基于张衡一号卫星的人工地基VLF波的电子沉降带研究

The research on the physical mechanism affecting the adiabatic motion of high-energy electrons in radiation belts has been at the forefront of the field, especially the modulation effect of electromagnetic radiation from ground stations has attracted much attention in recent years. It has been found that the VLF electromagnetic wave of the ground station can cause the precipitation of high-energy electrons in the radiation belts through the wave-particle cyclotron resonance coupling, resulting in changes in the distribution of electron flux, energy spectrum and pitch angle. But at present, the research on the man-made electron precipitation belts caused by ground VLF signals is not deep enough. It is mainly limited by the observation ability of satellite on energy, direction and sensitivity, especially the measurement of pitch angle. In this project, based on the electromagnetic field and high-energy particle observation data of ZH-1 satellite, by background analysis,time-varying analysis, correlation analysis and significance analysis, we study the characteristics of energy spectrum, flux, pitch angle and spatial location distribution of the man-made precipited electron. Combining the theory of wave propagation and wave-particle interaction, the intrinsic relationship between VLF signal and electron precipitation belts is studied. The launching of ZH-1satellite in February 2018, with the solar synchronous orbit, provides a good opportunity for further study of the man-made electron precipitation belts induced by these ground-based VLF signals. This research is not only very important for studying the propagation characteristics of ground-based VLF waves in the ionosphere and magnetosphere, but also for the quantitative study of electron loss mechanism in the radiation belts.

辐射带高能电子绝热运动的物理机制研究一直处于前沿领域，尤其是来自地面站电磁辐射的调制效应在近年备受关注。地面站的VLF电磁波可以通过波-粒回旋共振耦合引起辐射带高能电子沉降，导致电子通量、能谱和投掷角分布的改变。但目前对VLF电磁波引起辐射带电子沉降的研究尚不深入，主要是受卫星能量、方向、灵敏度等观测能力的限制，尤其投掷角测量。本项目中，基于张衡一号卫星的电磁场和高能粒子观测数据，通过本底分析、时变分析、相关性、显著性等分析手段，研究人工电子沉降带的能谱、通量、投掷角和空间位置分布等特征。结合波的传播及波粒相互作用理论，研究VLF信号与辐射带电子沉降的内在关系。低轨太阳同步轨道卫星张衡一号卫星于2018年2月发射，提供了深入研究这些地基电磁信号激发的电子沉降带的好机会。此研究，不仅对于研究地基VLF波在电离层、磁层中的传播特征非常重要，对于散射辐射带电子丢失机制的定量研究也很重要。

辐射带高能电子绝热运动的物理机制研究一直处于前沿领域，尤其是来自地面站电磁辐射的调制效应在近年备受关注。地面站的VLF电磁波可以通过波-粒回旋共振耦合引起辐射带高能电子沉降，导致电子通量、能谱和投掷角分布的改变。但目前对VLF电磁波引起辐射带电子沉降的研究尚不深入，主要是受卫星能量、方向、灵敏度等观测能力的限制，尤其投掷角测量。.所以，本项目中，我们基于张衡一号卫星的电磁场和高能粒子观测数据，通过本底分析、时变分析、相关性、显著性等分析手段，研究人工电子沉降带的能谱、通量、投掷角和空间位置分布等特征。结合波的传播及波粒相互作用理论，研究了VLF信号与辐射带电子沉降的内在关系。低轨太阳同步轨道卫星张衡一号卫星于2018年2月发射，提供了深入研究这些地基电磁信号激发的电子沉降带的好机会。此研究，不仅对于研究地基VLF波在电离层、磁层中的传播特征非常重要，对于散射辐射带电子丢失机制的定量研究也很重要。.主要的研究内容包括：1）对张衡一号卫星的高能粒子探测器数据介绍和使用方法，以及其数据观测的优越性论述，2）联合DEMETER和Van　Allen　Probes卫星的电场观测数据对地基VLF信号的分析，并利用张衡一号卫星高能粒子探测器数据统计分析NWC信号激发的沉降电子带。3）分析磁暴期间VLF哨声波和磁声波在极低磁壳层(L=1.5~2)加速辐射带相对论电子现象分析， 4）磁暴期间由于磁场曲率散射导致内辐射带外边界的质子丢失现象分析，5）基于张衡一号卫星报道了太阳耀斑X射线增强和太阳质子事件的现象。.该研究对长距离通信领域具有重要的参考价值，对通信、导航环境的背景建立非常重要。也对电磁波在电离层中的传播特征和通过波粒相互作用引起粒子沉降的研究还有助于通过人工干预方法进行近地空间辐射信号移除计划的研究实施，可以人工干预方法改善空间辐射环境对航天器元器件的损害，降低对航天员的辐射。总之，在我国国防领域具有重要的应用前景。