辐射带高能粒子探测数据的分析与研究文档格式.docx

1、初步结果显示近二十年高能质子通量呈现长期的逐渐增强趋势、太阳11年周期变化及季节性变化。NASA的辐射带模型主要根据70年代及其以前的卫星探测数据而制定的一个静态的、统计平均的模型，存在的主要问题是精度低、不能反映粒子随不同时间尺度变化等问题。本文利用实测的卫星数据与NASA的AP8模型给出得结果进行了比较.结果表明AP8模型普遍低估了同时期的中高能质子的通量。AbstractThere is the most intense radiation hazard in the radiation belts in the Sun-terrestrial space. Most of the sp

2、ace accidents occurred in the radiation belts. The recent research indicates that the particles in the radiation belts have dynamic distributions over different time scales. Based on the data of particles in the inner zone for nearly two solar cycles provided by the low altitude （870km） weather sate

3、llites TIROS/NOAA, we have analyzed the change of the flux of high-energy protons in various time and energy scales. The preliminary results indicate that over the past twenty years the flux of protons have increased significantly and varied along with both the eleven-year solar cycle and seasons. T

4、he NASA AP8 models are static, statistical average models based on the data of satellites of the 1970s or earlier. So they are not precise and ignore many problems such as the change of the particles in various time scales. In this paper we compare TIROS/NOAA satellite data and AP8 model predictions

5、. The results show that AP8 underestimated the flux of protons in different energy ranges。一、 引言早在五十年代，人们就发现了辐射带而且立刻认识到了它对空间任务的危害性。辐射带是地球空间最严重的辐射环境区，而绝大多数卫星都要运行在此环境之中。航天器在轨道上运行时会遭遇到高能粒子。高能质子及重粒子会改变卫星上的微电子器件状态，从而使航天器发生异常或故障，如单粒子翻转。它也会使功能材料的性能下降。它对宇航员的安全造成极大威胁，另外它产生的辐射（如轫致辐射）对人的生命也造成威胁。高能电子会对卫星外壳材料进行表面

6、和深层充电，破坏卫星表面和内部的仪器。因此，一直以来人们都付出很大的努力去开发一个辐射带模型，最终NASA的AE-8（电子）和AP-8（质子）模型由于在空间和能量覆盖等方面的优势成为自70年代以来被最广泛应用和承认的辐射带模型。1990年美国空军发射了CRRES（The Combined Release and Radiation Effect Satellite）卫星，从CRRES卫星的数据证明了辐射带的环境远比NASA辐射带模型描述的静态辐射环境复杂的多。辐射带随空间尤其是时间变化的重要性比以前想象的要重要的多。NASA的AE-8（电子）和AP-8（质子）模型是一个静态、平均统计的模型，主

7、要根据70年代及其以前的卫星探测数据而制定的，存在的主要问题是精度低、不能反映粒子分布随太阳活动及地磁活动的变化。而近来的研究已经证明辐射带粒子实际上是随不同时间尺度动态分布的。其中大时间尺度变化主要是由于地磁场长期变化引起的；小时间尺度主要指太阳活动周期和季节的变化；通过研究辐射带不同尺度动力学变化，可以正确估计地球辐射带的辐射环境、准确计算辐射通量有很重要的意义。对合理设计卫星，以及通过预报辐射通量预防卫星灾害性事件有很大的帮助。二、地球辐射带结构和基本概念1958年，Van Allen等利用Explorer系列卫星上的盖革计数器首先发现辐射带（Van Allen带）。磁层中的辐射带是一个

8、充满了被捕获的带电能量粒子的区域。内辐射带主要成分为质子，分布在距离地心2.5RE附近，质子最大通量可达到105/cm2s,它主要来源于银河宇宙射线粒子；外辐射带占优势的为能量电子，主要分布在3-7RE处, 最大通量为109/cm2s,一般认为这些能量电子是在磁层内获得能量的，实际上其加热机制尚不清楚。近来发现还存在一个反常宇宙线带和第二质子带。在“磁静日”辐射带的四周边界很清楚，内辐射带位于1.1L2.5,外辐射带位于3.58,在2.53.5处有一个槽区，这里通常很少有能量粒子存在，但在活动期间很容易被能量粒子所填充。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

9、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-

10、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

11、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V=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

12、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（South Atlantic Anomaly）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（South Atlantic Anomaly）。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2

13、00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

14、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IGRF 95的2000年全球地磁场强度（GAUSS）分布图。2.4 NASA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=1.1

15、4-6，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 （Television and Infrared Observation Satellite/ National Oceanic and Atmospheric Administration）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 （Space Environment Monitor） 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99。卫星轨道基本覆盖了所有的经度和-81至81的纬度范围。其实际高度变化范围约是800km