在磁扰期间,当辐射带粒子的捕获条件受到破坏时,部分粒子还可被散射到极区电离层中。
带电粒子在地球磁场中的基本运动可以分解成三个部分,即:
围绕磁力线回旋运动;沿着磁力线的弹跳运动;垂直磁力线的漂移运动(离子向西漂移,电子向东漂移)(图-2)。
在内磁层,磁场近似于偶极子场。
一个捕获粒子在内磁层沿经度漂移的过程中,该粒子的磁镜点在南北半球高纬区分别划出两个圆,连接着两个圆的所有磁力线段形成一个磁壳,称为漂移壳。
漂移壳可以用磁镜点的磁场强度Bm和磁壳在赤道面的地心距离L来表示,即(L,B)标。
被束缚在漂移壳上运动的带电粒子可以存在很长的时间,因此我们称之为捕获粒子。
地球辐射带捕获的主要为1-100MeV的质子和100KeV-20MeV的电子,此外还有少量的重离子。
图-2带电粒子在辐射带中的运动
但由于地磁场并不是一个真正的偶极场,带电粒子在实际地磁场中运动还包括粒子漂移壳的分裂及漂移损失等。
另外辐射带的带电粒子还不断与大气粒子碰撞而损失。
实际辐射带结构是一个向内的扩散和碰撞损失的平衡结构。
2.1辐射带质子分布
大于10MeV的高能质子主要分布于2000km以下,且集中在内辐射带。
而低能质子的分布的范围很广,低于1MeV的质子可以伸展至地球同步高度以上。
通常认为内辐射带质子主要来源于宇宙线粒子。
一个进入地球磁层的宇宙质子与大气原子相碰撞,产生一个中子。
其中一些中子到达磁层,在那里衰变成质子,并被地磁场捕获。
这一过程也称为宇宙线反照中子衰变(RAND)。
外辐射带质子被认为是由外磁层扩散进来的。
2.2国际参考低磁场(IGRF)
地磁场由起源地球内部的基本磁场和起源于地球附近电流系的外源场组成。
因此地磁场模式一般也分为两类,一类是描述基本磁场分布的基本磁场模式,另一类是描述外源场分布的外源场模式。
地表面以上空间内磁势满足Laplace方程▽²V=0,在球坐标系中利用分离变量法可以得到表达为球谐级数和的形式的地球基本磁场。
根据磁场探测数据拟合得到一组球谐级数的高斯系数,就得到一个基本磁场的分布模式。
目前国际上最通用的基本磁场模式是国际参照磁场模式(IGRF)。
地磁和高空物理协会IAGA每五年根据地磁场的探测数据,给出一组高斯系数表示基本磁场的模式。
低轨道空间环境中,基本磁场是地磁场的主要部分,基本磁场模式就可较好地反映空间磁场的分布。
6个地球半径以外,则必须考虑外源场对地磁场的贡献。
2.3南大西洋异常区SAA(SouthAtlanticAnomaly)
由于地球偶极磁轴相对于地球自转轴的偏移和倾斜以及地磁场本身的影响,在南大西洋地区存在一个磁场强度低而辐射强度极高的区域,即南大西洋异常区SAA(SouthAtlanticAnomaly)。
其中心约位于西经45度,南纬30度。
整体异常尺度很大,从东经15度到西经120度。
SAA区域磁场总强度低于同纬度正常区域磁场的一半左右。
因为磁场强度低,辐射带粒子在这里的镜点高度比正常区域低很多,因而在200公里的高度就有很强的高能粒子辐射通量。
南大西洋异常区中心有不同的定义方式。
D.Heynderickx指出可以通过以下三种方法估计SAA的中心位置:
1.地磁场偏心偶极近似中心的磁镜点位置;
2.南大西洋异常区在固定高度下地磁场的最小值所在位置;
3.南大西洋异常区粒子通量最大值所在位置。
三种方式计算出来的SAA中心位置可能有一定差异,经度差别在10°以内,纬度差别在20°以内。
图-2.3.1是地球上层大气粒子通量分布图,显然,同等高度下SAA粒子通量明显高于其他地区。
图-2.3.1地球上层大气粒子通量分布,图上已标明SAA位置
图2.3.2是我们利用国际地磁参考场(IGRF95)获得的2000年地磁场强度(高斯)的等值线图。
我们可以清楚的看到,南大西洋异常区(SAA)磁场强度约为0.16-0.18高斯,而周围的磁场强度大于0.20高斯。
图-2.3.2基于IGRF95的2000年全球地磁场强度(GAUSS)分布图。
2.4NASA辐射带模型
NASA辐射带模型AE-8和AP-8是从1966年第一代NASA辐射带模型AE-1和AP-1发展而来的一系列模型的最新版本。
构造AE-8和AP-8模型的数据来自60年代初到70年代中期20多颗卫星的数据。
模型给出的辐射带电子通量和质子通量的能量范围分别为0.04MeV-7MeV和0.1MeV-400MeV,空间范围分别为L=1.14-12和L=1.14-6,因此在空间和能量覆盖等方面具有一定优势。
这一系列的电子和质子模型可以定量地给出一个平均的粒子通量,但它仅仅考虑了空间天气长期效应,把模型分为太阳活动高年和低年,而
没有考虑其它时间尺度的变化。
三、TIROS/NOAA卫星简介及技术指标
TIROS/NOAA(TelevisionandInfraredObservationSatellite/NationalOceanicandAtmosphericAdministration)是美国国家海洋大气局自1978年起发射的一系列的低高度、极轨天气卫星。
这些卫星携带了空间环境探测器SEM(SpaceEnvironmentMonitor)沿卫星轨道探测离子和电子通量。
位于美国科罗拉多空间环境实验室的空间环境服务中心几乎与卫星同步接受SEM的探测数据。
TIROS/NOAA卫星高度约850km,倾角约99º。
卫星轨道基本覆盖了所有的经度和-81º至81º的纬度范围。
其实际高度变化范围约是800km