地球辐射带高能粒子的暴时及长期变化研究

To understand the dynamics of the particles in radiation belts is of great importance for space physics and space weather. The hot topics on the radiation belt research are mainly concentrated in the dynamics of the outer belt electrons. However, according to the recent studies, the particles in the inner radiation belt also show clear variations during large geomagnetic storms. The storm-time variations are related with the mechanisms of generation and loss of the inner belt particles. Further research is needed to clarify the main controller of the storm-time variation of the inner belt. In this project, the storm-time and long-term variations of the radiation belt and the associated physics are studied with the long-term observations of several satellites (such as NOAA POES, SAMPEX, HEO et al.) , the models of radiation belts and storm-time geomagnetic field and the associated radiation belt theories. The focus of this study is on the temporal and spatial variations of the Southern Atlantic Anomaly (SAA) during geomagnetic storms, which is the base of establishing the dynamic model of inner radiation belt. With the developments of our space exploration, most of the satellites and manned spaceships are deployed in the Low Earth Orbit (LEO). SAA is the main threat for the spacecrafts in LEO. Therefore, the study on the storm-time and long-term variations of the inner belt (especially in SAA) and the establishment of our dynamic inner belt model are important for our space science and applications.

理解地球辐射带中高能粒子的动态变化对于空间物理研究和空间天气应用都具有十分重要的意义。当前辐射带研究的热点主要集中在外辐射带电子的动态变化。最新研究成果表明：在大磁暴期间地球内辐射带高能粒子也会出现明显变化。该变化与内辐射带粒子的产生和损失机制有关。相关研究还处于起步阶段，有待进一步研究。本项目计划采用NOAA、SAMPEX等多颗卫星的长期观测资料，利用现有地球辐射带模型和暴时地磁长模型，结合相关辐射带理论，研究辐射带高能粒子的暴时及长期变化以及相关物理过程。重点研究在大磁暴时南大西洋异常区的时空变化，为建立内辐射带动态模型提供基础。随着我国卫星及载人航天事业的发展，大量卫星和载人飞船运行在低地球轨道。南大西洋异常区是威胁我国低地球轨道空间资产的主要空间辐射区域。因此研究内辐射带，特别是南大西洋异常区的暴时及长期变化和相关物理过程，建立我国自主的内辐射带动态模型具有重要的理论和工程价值。

地球辐射带高能粒子的暴时及长期变化研究是空间物理研究和空间天气应用的重要课题。当前辐射带研究的热点主要集中在外辐射带电子的暴时动态变化，然而根据最新研究结果，在大磁暴期间地球内辐射带高能质子的时空分布也会出现明显变化。该变化与内辐射带粒子的产生和损失机制有关。相关研究还处于起步阶段，有待进一步研究。.本项目主要研究内容是利用NOAA、SAMPEX卫星的观测资料研究了南大西洋异常区高能质子的暴时及长期变化。南大西洋异常区（SAA）是所有在LEO轨道运行的航天器都会遭遇的一个重要的空间辐射区域。航天器在通过SAA时经常会出现单粒子翻转、甚至锁定等异常。因此SAA的存在严重影响低轨卫星和空间站的运行安全，对宇航员的安全也造成严重威胁。目前对SAA的研究只能研究其长期变化，时间分辨率最大为1个月。而磁暴的时间尺度为2-3天，而目前的SAA研究根本无法反应暴时SAA的变化。在本项目中，我们提出了5天滑动窗口法，将SAA两个重要参数（异常区最大质子通量maxSAA和异常区面积areaSAA）的时间分辨率从1个月提高到了2-3天。本项目首次实现了对SAA参数暴时变化的研究。我们随后详细讨论了大磁暴时内辐射带外边界质子损失事件和异常区中心损失事件差异以及可能的引发机制，首次提出异常区中心损失事件可能是由大磁暴时内辐射带质子的Dst效应引发。利用NOAA和SAMPEX卫星的长期观测结果以及最新的地磁场模型，我们研究了异常区的长期演化。内辐射带质子和南大西洋异常区暴时变化的研究，为我们进一步理解辐射带的动态变化，特别是磁暴时内辐射带质子的损失和分布机制提供了新的视角，对于研究近地轨道空间环境、建立内辐射带动态模型和LEO轨道卫星安全防护具有重要意义。.另外，在本项目的支持下，我们对自己研发的小孔成像中能电子探测器进行了有效的角度响应测试和反质子污染设计。该仪器于2015年成功发射后，我们用该仪器数据成功进行了亚暴粒子注入、极尖区能量电子事件等相关研究工作。