輻射帶高能粒子探測數(shù)據(jù)的分析與研究

北京大學校長基金論文(2003)輻射帶高能粒子探測數(shù)據(jù)的分析與研究PAGEPAGE16北京大學第一屆“校長”基金論文輻射帶高能粒子探測數(shù)據(jù)的分析與研究二零零三年十月輻射帶高能粒子探測數(shù)據(jù)的分析與研究00級地球物理系空間物理專業(yè)陸彥摘要輻射帶是地球空間中最嚴重的輻射環(huán)境區(qū)，地球軌道附近的空間事故絕大部分發(fā)生在輻射帶。近來的研究證明輻射帶粒子隨不同時間尺度動態(tài)分布。本文利用低高度(870km)天氣衛(wèi)星TIROS/NOAA提供的內(nèi)輻射帶近兩個太陽活動周期的各種能量的粒子數(shù)據(jù)，分析了不同時間和能量尺度上高能質(zhì)子通量變化。初步結(jié)果顯示近二十年高能質(zhì)子通量呈現(xiàn)長期的逐漸增強趨勢、太陽11年周期變化及季節(jié)性變化。NASA的輻射帶模型主要根據(jù)70年代及其以前的衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)而制定的一個靜態(tài)的、統(tǒng)計平均的模型，存在的主要問題是精度低、不能反映粒子隨不同時間尺度變化等問題。本文利用實測的衛(wèi)星數(shù)據(jù)與NASA的AP8模型給出得結(jié)果進行了比較.結(jié)果表明AP8模型普遍低估了同時期的中高能質(zhì)子的通量。AbstractThereisthemostintenseradiationhazardintheradiationbeltsintheSun-terrestrialspace.Mostofthespaceaccidentsoccurredintheradiationbelts.Therecentresearchindicatesthattheparticlesintheradiationbeltshavedynamicdistributionsoverdifferenttimescales.Basedonthedataofparticlesintheinnerzonefornearlytwosolarcyclesprovidedbythelowaltitude(870km)weathersatellitesTIROS/NOAA,wehaveanalyzedthechangeofthefluxofhigh-energyprotonsinvarioustimeandenergyscales.Thepreliminaryresultsindicatethatoverthepasttwentyyearsthefluxofprotonshaveincreasedsignificantlyandvariedalongwithboththeeleven-yearsolarcycleandseasons.TheNASAAP8modelsarestatic,statisticalaveragemodelsbasedonthedataofsatellitesofthe1970sorearlier.Sotheyarenotpreciseandignoremanyproblemssuchasthechangeoftheparticlesinvarioustimescales.InthispaperwecompareTIROS/NOAAsatellitedataandAP8modelpredictions.TheresultsshowthatAP8underestimatedthefluxofprotonsindifferentenergyranges。引言早在五十年代，人們就發(fā)現(xiàn)了輻射帶而且立刻認識到了它對空間任務(wù)的危害性。輻射帶是地球空間最嚴重的輻射環(huán)境區(qū)，而絕大多數(shù)衛(wèi)星都要運行在此環(huán)境之中。航天器在軌道上運行時會遭遇到高能粒子。