基于多卫星观测的地球辐射带电子相空间密度时空分布特性研究

Comprehensive understanding of the radiation belt electron dynamics requires the spatio-temporal distribution of electron phase space density (PSD) in the phase space coordinates defined by the three adiabatic invariants in order to distinguish the electron adiabatic and non-adiabatic variations and uncover the underlying dominant physical mechanism(s). Using the simultaneous measurements of electron differential flux obtained by THEMIS and Van Allen Probes, this project numerically computes the radiation belt electron PSDs in a broad range of the pair of the first and second adiabatic invariants to systematically investigate the spatio-temporal distribution characteristics of Earth's radiation belt electron PSD under various solar wind and geomagnetic conditions. The developed comprehensive database of electron PSD is further used to identify the occurrence probability of PSD enhancements and dropouts during geomagnetic storms and substorms and to evaluate their potential correlation with various magnetospheric waves. Finally, the response features of radiation belt electron PSD at different energies are explored to analyze the responsible physical processes and mechanisms. This study will promote the development of the electron radiation belt prediction model to serve for the need of space weather forecast and space environment safety.

深入认知地球辐射带电子的动力学变化过程，需要获取三个绝热不变量组成的相空间坐标系下电子相空间密度的时空分布，以精确区分绝热与非绝热变化并探索引起非绝热变化的主导物理机制。本项目利用THEMIS和Van Allen Probes卫星关于地球辐射带电子微分通量的同步观测数据，数值计算广泛第一、第二绝热不变量组合对应的辐射带电子相空间密度，系统分析不同太阳风条件和地磁活动水平下辐射带电子相空间密度时空分布特性，归纳地磁暴与磁层亚暴过程中辐射带电子相空间密度增强事件与骤降事件的发生概率，定量研究与空间等离子体波动行为的关联性，并深入探索影响不同能量辐射带电子相空间密度动态响应特性的物理过程与物理机制。该研究有望取得创新性学术成果，推动辐射带动态预测模型的研发，服务于空间天气预报与空间环境安全需求。

深入认知地球辐射带电子的动力学变化过程，需要获取三个绝热不变量组成的相空间坐标系下电子相空间密度的时空分布，以精确区分绝热与非绝热变化并探索引起非绝热变化的主导物理机制。本项目通过利用THEMIS和Van Allen Probes卫星关于地球辐射带电子微分通量的同步观测数据，数值计算广泛第一、第二绝热不变量组合对应的辐射带电子相空间密度，系统分析了不同太阳风条件和地磁活动水平下辐射带电子相空间密度时空分布特性，定量研究了地磁暴与磁层亚暴过程中辐射带电子相空间密度增强事件与骤降事件与空间等离子体波动行为的关联性，并且深入探究了影响不同能量辐射带电子相空间密度动态响应特性的物理过程与物理机制。在项目执行期间共发表SCI论文54篇，包括包括Nature Physics论文1篇，Nature Communications论文2篇，GRL论文19篇，JGR-Space Physics论文16篇， Scientific Reports论文1篇，Physics of Plasmas论文2篇，Earth and Planetary Physics封面文章2篇。这些进展和结果较好地加深了对辐射带电子加速、损失与波粒能量转化的复杂过程与机制的全面认知，不仅对理解灾害性空间天气过程、效应与变化规律具有重要科学意义，也对提升空间辐射环境预报能力、保障在轨空间安全具有潜在的应用价值。