輻射帶電子沉降的數(shù)值研究

本項目的研究背景在于通過數(shù)值與理論的方法，研究不同種類等離子體波動以及非線性動力學過程在電子沉降過程中的作用。通過本項目的支持，我們取得了以下幾點主要研究結果。1，通過結合層方法與保正和保單調性高精度插值算法，提出了求解輻射帶電子輸運方程的高效保正解法，并推廣至三維模擬。該方法的主要優(yōu)點是在效率與一般數(shù)值解法相當?shù)那闆r下，避免一般解法出現(xiàn)的非物理的振蕩解和相空間密度為負的情況?？梢杂糜谀M輻射帶電子的加速與沉降過程。2, 理論推導了適用于實際波動分布的彈跳共振擴散系數(shù)。之前的彈跳共振理論假設等離子體波動在空間上覆蓋整個粒子軌道，且南北半球波動的角分布一致。而實際的等離子體波動往往具有有限空間分布，且源位于赤道面附近，所以南北半球波動的角分布并不一致。因此之前的理論彈跳共振擴散系數(shù)并不能直接應用于實際的等離子體波動。在本項目的支持下，我們推導了適用于有限空間分布且源位于赤道附近的等離子體波動所引起的彈跳共振擴散系數(shù)。將該彈跳共振擴散系數(shù)應用于磁聲波，表明彈跳共振可以引起90度投擲角的電子散射。如果與其它波動相結合，可能引起90度投擲角電子通量通過電子沉降的方式降低，因此在輻射帶電子動力學過程中扮演重要角色。3，之前的研究表明高度相干的合聲波可以引起電子的快速沉降，而合聲波的持續(xù)時間是其中一重要因素。我們統(tǒng)計了合聲波的持續(xù)時長，并解釋了該時長日夜不對稱性的原因。4，通過觀測發(fā)現(xiàn)了三波耦合所引起的下帶斜傳播合聲波。之前的研究表明，相比于平行傳播的合聲波，斜傳播的合聲波可能更易引起電子的沉降。我們通過一事例首次展示了三波耦合所產(chǎn)生的下帶斜傳播合聲波動，并解釋了三波的性質對下帶合聲波的掃頻方向的影響。這些研究成果對進一步理解波粒相互作用引起的電子沉降及其物理機制有重要意義。 2100433B

輻射帶高能（～MeV）電子可以對飛行器造成危害，其動力學過程是空間天氣研究的一個重要部分。等離子體波動與電子共振作用被認為是輻射帶高能電子加速與丟失的一個重要機制。過去描述波動造成的電子加速與丟失的定量分析主要使用準線性理論。但最新的研究顯示，大幅度相干等離子體波造成的電子非線性運動可能在輻射帶電子加速過程中扮演重要角色。針對該非線性運動在輻射帶電子沉降中重要性的研究比較缺乏，本項目使用測試粒子模擬方法，結合觀測結果，研究大幅度相干波動造成的電子非線性運動對輻射帶電子沉降的影響，并探索通過反演揭示其在輻射帶電子動力學過程中的重要性。我們還將系統(tǒng)地分析幾種重要的等離子體波動對電子沉降的相對貢獻，這包括電磁離子回旋波，嘶聲，合聲, 以及大幅度相干哨聲波。該研究對揭示等離子體波動造成的電子沉降在輻射帶電子通量降低過程中的作用具有重要意義。

沉降帶（zone of subsidence）通常指地臺內部沉陷比較強烈的狹長地帶。它在某一地質時期下陷特別深，沉積也特別厚，有的還有火山噴發(fā)，構造變動比較強烈，形成中間類型褶皺，有時伴有花崗巖侵入，如燕山沉降帶。沉降帶又叫沉陷帶。有人把地軸邊緣和地臺邊緣的沉降帶分別叫做軸緣坳陷或臺緣坳陷。沉降帶也相當于某些人認為是準地槽。

從80 年代開始，輻射傳輸模式研究進展迅速，著名的LOWTRAN 6 和7 就是這個時期發(fā)展起來的，由Chandrasekhar 提出的離散坐標方法經(jīng)過Liou的發(fā)展，又經(jīng)過Stamrles 等的發(fā)展，已經(jīng)趨于成熟?，F(xiàn)在Stamnes 等發(fā)展的DISORT 程序廣泛流傳。汪方等 對利用IPCC AR4 全球氣候模式輸出結果的研究，揭示模擬中存在的主要問題，為進一步改進氣候模式在東亞地區(qū)的模擬提供科學支持。

總體而言，地表太陽輻射模擬可以分為3 種方法：

①復雜的輻射傳輸模型，將垂直大氣視為非勻質的多層組成，并分別計算每層大氣對太陽輻射的散射和吸收效應， 這類模型以LOWTRANMODTRAN為代表，由于實際大氣參數(shù)數(shù)據(jù)難以獲得以及需要較多的機時，因而該方法在實際應用中受到限制；

②經(jīng)驗模型，利用日照時數(shù)、氣溫、降水、相對濕度以及總云量等氣象數(shù)據(jù)與太陽輻射實測值之間建立回歸關系式，由于經(jīng)驗模型取決于當?shù)氐臍夂蚝偷匦螤顩r，因而難以推廣應用到大的區(qū)域和全球尺度；

③參數(shù)模型由于基于光譜傳輸?shù)奈锢碓聿Υ髿馔高^率函數(shù)及其關鍵影響因子進行了參數(shù)化，且獨立于特定的氣候條件，因而能獲得較高的模擬精度，易于推廣應用，實現(xiàn)區(qū)域或大范圍太陽輻射制圖。目前，利用常規(guī)氣象資料與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)模擬成為獲取地表太陽輻射的有效方法。

它的特征是相對于鄰區(qū)地殼發(fā)生沉降，大量接受了來自兩側隆起區(qū)的巨厚堆積物，有的還伴生有大規(guī)模的巖漿活動。例如大陸內部的裂谷和裂陷槽等，還有山前和山間接受沉積的拗陷地帶等。