高能質(zhì)子及重粒子會改變衛(wèi)星上的微電子器件狀態(tài)，從而使航天器發(fā)生異?；蚬收?，如單粒子翻轉(zhuǎn)。它也會使功能材料的性能下降。它對宇航員的安全造成極大威脅，另外它產(chǎn)生的輻射(如軔致輻射)對人的生命也造成威脅。高能電子會對衛(wèi)星外殼材料進行表面和深層充電，破壞衛(wèi)星表面和內(nèi)部的儀器。因此，一直以來人們都付出很大的努力去開發(fā)一個輻射帶模型，最終NASA的AE-8（電子）和AP-8（質(zhì)子）模型由于在空間和能量覆蓋等方面的優(yōu)勢成為自70年代以來被最廣泛應(yīng)用和承認的輻射帶模型。1990年美國空軍發(fā)射了CRRES（TheCombinedReleaseandRadiationEffectSatellite）衛(wèi)星，從CRRES衛(wèi)星的數(shù)據(jù)證明了輻射帶的環(huán)境遠比NASA輻射帶模型描述的靜態(tài)輻射環(huán)境復(fù)雜的多。輻射帶隨空間尤其是時間變化的重要性比以前想象的要重要的多。NASA的AE-8（電子）和AP-8（質(zhì)子）模型是一個靜態(tài)、平均統(tǒng)計的模型，主要根據(jù)70年代及其以前的衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)而制定的，存在的主要問題是精度低、不能反映粒子分布隨太陽活動及地磁活動的變化。而近來的研究已經(jīng)證明輻射帶粒子實際上是隨不同時間尺度動態(tài)分布的。其中大時間尺度變化主要是由于地磁場長期變化引起的；小時間尺度主要指太陽活動周期和季節(jié)的變化；通過研究輻射帶不同尺度動力學變化，可以正確估計地球輻射帶的輻射環(huán)境、準確計算輻射通量有很重要的意義。對合理設(shè)計衛(wèi)星，以及通過預(yù)報輻射通量預(yù)防衛(wèi)星災(zāi)害性事件有很大的幫助。二、地球輻射帶結(jié)構(gòu)和基本概念1958年，VanAllen等利用Explorer系列衛(wèi)星上的蓋革計數(shù)器首先發(fā)現(xiàn)輻射帶(VanAllen帶)。磁層中的輻射帶是一個充滿了被捕獲的帶電能量粒子的區(qū)域。內(nèi)輻射帶主要成分為質(zhì)子，分布在距離地心2.5RE附近，質(zhì)子最大通量可達到105/cm2s,它主要來源于銀河宇宙射線粒子；外輻射帶占優(yōu)勢的為能量電子，主要分布在3-7RE處,最大通量為109/cm2s,一般認為這些能量電子是在磁層內(nèi)獲得能量的，實際上其加熱機制尚不清楚。近來發(fā)現(xiàn)還存在一個反常宇宙線帶和第二質(zhì)子帶。在“磁靜日”輻射帶的四周邊界很清楚，內(nèi)輻射帶位于1.1<L<2.5,外輻射帶位于3.5<L<8,在2.5<L<3.5處有一個槽區(qū)，這里通常很少有能量粒子存在，但在活動期間很容易被能量粒子所填充。在磁擾期間，當輻射帶粒子的捕獲條件受到破壞時，部分粒子還可被散射到極區(qū)電離層中。帶電粒子在地球磁場中的基本運動可以分解成三個部分，即：圍繞磁力線回旋運動；沿著磁力線的彈跳運動；垂直磁力線的漂移運動(離子向西漂移，電子向東漂移)(圖-2)。在內(nèi)磁層，磁場近似于偶極子場。一個捕獲粒子在內(nèi)磁層沿經(jīng)度漂移的過程中，該粒子的磁鏡點在南北半球高緯區(qū)分別劃出兩個圓，連接著兩個圓的所有磁力線段形成一個磁殼，稱為漂移殼。漂移殼可以用磁鏡點的磁場強度Bm和磁殼在赤道面的地心距離L來表示，即(L,B)標。被束縛在漂移殼上運動的帶電粒子可以存在很長的時間，因此我們稱之為捕獲粒子。地球輻射帶捕獲的主要為1-100MeV的質(zhì)子和100KeV-20MeV的電子,此外還有少量的重離子。圖-2帶電粒子在輻射帶中的運動但由于地磁場并不是一個真正的偶極場，帶電粒子在實際地磁場中運動還包括粒子漂移殼的分裂及漂移損失等。另外輻射帶的帶電粒子還不斷與大氣粒子碰撞而損失。