電子輻射帶形成和演化的全球動力學(xué)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(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。主要原因包含兩個方面：第一是圍繞電子輻射帶復(fù)雜和劇烈的動態(tài)過程存在著許多尚未解決的科學(xué)問題；第二是輻射帶高能電子能夠?qū)υ谲壓教煜到y(tǒng)產(chǎn)生重大危害。電子輻射帶物理模型的建立能夠分析不同機(jī)制對輻射帶動態(tài)過程的貢獻(xiàn)，同時(shí)發(fā)展完善的計(jì)算模型能夠預(yù)報(bào)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(zāi)害效應(yīng)。輻射帶物理模型的建立主要基于兩類方法：試驗(yàn)粒子法和

2、動力學(xué)方法。本論文關(guān)注于電子輻射帶動力學(xué)模型的構(gòu)建和應(yīng)用，以及對各種物理機(jī)制所發(fā)揮作用的評估。
　　 在第一章中，我們介紹了內(nèi)磁層的基本結(jié)構(gòu)，概述了電子輻射帶的動態(tài)過程和空間天氣災(zāi)害效應(yīng)，闡述了相關(guān)的基本理論，提出了論文的研究內(nèi)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?cái)U(kuò)散模型。數(shù)值實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于完整求解包含投擲角、動量和交叉擴(kuò)散三部分的局地?cái)U(kuò)散方程。

3、我們構(gòu)造了一種高效、穩(wěn)定和易于編程實(shí)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(kuò)散項(xiàng)的引入導(dǎo)致的計(jì)算不穩(wěn)定性。首先，我們詳細(xì)分析了各種波?；匦舱裨陔娮虞椛鋷а莼^程中所發(fā)揮的作用，以及交叉擴(kuò)散項(xiàng)對模擬結(jié)果的影響。接著，我們引入一個較為真實(shí)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?cái)U(kuò)散模型推廣應(yīng)用于其他研究領(lǐng)域，首次模擬得到了由合聲波驅(qū)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(kuò)散和回旋共振兩個物理過程的電子輻射帶全球擴(kuò)散模型STEERB。數(shù)值實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)仍然在于完整和穩(wěn)定求解包含交叉項(xiàng)的回旋共振擴(kuò)散方程。STEERB模型是最先包含交叉擴(kuò)散項(xiàng)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(jìn)行了若干理想化的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，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(kuò)散和各種回旋共振對磁暴時(shí)輻射帶演化的貢獻(xiàn)，以及交叉項(xiàng)對全球擴(kuò)散模型計(jì)算

5、結(jié)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(yùn)過程。STEERB模型是最先準(zhǔn)確引入絕熱輸運(yùn)過程的電子輻射帶全球擴(kuò)散模型。首先，我們進(jìn)行了若干理想化的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，分析了絕熱輸運(yùn)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(xiàn)。其次，我們應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)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(dǎo)的物理機(jī)

6、制。過去數(shù)十年，學(xué)界在輻射帶電子加速的理論和模擬方面進(jìn)展頗豐，而在輻射帶電子損失的研究上進(jìn)展相對有限。我們當(dāng)前的工作將會促進(jìn)輻射帶電子損失過程的研究。
　　 在第五章中，我們進(jìn)一步將STEERB模型擴(kuò)展為一個全面包含絕熱輸運(yùn)、磁層對流、徑向擴(kuò)散和回旋共振四類物理過程的電子輻射帶全球?qū)α?擴(kuò)散模型。當(dāng)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(shí)空分辨率和處理瞬變結(jié)構(gòu)的能力。我們采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的STEERB模型定