地球辐射带高能电子时空变化机制

The flux increases of the Earth's radiation belt energetic electrons pose serious harm to the orbiting satellites and astronauts health. However, the mechanism responsible for the flux increases still requires systematical and deep research. In this project, we plan to adopt the three-dimensional ray tracing model and investigate the propagation, excitation and spatial distribution of various electromagnetic waves under different geomagnetic activities. We shall study the gyroresonance between electromagnetic waves and energetic electrons and derived the bounce-averaged expressions for diffusion coefficients in energy and pitch angle of various electromagnetic waves. We shall incorporate the adiabatic process, radial diffusion and wave-particle interaction and construct the corresponding three-dimensional Fokker-Planck diffusion equation. In the meanwhile, we shall perform data analysis and numerical simulation; and consider the seed electron injection and various loss processes. We shall calculate the combined acceleration by radial diffusion and wave-particle interaction and try to develop a numerical forecasting model for dynamic evolution of radiation belt energetic electrons based on realistic physical processes.

地球辐射带高能电子通量增加严重危害在轨航天器与航天员安全，但其演变机制有待于系统深入研究。本项目拟采用三维电磁波路径跟踪模型，系统研究不同地磁条件下各种电磁波模在辐射带区域的传播特性，激发条件以及空间分布特征；研究电磁波与高能电子回旋共振作用，导出各种电磁波模的能量与投掷角扩散系数的路径平均表达式。综合绝热过程，径向扩散和波-粒相互作用，建立基于这些物理过程的三维Fokker-Planck 动力学方程。同时进行观测数据与数值模拟，考虑种子电子注入，各种损失机制，计算波-粒相互作用和径向扩散对辐射带高能电子的共同加速效应，努力构建起基于真实物理过程的辐射带高能电子时空变化规律的数值预报模型。

通过数据处理，理论分析和数值模拟，研究了辐射带中不同电磁波模的激发过程，空间分.布与不稳定性特征，以及电磁波与径向扩散联合产生的高能粒子动力学演化过程。主要进.展如下：（1）快磁声波由能量为10keV左右的环分布特征质子激发，谐波静电波由损失.锥分布的50eV-10keV的热电子产生；高传播角合声波由具有温度与损失锥各向异性的能量.电子所产生。（2） 数据统计分析给出了谐波静电波和极光千米波的全球分布特征，发现.二者随着地磁活动增强而相应增强。快磁声波和谐波静电波主要局限于赤道附近；而极光.千米波辐射能从极区一直传播到赤道区域。研究了地面闪电激发的哨声波向上进入到地球.辐射带区域的波谱与磁层条件。确定了合声波转化为嘶声波的过程与磁层条件。（3） 进.一步完善了三维（包含波-粒相互作用和径向扩散过程）的Fokker-Planck 动力学方程；发.现快磁声波与合声波的共同加速能产生辐射带中心区域的相对论电子反常蝴蝶型分布, 观.测数据和三维数值模拟详细给出了在高L区域合声波能有效加速种子电子，然后向内径向.扩散进一步加速电子到相对论能量这一不同物理过程。（4） 提出了相对论效应是极低频合.声波的产生机制，发现极低频合声波能有效产生相对论电子损失这一新现象。以上这些进展.有助于最终开发出基于真实物理过程的辐射带高能电子通量变化的集成预报模型。