實際輻射帶結(jié)構(gòu)是一個向內(nèi)的擴散和碰撞損失的平衡結(jié)構(gòu)。2.1輻射帶質(zhì)子分布大于10MeV的高能質(zhì)子主要分布于2000km以下，且集中在內(nèi)輻射帶。而低能質(zhì)子的分布的范圍很廣，低于1MeV的質(zhì)子可以伸展至地球同步高度以上。通常認為內(nèi)輻射帶質(zhì)子主要來源于宇宙線粒子。一個進入地球磁層的宇宙質(zhì)子與大氣原子相碰撞，產(chǎn)生一個中子。其中一些中子到達磁層，在那里衰變成質(zhì)子，并被地磁場捕獲。這一過程也稱為宇宙線反照中子衰變(RAND)。外輻射帶質(zhì)子被認為是由外磁層擴散進來的。2.2國際參考低磁場(IGRF)地磁場由起源地球內(nèi)部的基本磁場和起源于地球附近電流系的外源場組成。因此地磁場模式一般也分為兩類，一類是描述基本磁場分布的基本磁場模式，另一類是描述外源場分布的外源場模式。地表面以上空間內(nèi)磁勢滿足Laplace方程▽2V=0，在球坐標系中利用分離變量法可以得到表達為球諧級數(shù)和的形式的地球基本磁場。根據(jù)磁場探測數(shù)據(jù)擬合得到一組球諧級數(shù)的高斯系數(shù)，就得到一個基本磁場的分布模式。目前國際上最通用的基本磁場模式是國際參照磁場模式(IGRF)。地磁和高空物理協(xié)會IAGA每五年根據(jù)地磁場的探測數(shù)據(jù)，給出一組高斯系數(shù)表示基本磁場的模式。低軌道空間環(huán)境中，基本磁場是地磁場的主要部分，基本磁場模式就可較好地反映空間磁場的分布。6個地球半徑以外，則必須考慮外源場對地磁場的貢獻。2.3南大西洋異常區(qū)SAA(SouthAtlanticAnomaly)由于地球偶極磁軸相對于地球自轉(zhuǎn)軸的偏移和傾斜以及地磁場本身的影響，在南大西洋地區(qū)存在一個磁場強度低而輻射強度極高的區(qū)域，即南大西洋異常區(qū)SAA(SouthAtlanticAnomaly)。其中心約位于西經(jīng)45度，南緯30度。整體異常尺度很大，從東經(jīng)15度到西經(jīng)120度。SAA區(qū)域磁場總強度低于同緯度正常區(qū)域磁場的一半左右。因為磁場強度低，輻射帶粒子在這里的鏡點高度比正常區(qū)域低很多，因而在200公里的高度就有很強的高能粒子輻射通量。南大西洋異常區(qū)中心有不同的定義方式。D.Heynderickx指出可以通過以下三種方法估計SAA的中心位置:地磁場偏心偶極近似中心的磁鏡點位置；南大西洋異常區(qū)在固定高度下地磁場的最小值所在位置；南大西洋異常區(qū)粒子通量最大值所在位置。三種方式計算出來的SAA中心位置可能有一定差異，經(jīng)度差別在10°以內(nèi)，緯度差別在20°以內(nèi)。圖-2.3.1是地球上層大氣粒子通量分布圖，顯然，同等高度下SAA粒子通量明顯高于其他地區(qū)。圖-2.3.1地球上層大氣粒子通量分布，圖上已標明SAA位置圖2.3.2是我們利用國際地磁參考場(IGRF95)獲得的2000年地磁場強度(高斯)的等值線圖。我們可以清楚的看到，南大西洋異常區(qū)(SAA)磁場強度約為0.16-0.18高斯，而周圍的磁場強度大于0.20高斯。圖-2.3.2基于IGRF95的2000年全球地磁場強度（GAUSS）分布圖。2.4NASA輻射帶模型NASA輻射帶模型AE-8和AP-8是從1966年第一代NASA輻射帶模型AE-1和AP-1發(fā)展而來的一系列模型的最新版本。構(gòu)造AE-8和AP-8模型的數(shù)據(jù)來自60年代初到70年代中期20多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。模型給出的輻射帶電子通量和質(zhì)子通量的能量范圍分別為0.04MeV-7MeV和0.1MeV-400MeV，空間范圍分別為L=1.14-12和L=1.14-6，因此在空間和能量覆蓋等方面具有一定優(yōu)勢。