輻射帶電子沉降的數(shù)值研究結(jié)題摘要

本項(xiàng)目的研究背景在于通過(guò)數(shù)值與理論的方法，研究不同種類等離子體波動(dòng)以及非線性動(dòng)力學(xué)過(guò)程在電子沉降過(guò)程中的作用。通過(guò)本項(xiàng)目的支持，我們?nèi)〉昧艘韵聨c(diǎn)主要研究結(jié)果。1，通過(guò)結(jié)合層方法與保正和保單調(diào)性高精度插值算法，提出了求解輻射帶電子輸運(yùn)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(diǎn)是在效率與一般數(shù)值解法相當(dāng)?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(fù)的情況?？梢杂糜谀M輻射帶電子的加速與沉降過(guò)程。2, 理論推導(dǎo)了適用于實(shí)際波動(dòng)分布的彈跳共振擴(kuò)散系數(shù)。之前的彈跳共振理論假設(shè)等離子體波動(dòng)在空間上覆蓋整個(gè)粒子軌道，且南北半球波動(dòng)的角分布一致。而實(shí)際的等離子體波動(dòng)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(dòng)的角分布并不一致。因此之前的理論彈跳共振擴(kuò)散系數(shù)并不能直接應(yīng)用于實(shí)際的等離子體波動(dòng)。在本項(xiàng)目的支持下，我們推導(dǎo)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(dòng)所引起的彈跳共振擴(kuò)散系數(shù)。將該彈跳共振擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)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(dòng)相結(jié)合，可能引起90度投擲角電子通量通過(guò)電子沉降的方式降低，因此在輻射帶電子動(dòng)力學(xué)過(guò)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(shí)間是其中一重要因素。我們統(tǒng)計(jì)了合聲波的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，并解釋了該時(shí)長(zhǎng)日夜不對(duì)稱性的原因。4，通過(guò)觀測(cè)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(guò)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(dòng)，并解釋了三波的性質(zhì)對(duì)下帶合聲波的掃頻方向的影響。這些研究成果對(duì)進(jìn)一步理解波粒相互作用引起的電子沉降及其物理機(jī)制有重要意義。 2100433B

輻射帶高能（～MeV）電子可以對(duì)飛行器造成危害，其動(dòng)力學(xué)過(guò)程是空間天氣研究的一個(gè)重要部分。等離子體波動(dòng)與電子共振作用被認(rèn)為是輻射帶高能電子加速與丟失的一個(gè)重要機(jī)制。過(guò)去描述波動(dòng)造成的電子加速與丟失的定量分析主要使用準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)可能在輻射帶電子加速過(guò)程中扮演重要角色。針對(duì)該非線性運(yùn)動(dòng)在輻射帶電子沉降中重要性的研究比較缺乏，本項(xiàng)目使用測(cè)試粒子模擬方法，結(jié)合觀測(cè)結(jié)果，研究大幅度相干波動(dòng)造成的電子非線性運(yùn)動(dòng)對(duì)輻射帶電子沉降的影響，并探索通過(guò)反演揭示其在輻射帶電子動(dòng)力學(xué)過(guò)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(dòng)對(duì)電子沉降的相對(duì)貢獻(xiàn)，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(duì)揭示等離子體波動(dòng)造成的電子沉降在輻射帶電子通量降低過(guò)程中的作用具有重要意義。

沉降帶（zone of subsidence）通常指地臺(tái)內(nèi)部沉陷比較強(qiáng)烈的狹長(zhǎng)地帶。它在某一地質(zhì)時(shí)期下陷特別深，沉積也特別厚，有的還有火山噴發(fā)，構(gòu)造變動(dòng)比較強(qiáng)烈，形成中間類型褶皺，有時(shí)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(tái)邊緣的沉降帶分別叫做軸緣坳陷或臺(tái)緣坳陷。沉降帶也相當(dāng)于某些人認(rèn)為是準(zhǔn)地槽。

從80 年代開(kāi)始，輻射傳輸模式研究進(jìn)展迅速，著名的LOWTRAN 6 和7 就是這個(gè)時(shí)期發(fā)展起來(lái)的，由Chandrasekhar 提出的離散坐標(biāo)方法經(jīng)過(guò)Liou的發(fā)展，又經(jīng)過(guò)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(duì)利用IPCC AR4 全球氣候模式輸出結(jié)果的研究，揭示模擬中存在的主要問(wèn)題，為進(jìn)一步改進(jìn)氣候模式在東亞地區(qū)的模擬提供科學(xué)支持。

總體而言，地表太陽(yáng)輻射模擬可以分為3 種方法：

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

②經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用日照時(shí)數(shù)、氣溫、降水、相對(duì)濕度以及總云量等氣象數(shù)據(jù)與太陽(yáng)輻射實(shí)測(cè)值之間建立回歸關(guān)系式，由于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿Q于當(dāng)?shù)氐臍夂蚝偷匦螤顩r，因而難以推廣應(yīng)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?duì)大氣透過(guò)率函數(shù)及其關(guān)鍵影響因子進(jìn)行了參數(shù)化，且獨(dú)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(yīng)用，實(shí)現(xiàn)區(qū)域或大范圍太陽(yáng)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(yáng)輻射的有效方法。

它的特征是相對(duì)于鄰區(qū)地殼發(fā)生沉降，大量接受了來(lái)自兩側(cè)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(dòng)。例如大陸內(nèi)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。