o e s l 2 数据坏点( 卫星没 有探测出数据，用1 0 0 0 0 0 代替) 较多，而且有一些连续几十天的坏点，这不符 基于同步轨道区磁场对相对论电子通量的预报 合预报模型要求数据连续性的条件。图2 1 是g o e s l 0 、g o e s l1 、和g o e s l 2 在2 0 0 7 年观测的相对论电子通量数据的坏点情况比较。 因此，我们最终选择了数据质量较好的g o e s l l ，它的轨道经度在2 0 0 6 年7 月开始固定在w 1 3 5 。，所以我们选择时间范围是2 0 0 6 年7 月1 日2 0 0 8 年1 2 月3 0 日，一共2 年半的时间。数据下载网址是： h t t p ：g o e s n g d c n o a a g o v d a t a g o e s l l 磁场数据的时间分辨率是1 分钟， o 6 m e v 和 2 m e v 电子通量数据的 时间分辨率是5 分钟。 在比较不同能量段电子通量数据时，我们用到了l a n l 同步轨道卫星的电子 通量数据，申请下载的网址是： h t t p ：l e a d b e l l y 1 a n l g o v l a n l _ e p _ d a t a r e q u e s t e p _ r e q u e s t , c g i 数据的时间分辨率是3 0 秒。 2 2 数据的处理 卫星数据有时存在不正常的数据，为了使数据具有连续性，需要对这些不正 常数据进行处理。卫星数据通常有以下三种不正常的情况： 一、由于卫星处于阴影区或者受到强烈的辐射、电磁扰动处于暂时关闭 状态，此时卫星没有数据，一般用一个特殊值来代替，如g o e s l l 相对论电子通量用1 0 0 0 0 0 ，磁场用3 2 7 1 1 ，这些数据通常称为数据 坏点。 二、卫星在关闭之前的那一时刻，有时会出现非常高的一个值，例如 g o e s l l 磁场会达到1 0 0 0 n t ，这明显是一个异常数据，需要进行处 理。 三、由于在最初的数据处理中的失误或其它原因，导致有某个小时段或 某一个时刻的数据出现缺失。 对于处理数据坏点，我们采取以两端的正常数据点作为线段的起点和终 点，中间的坏点是用线段上的点来代替，例如有一组电子通量时间列2 1 0 0 0 、 1 0 0 0 0 0 、1 0 0 0 0 0 、2 4 0 0 0 ，1 0 0 0 0 0 为坏点，处理后的数列是2 1 0 0 0 、2 2 0 0 0 、 n e o 疗 c 2 g 山 皿噩| 1 圈 m 母 乏 主 o 图2 2g o e s l l 相对论电子通量数据坏点处理前后对比，横坐标是间隔为1 分钟 的时间序列 3 1 地球辐射带 起源、加 地球辐射带是地球磁场俘获带电粒子形成的环形带状区域，如图3 1 所示。 早在1 9 0 5 年，挪威地球物理学家斯托米根据极光预言了地球辐射带的存在，1 9 5 8 年美国科学家范艾伦( j a m e sv a na l l e n ) 根据探险者1 号、3 号、4 号的观测 资料证实了辐射带的存在，所以地球辐射带又被称为范艾伦辐射带1 2 1 。 图3 1 地球辐射带示意图 地球辐射带分为内辐射带和外辐射带。内辐射带的空间范围，在赤道平面内 约在6 0 0 一- - 1 0 0 0 0 公里左右( 0 1 r n 1 6r e ) 的高度上，在子午面内其纬度边界 大约为4 0 。左右，中心位置随粒子的能量大小而不同，主要粒子成分是质子和 电子。