這一系列的電子和質(zhì)子模型可以定量地給出一個平均的粒子通量，但它僅僅考慮了空間天氣長期效應(yīng)，把模型分為太陽活動高年和低年，而沒有考慮其它時間尺度的變化。三、TIROS/NOAA衛(wèi)星簡介及技術(shù)指標TIROS/NOAA(TelevisionandInfraredObservationSatellite/NationalOceanicandAtmosphericAdministration)是美國國家海洋大氣局自1978年起發(fā)射的一系列的低高度、極軌天氣衛(wèi)星。這些衛(wèi)星攜帶了空間環(huán)境探測器SEM(SpaceEnvironmentMonitor)沿衛(wèi)星軌道探測離子和電子通量。位于美國科羅拉多空間環(huán)境實驗室的空間環(huán)境服務(wù)中心幾乎與衛(wèi)星同步接受SEM的探測數(shù)據(jù)。TIROS/NOAA衛(wèi)星高度約850km,傾角約99o。衛(wèi)星軌道基本覆蓋了所有的經(jīng)度和-81o至81o的緯度范圍。其實際高度變化范圍約是800km到850km,實際傾角變化范圍約是98.5o到99.0o。表-3給出的是TIROS/NOAA系列衛(wèi)星運行的具體高度和傾角。表-3TIROS/NOAA衛(wèi)星高度傾角列表衛(wèi)星編號高度(km)衛(wèi)星軌道傾角TIROS-N853.598.9°NOAA-6815.598.7°NOAA-7849.298.9°NOAA-8815.598.9°NOAA-10833.098.7°NOAA-12815.098.7°NOAA-14870.098.8°NOAA-15833.098.7°NOAA-16850.098.8°NOAA-17812.098.8°

3.1TIROS/NOAA系列衛(wèi)星覆蓋的時間從1978年起美國國家海洋大氣局已經(jīng)發(fā)射了十顆TIROS/NOAA衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星的壽命大約為兩年。每顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋的年份見表-3.1。表-3.1TIROS/NOAA衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋的時間衛(wèi)星衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋時間TIROS-N1978-11-02to1981-02-27NOAA-061979-06-28to1982-12-311983-01-01to1986-11-18NOAA-071981-07-11to1985-02-10NOAA-081983-05-08to1985-10-14NOAA-101986-10-12to1990-12-311991-01-01to1991-08-31NOAA-121991-06-01to1991-12-311995-01-01to1997-12-311998-01-01to2002-07-31NOAA-141995-01-11to1998-06-301998-07-01to2001-12-312002-01-11to2003-08-27NOAA-151998-07-01to2001-04-302001-05-01to2002-02-282002-03-01to2003-08-27NOAA-162001-01-01to2002-10-312002-11-01to2003-08-27NOAA-172002-07-12to2003-08-27由表3.1可以看出衛(wèi)星數(shù)據(jù)基本覆蓋了兩個太陽活動周期，這就為研究輻射帶的中長期變化提供了寶貴的數(shù)據(jù)。本文的研究目標正是基于此。