電子輻射帶形成和演化的全球動(dòng)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(gè)方面：第一是圍繞電子輻射帶復(fù)雜和劇烈的動(dòng)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(duì)輻射帶動(dòng)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(dòng)力學(xué)方法。本論文關(guān)注于電子輻射帶動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建和應(yīng)用，以及對(duì)各種物理機(jī)制所發(fā)揮作用的評(píng)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(dòng)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(gè)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(dòng)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?cè)敿?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(duì)模擬結(jié)果的影響。接著，我們引入一個(gè)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(duì)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(dòng)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(gè)包含徑向擴(kuò)散和回旋共振兩個(gè)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(dòng)期的主要特征，對(duì)比研究了徑向擴(kuò)散和各種回旋共振對(duì)磁暴時(shí)輻射帶演化的貢獻(xiàn)，以及交叉項(xiàng)對(duì)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(gè)依賴于Dst指數(shù)的背景地磁場(chǎng)，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(duì)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(dòng)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(duì)有限。我們當(dāng)前的工作將會(huì)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(gè)全面包含絕熱輸運(yùn)、磁層對(duì)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(dòng)的STEERB模型定