外辐射带的空间范围很广，在赤道平面内，其高度大约自1 3 0 0 0 ( 2r e ) 1 6 基于同步轨道区磁场对相对论电子通量的预报 公里一直延伸到6 0 0 0 0 ( 9 4r e ) 公里左右，中心位置约在2 0 0 0 0 ，一- - 2 5 0 0 0 ( 3 1 r e 3 9r e ) 公里左右，其纬度边界约为5 5 。7 0 。左右。外辐射带受太阳活动的影 响很大，磁扰时，粒子的强度和位置都有显著变化。外带粒子的主要成分是电子。 同步轨道区( 高度5 6r e ) 位于外辐射带中。 地球辐射带的带电粒子主要做三种运动【1 3 】：( 1 ) 围绕磁场线的回旋运动，( 2 ) 沿磁场线的弹跳运动，( 3 ) 垂直于磁场方向的漂移运动，如图3 2 所示。 图3 2 辐射带中带电粒子的运动 回旋运动是带电粒子因垂直于磁场方向的速度而受洛伦兹力，围绕磁场线做 圆周运动，回旋半径与回旋周期为： 胪嚣一2 器 。1 ) 胪雨一雨 u 如果把地磁场近似看做一个偶极子场，地球赤道表面磁场平均为3 0 4 3 8 n t 1 4 】，在 同步轨道区的磁场为3 0 4 3 8 6 6 3 = 1 0 6 n t ，可以计算出投掷角9 0 。能量1 m e v 的相 对论电子在同步轨道区的回旋半径和周期分别为4 0 公里、2 9 5 p s 。 由于地磁场在磁场方向有梯度，带电粒子就会沿着磁场线在南北两个磁镜点 之间做周期性弹跳运动，如果带电粒子的赤道投掷角小于一个临界角，则它会进 入损失准，消失在大气层中。 第三章地球辐射带与相对论电子1 7 带电粒子处理在磁镜点来回弹跳之外，还围绕地球漂移。电子向东漂移，质 子向西漂移，形成环电流。这种漂移主要有两个原因，一是带电粒子沿着弯曲的 磁场线运动时受到离心力引起的漂移，二是磁场的径向梯度引起的漂移。带电粒 子沿着磁场线的弹跳和垂直磁场线的漂移会形成一个漂移壳，它的形状是由南北 磁镜点形成的圆周之间的磁场线。 3 2 相对论电子的起源、加速和损失 目前普遍认为，外辐射带的相对论电子是由亚暴注入磁层的中能电子加速而 来的【1 5 】，【16 1 。亚暴期间，在磁尾( l = 7 1 0 r e ) 出产生大量的能量在5 0 3 0 0 k e v 的中能电子，这些中能电子在对流电场的驱动下向向阳面漂移，进入辐射带，被 地磁场俘获。在这个过程中，中能电子将会被加速。x i n l i nl i 等【1 7 】提出，突发 型相对论电子通量增强事件是行星际激波到达地球磁层后，对中能电子加速产生 的，这机制己被广泛接受。突发型事件没有明显的前兆，很难预报。但是滞后 型是可以作出预报的，下面着重分析滞后型相对论电子通量增强事件的产生机 制。 图3 3 相对论电子起源、加速和损失示意图 基于同步轨道区磁场对相对论电子通量的预报 一、起源 一般认为，有三种提供中能种子电子的主要机制，它们分别是磁层亚暴期间 持续注入磁尾的中能电子；当木星和地球同处于太阳高速流形成的共转作用区 ( c i r s ) 时，木星电子沿c i r s 到达地球磁层【18 1 ，如图3 4 ；太阳风高能电子直 接提供种子电子。 二、加速 行星 磁场 图3 4 木星电子沿c i r s 向地球传输 一般认为加速机制有径向扩散加速、磁暴恢复相加速、波粒相互作用加速， 可以发现这些加速机制都和当地的磁场环境有关。 1 径向扩散 电子径向扩散的过程中，如果磁场扰动满足【1 9 】： 乃 出瓦瓦 ( 3 2 ) a t 是磁场扰动时间尺度，乃、乙、互分别是电子的漂移周期、弹跳周期和回旋周 期。