3.2TIROS/NOAA探測器介紹SEM由以下幾個探測儀器組成：中等能量質(zhì)子電子探測MEPED(MediumEnergyProtonandElectronDetector)、總能量探測器(TotalEnergyDetector)和高能質(zhì)子和α粒子探測器HEPAD(HighEnergyProtonandAlphaDetector)。MEPED主要測量中等能量質(zhì)子和電子通量。TED主要測量被攜帶極光能量的粒子帶入大氣的各種能量粒子的通量。HEPAD則主要測量來源于太陽的質(zhì)子和α粒子。圖-3.2給出了TIROS/NOAA衛(wèi)星上SEM儀器構(gòu)造圖。圖-3.2TIROS/NOAA衛(wèi)星上的SEM儀器我們目前的研究工作主要關(guān)心中等能量質(zhì)子和電子，因此本文重點介紹中等能量質(zhì)子和電子探測器MEPED。MEPED（MediumEnergyProtonandElectronDetector）主要測量在地球磁場中做磁鏡運動的以及沉降在高緯大氣的中等能量質(zhì)子和電子。MEPED由兩種探測儀器組成：方向粒子探測器和全向粒子探測器。3.2.2粒子全向探測器由于我們主要關(guān)心內(nèi)輻射帶中高能量質(zhì)子的通量變化，這里我們重點介紹MEPED中的全向探測器。MEPED全向探測器由三個完全相同的固態(tài)硅探測器組成。每個探測器尺寸為50mm2*3mm(厚度)。每個減速器的厚度決定該探測器能探測的最小能量。每個探測器的探頭可120o自由探測。由于一個能量至少有200Kev的質(zhì)子才能擊穿探測器，所以探測器不能探測能量超過215Mev的粒子。實際上，幾乎沒有高能粒子被截住。ChannelP6和P7分別有第二能量探測范圍。這種設(shè)計可以平衡三個全向Channel的有關(guān)參數(shù)，從而使結(jié)果更準確。圖-3.2.2是通過NASA的AP8MAX和AP8MIN計算出的在L=1.2,B/Bmin=1.0時不同能量的質(zhì)子通量圖，圖上已標明P6、P7和P8的測量范圍。圖-3.2.2由NASA的AP8Max和Min模型計算出的質(zhì)子通量隨能量變化圖，圖中已標出P6、P7和P8的測量范圍。數(shù)據(jù)來源于NASA的國家空間科學數(shù)據(jù)中心全向通量定義為通過單位截面的球體的通量。Flux=counts/全向幾何因子。表-3.2.2分別列出了三個全向探測器的能量探測范圍、全向幾何因子及減速劑材料相關(guān)參數(shù)。表-3.2.2MEPED全向探測器有關(guān)參數(shù)探測器測量范圍(Mev)全向幾何因子(cm2sr)減速劑材料厚度P616-801.178鋁0.127cm80-2152.701P736-801.178銅0.218cm80-2152.701P880-2152.701Mallory0.584cm3.3MEPED全向探測器工作原理全向探測器探頭上面是一個半球狀的拱頂。拱頂將吸收能量在某一特定值以下的質(zhì)子和電子而讓高能粒子通過探頭。高能粒子在通過或者撞擊探頭的過程中可能會積累一些能量。安裝在里面的電子儀器會利用取樣閥來判斷是否為能量粒子事件。由NASA的AP8質(zhì)子模型和AE8電子模型，內(nèi)帶將不存在能量高于4Mev的電子，故P7和P8不會受到電子的干擾。而對P6，由于AE8模型中有大量能量高于1Mev的電子存在，在某些地區(qū)甚至電子通量遠遠高于質(zhì)子通量。但是最近的數(shù)據(jù)表明,AE8遠遠高估了高能電子通量。在L=1.4,CRRES衛(wèi)星數(shù)據(jù)比通過AE8模型計算出的數(shù)據(jù)小超過十分之一。顯然這可以保證P6主要探測的還是質(zhì)子。進一步估計高能電子對P6的干擾來修正數(shù)據(jù)可能還需要考慮太陽活動情況。進一步的儀器分析可以參見Reference2。四、衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理4.1TIROS/NOAA數(shù)據(jù)介紹 TIROS/NOAA衛(wèi)星的探測數(shù)據(jù)以每8秒為一個記錄。