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[硕士论文] 王晨煜
空间物理学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:地球电子外辐射带的变化非常剧烈和复杂,尤其是地磁暴期间。外辐射带中的高能粒子可能会对卫星的正常运行造成严重危害,同时,辐射带也是太阳活动与全球气候变化的一个重要纽带,所以针对辐射带电子动态变化的研究一直是空间物理领域的一个热门方向。本论文关注辐射带电子动力学过程的三维模型的构建,并将其运用于一个具体事件,定量分析了各类物理机制在这一事件中的相对作用。
  使用最新发表的layer method方法,我们将其推广到三维,并开发了一个三维的扩散程序以模拟辐射带电子动力学过程。这一程序可以保证即使在混合扩散项存在的情况下求解结果依然不会出现负值。与大多数已经开发出的程序不同,我们的三维程序可以直接在赤道投掷角(α0)、动量(p)、磁壳数(L shell)上进行求解,而不需要在(α0,p)坐标系和绝热不变量坐标系之间进行来回插值转换。直接使用(α0,p,L)坐标系也可以方便模拟结果与卫星数据的比较。我们使用不同的数值测试验证了程序的正确性。我们将三维layer method程序用于模拟2013年3月17号地磁暴事件中的电子通量快速增长现象,这也是一个GEM Focus Group列出的挑战事件。在模拟中,我们使用了一个基于本次事件的全球合声波模型,一个与地磁AL指数相关的等离子体层嘶声波的最新统计模型,以及一个新发表的基于Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms (THEMIS)卫星统计数据的径向扩散模型。我们的模拟结果与卫星观测数据有很好的一致性,表明这一事件中辐射带电子通量的快速增强源自于由径向扩散导致的种子电子通量的增强以及之后的合声波的加速作用。我们的模拟结果证明,layer method可以用于进行辐射带全球动态变化的三维模拟。
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