则只有第三绝热不变量遭到破坏，第一绝热不变量守恒： 川= 等= 警= 警= 常数 3 ， 第三章地球辐射带与相对论电子 1 9 o f 是为粒子在赤道的投掷角，玩是地球表面赤道的平均磁场强度，b 是粒子位 置的赤道磁场强度，e = 吉聊u 2 ，b = 万b o 。由( 3 3 ) 式可以看出，当电子向内扩 散时，b 会增大，q 会增大。第二绝热不变量守恒： j = m ，v s t 讲= 常数 ( 3 4 ) ( 3 4 ) 式可以看出，当电子向内扩散时，b 会增大，也会增大。 2 磁暴主相和恢复相 根据( 3 3 ) 、( 3 4 ) 式，在磁暴主相期间，磁场变小，根据不变，电子速 度减小，恢复相期间，磁场变大，不变，电子速度增加。 3 波粒相互作用 b a k e r 1 q 等发现，在引发滞后型相对论电子通量增强事件的磁暴期间，地面上 可以观测到大振幅的地磁脉动；在没有地磁脉动的磁暴中，很少发生相对论电子 增强。所以他们认为，在4 r e 0 6 m e v 相对论电子通量和磁场也具有同 样的特征，只是不太明显。相对论电子通量具有这种规律的根本原因是太阳表面 的冕洞，它在太阳上的位置变化不大，和太阳一块自转，所以它每2 7 3 天就会 朝向地球。冕洞是具有开磁场线，可以产生太阳风高速流，太阳中低纬度的冕洞 引起的太阳风高速流可以到达地球，而太阳风高速流是相对论电子通量增强的重 要因素，在这期间同步轨道区磁场会下降，相对论电子通量会增强【2 1 1 。因此，相 对论电子通量的变化与磁场的扰动都具有2 7 3 天的重现特性。 (j西neo、co暑019i山一 cneo、co扫。ai山一 删赠m曾9：2 删暇m衄砸芝臀 基于同步轨道区磁场对相对论电子通量的预报 u n k e r s a i 1 i m ef r o m0 1 - j u l - 2 0 图3 7 相对论电子通量2 7 3 天周期性规律 (js-s-ne。，cqu。al|)删暇降雹秘莨罂9=n 4 1 相对论电子通量四个特征时段 制都和当 本章主要 相对论电 我们将g o e s l1 的 o 6 m e v 和 2 m e v 相对论电子通量数据按照当地时子夜 ( 2 3 ：3 1 - 0 ：3 0 ) 、清晨( 5 ：3 1 - 6 ：3 0 ) 、正午( 1 1 ：3 卜1 2 ：3 0 ) 、傍晚( 1 7 ： 3 1 - 1 8 ：3 0 ) 四个特征时段进行一小时平均值，将相对论电子通量分成四个特征 时段主要基于以下原因： 一、优于电子通量日均值。以往的相对论电子通量预报模型预报值都是 日平均值，见第一章1 2 节，日平均值时间跨度比较大，应用性不 如四个特征时段。 二、有利于数据分析与对比。如果不分时段，而是对一天中的每个5 分 钟时段进行预报的话，工作量会非常大，而且不利于预报值的分析。 分四个特征时段后，分析预报结果清晰明了，可以将某时段的预报 值与前几天这个时段的实测值进行对比分析。 三、反映了相对论电子通量昼夜周期变化特性。地球同步轨道卫星运行 一周，相对论电子通量在正午最高，子夜最低，清晨和傍晚居中， 其中正午的预报值是最重要的。 在分时段的过程中要注意g o e s l l 当地时( l o c a lt i m e ) 与世界时( u n i v e r s a l t i m e ，经度0 。的当地时) 的转化。g o e l l 位于西经1 3 5 。，它晚于世界时9 个 小时。 2 4 基于同步轨道区磁场对相对论电子通量的预报 4 2 同步轨道区磁场与相对论电子通量 在寻找同步轨道区磁场与相对论电子通量定量关系的过程中，我们用到了很 多种方法，其中一种是用等离子动理论