每個記錄包括如下信息：衛(wèi)星軌道信息由TED儀器數(shù)據(jù)計算的全能粒子通量衛(wèi)星維護信息衛(wèi)星編號和時間信息儀器狀態(tài)和校準狀態(tài)8秒的MEPED數(shù)據(jù)8秒的HEPAD數(shù)據(jù)8秒的TED數(shù)據(jù)另外MEPED儀器每兩秒探測一次，故8秒的記錄里有4次探測數(shù)據(jù)。4.2重新生成TIROS/NOAA格式數(shù)據(jù)為了更好的方便我們分析數(shù)據(jù)，根據(jù)TIROS/NOAA官方提供的解密程序unpack.c，我們用c語言獨立編寫了pflux.exe程序。程序有如下功能：讀入TIROS/NOAA衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并生成ASCII文件。通過一定格式將MEPED的2秒間隔的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8秒的數(shù)據(jù)。重新生成規(guī)則排列的參數(shù)數(shù)據(jù)?？刂朴嘘P(guān)參數(shù)大小，進行局部分析。將MEPED2秒間隔的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8秒間隔數(shù)據(jù)有兩種辦法，一種是求平均值，另外一種是直接取某一個值。計算表明，兩種辦法差別不大。我們采用了后一種辦法。五、衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析及結(jié)果5.1輻射帶高能質(zhì)子通量的長期變化 輻射帶中低高度的質(zhì)子分布受到地磁場長期變化的影響：地磁偶極場的中心以每年2.5km的速度偏離地球中心（目前偏離距離已經(jīng)超過500公里），并且地磁偶極矩隨時間推移而減?。ㄒ?.05%/year衰減），（見圖-5.1.1）。這種長期變化會使得輻射帶內(nèi)邊界緩慢向內(nèi)漂移。我們通過不同的TIROS/NOAA衛(wèi)星數(shù)據(jù)分別畫出了不同時期能量質(zhì)子通量的分布圖。可以明顯看出南大西洋異常區(qū)(SAA)粒子通量的增強。Z.Y.Pu和L.Xie等指出，在過去三十年里，南大西洋異常區(qū)外的粒子漂移殼已下降100到200km，從而使得粒子通量在SAA區(qū)的顯著增強。圖-5.1.11990-2000年地球偶極矩的衰減（基于IGRF模型）地磁場長期變化的另外一個影響是SAA區(qū)以每年0.3deg的速度向西緩慢漂移。圖-5.1.2和5.1.3分別給出了1980年和2000年能量在和80-215Mev范圍內(nèi)的全球質(zhì)子通量分布圖?？梢悦黠@看出，這二十年里，無論是16-215Mev能量的還是80-215Mev的質(zhì)子通量均顯著增加。按照南大西洋異常區(qū)中心的第三種定義方式，其中心約向西漂移了5°左右。圖-5.1.21980年和2000年3月能量在16-215Mev內(nèi)的全球質(zhì)子通量分布圖。數(shù)據(jù)來源NOAA6和NOAA14圖-5.1.31980年3月能量在80-215Mev范圍內(nèi)的全球質(zhì)子通量分布圖。數(shù)據(jù)來源同上我們通過IGRF95畫出了1970和2000年全球地磁場分布圖。按照SAA中心的第二種定義方式，我們也可明顯地看出南大西洋異常區(qū)中心的向西漂移。圖-5.1.4是1970年IGRF95給出的全球地磁場分布。（2000年見圖2.3.2）圖-5.1.41970年全球地磁場強度（GAUSS）分布圖。數(shù)據(jù)基于IGRF955.2質(zhì)子通量的11年周期變化太陽輻射通量密度的11年太陽周期變化導(dǎo)致低高度捕獲質(zhì)子和電子通量的周期變化：太陽活動高年的時候中性大氣層相應(yīng)于太陽活動低年要膨脹，因此輻射帶低高度的邊界由于與大氣中性成分的相互作用而受到侵蝕。