空间高能粒子对频率已知电磁信号的耦合响应特征分析

我国即将于2014年左右发射首颗电磁监测试验卫星，高能粒子探测就是该卫星上的有效载荷之一。为充分、有效利用未来卫星观测的高能粒子数据，需要提前开展有关卫星观测的高能粒子数据与地震相关性的研究，包括地震电磁辐射与空间高能粒子的耦合机理问题。本项目的主要目的就是检验电磁信号和高能电子、高能质子沉降的关联性，主要从三个方面开展：一是历史震例统计分析，初步总结地震与震前地面电磁辐射信号（频率、强度、出现时间、持续时间、空间位置）和空间粒子沉降（粒子种类、粒子能量、出现时间、持续时间）等的关联特征；二是通过蒙特卡罗方法模拟、对比空间电子和质子与不同频率（VLF和ELF信号）和强度的电磁信号耦合后的表现特征；三是以地基VLF发射站信号传播至空间之后的信号做检验，与法国DEMETER卫星实际观测的高能电子频谱结果进行对比。通过该研究，可以明确什么样的电磁信号可以与卫星高度的高能粒子耦合以及其表现特征。

2013年8月，国家国防科技工业局和财政部正式批复了电磁监测试验卫星工程，电磁监测卫星02星也已纳入国家航天“十三五”规划先期实施计划当中。本项目的出发点是在我国首颗电磁监测试验卫星发射之前，开展相应的数据处理技术及与地震孕育相关的机理研究，为空间高能粒子探测地震前兆信号找出统计依据和理论支持。本项目主要从四个方面开展研究：一是调研和统计震前地面电磁辐射特征与高能粒子沉降特征，发现震前地面电磁信号的频带范围虽然在低频范围，但包括了ELF、VLF和ULF等频段，地震和空间高能粒子沉降的统计结果表明二者之间有一定的关联性，在时间尺度上主要集中在一周以内；二是通过NWC地基VLF信号和DEMETER卫星观测的电子通量分析，发现了NWC站的VLF信号在空间造成的四个条带及其特征异同点；三是模拟分析了地基VLF信号的传播过程，采用Gram-Schmidt正交化方法克服传播过程中的数值不稳定和溢出问题，分析计算了地震可能产生的小尺度的电离层电子和离子密度变化对卫星高度的电磁场影响；四是基于准线性扩散理论，模拟分析了波粒耦合特征，并与DEMETER卫星实际观测结果进行了比对，发现其在趋势上的一致性。研究结果表明，基于卫星的空间高能粒子探测作为空间环境探测重要的组成部分，空间高能粒子通量的空间分布变化和强地震之间存在一定的统计特征，这种统计特征与理论模拟的波粒耦合相互作用特征基本一致。