故質(zhì)子通量相應(yīng)地會呈現(xiàn)出與太陽活動周期11年周期變化，但變化趨勢剛好相反。 我們分析了1979-2001年在地磁赤道(B/Bmin=1.0)能量在80-215Mev范圍內(nèi)的質(zhì)子通量的變化。圖上每一個數(shù)據(jù)點代表該年80-90天在B/Bmin=1.0處能量在80-215Mev范圍內(nèi)的質(zhì)子通量平均。虛線點是太陽F10.7通量。數(shù)據(jù)覆蓋的時間范圍大概是兩個太陽活動周期。由圖-5.2我們可以初步看出以下兩種特征：在過去二十年時間變化過程中，太陽活動(F10.7)的變化與質(zhì)子通量的變化成相反趨勢。即太陽活動極大時，質(zhì)子通量極小。反之亦然。但存在滯后現(xiàn)象，即在太陽活動極值后一年或兩年才會出現(xiàn)質(zhì)子通量的極值。質(zhì)子通量出現(xiàn)整體的增強。由圖可以很明顯的看出，1990年后出現(xiàn)的質(zhì)子通量極大值比之前出現(xiàn)的質(zhì)子通量極大值要高，圖-5.2在地磁赤道處（B/Bmin=1.0）能量在80-215Mev的質(zhì)子通量的長期變化5.3質(zhì)子通量的季節(jié)變化 質(zhì)子通量除了上述長期變化和11年周期變化之外，還呈現(xiàn)出季節(jié)性變化的趨勢。這可能是由大氣活動的季節(jié)性變化導(dǎo)致。另外地磁場活動的季節(jié)性變化也可能是原因之一。進一步的解釋有待進一步研究。我們選取了1980和1990兩個太陽活動極大年作為研究對象。圖-5.3上每一個數(shù)據(jù)點代表該月L=1.3,能量大于80Mev的質(zhì)子通量平均。由圖可以初步看出：質(zhì)子通量的極大值大致出現(xiàn)在每年的1、5和9月。而質(zhì)子通量的極小值分別出現(xiàn)在3、7和11月在這兩年的春分、秋分點大致分別對應(yīng)著質(zhì)子通量的極小和極大值。圖-5.31980年和1990年能量大于80MevL=1.3質(zhì)子通量隨季節(jié)的變化。5.4TIROS/NOAA數(shù)據(jù)和NASA的AP8模型比較 我們分別在太陽活動極大年和極小年比較了能量大于80Mev的質(zhì)子通量(P8)和通過NASA的AP8模型計算出的質(zhì)子通量。 圖-5.4.1和5.4.2分別是太陽活動高年(1981)和太陽活動低年(1986)在不同B/Bmin時能量大于80Mev(P8)的質(zhì)子通量隨L值的變化。初步結(jié)果顯示在L值較大的地方TIROS/NOAA數(shù)據(jù)顯著的比AP8模型所預(yù)測的要高。即AP8模型嚴重低估了L值較大的質(zhì)子通量。圖-5.4.11981年太陽活動高年TIROS/NOAA衛(wèi)星數(shù)據(jù)和AP8MAX模型比較。實心點是TIROS/NOAA衛(wèi)星數(shù)據(jù),空心點是通過AP8模型計算得到的質(zhì)子通量。數(shù)據(jù)來源于NASA的國家空間科學數(shù)據(jù)中心。圖-5.4.21986年太陽活動低年TIROS/NOAA衛(wèi)星數(shù)據(jù)和AP8MIN模型比較。數(shù)據(jù)來源于NASA的國家空間科學數(shù)據(jù)中心。圖-5.4.3和圖-5.4.4分別是通過NASA的AP8MAX模型計算的1980年和2000年能量大于16Mev和大于80Mev范圍內(nèi)全球質(zhì)子通量的分布。分別比較圖5.4.3-圖5.4.4與圖5.1.2-圖5.1.3，可以看出，AP8模型比較嚴重地低估了能量大于16Mev或80MeV的質(zhì)子的通量。這與我們實現(xiàn)的估計也是一致的。NASA的AP8MAX和AP8MIN模型是基于六七十年代探測數(shù)據(jù)的靜態(tài)模型。AP8并沒有考慮地磁場的長期變化等各種因素。另外這與當時建立AP8模型的探測數(shù)據(jù)的能量范圍的局限性也有關(guān)。圖-5.4.3AP8MAX模型計算的1980和2000年能量大于16Mev內(nèi)全球質(zhì)子通量分布圖（上為1980年，下為2000年）圖-5.4.4AP8MAX模型計算的1980年和2000年能量大于80Mev范圍內(nèi)全球質(zhì)子通量分布六、結(jié)論與討論 本文通過對TIROS/NOAA衛(wèi)星近二十年的數(shù)據(jù)研究了各種尺度上的質(zhì)子通量變化。分析結(jié)果顯示，輻射帶質(zhì)子通量存在著長期增強的趨勢(首次提出)、11年的周期變化和季節(jié)變化。而通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)和NASA的輻射帶模型AP8MAX和AP8MIN的比較，顯示AP8普遍低估了同時期的相同能量范圍的質(zhì)子通量。但本文只是對一些輻射帶現(xiàn)象作了初步的闡述和討論。例如輻射帶質(zhì)子通量的季節(jié)變化等等。探尋現(xiàn)象隱藏的動力學機制，以及與現(xiàn)有輻射帶模型進行更細致的比較，將有待進一步的研究。致謝首先感謝北大設(shè)立的資助本科生科研“校長”基金給我提供了這么好的機會，使我在本科生階段就能夠接受正式的科研訓練。本文是在濮祖蔭老師和謝倫老師的悉心指導(dǎo)下完成的。他們深厚的理論功底和科學素養(yǎng)影響著我這一年來的學習和研究。特別是謝倫老師不厭其煩的回答我在研究過程碰到的每個問題并給以我精神上的鼓勵。這些都是一段不可磨滅的美好回憶。還有劉文龍等師兄師姐們也給了我很多耐心而又細致的幫助，在此一并致謝。 最后我要感謝我的父母，我今天所有的成績都屬于你們！參考文獻：V.J.Raben,D.S.Evans,H.H.Sauer,S.R.Sahm,M.Huynh,TIROS/NOAASATELLITESPACEENVIRONMENTMONITORDATAARCHIVEDOCUMENT:1995UPDATE,SpaceEnvironmentLaboratory,Boulder,Colorado,February1995.S.L.HousonandK.A.Pfitzer,SpaceEnvironmentEffects:Low-AltitudeTrappedRadiationModel,TheBoeingCompany,HuntingtonBeach,California.J.R.Heirtzler,2002,ThefutureoftheSouthAtlanticanomalyandimplicationsforradiationdamageinspace.JournalofAtmosphericandSolar-terrestrialPhysics.D.Heynderickx,M.KruglanskiandJ.Lemaire,Trappedprotonmodelingatlowaltitude.D.Heynderickx,1996,ComparisonbetweenmethodstocompensateforthesecularmotionoftheSouthAtlanticanomaly.RadiationMeasurement.D.Heynderickx,J.LemaireandE.J.Daly,HistoricalreviewofthedifferentproceduresusedtocomputetheL-parameter.RadiationMeasurement.ThomasA.FarleyandMargaretG.Kivelson,Effectsofthesecularmagneticvariationonthedistributionfunctionofinner-zoneprotons,Journalofgeophysicsresearch,1972.MichaelSc