基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法及宏观模型

申请号 CN202310900918.0 申请日 2023-07-21 公开(公告)号 CN117079524A 公开(公告)日 2023-11-17
申请人 中国科学院国家空间科学中心; 发明人 路立; 余庆龙; 贾帅; 谢众; 兰舰; 邵金发;
摘要 本 发明 涉及地磁活动技术领域,特别涉及一种基于中性 原子 成像探测的 极光 亚暴模拟方法及宏观模型;所述方法包括以下步骤:建立以离子投掷 角 扩散引导的环 电流 离子通量分布动态演化的中性原子成像模拟方程;利用中性原子成像模拟方程,正演地磁宁静期间和极光亚暴期间不同离子投掷角分布函数对应的黄道面内的中性原子仿真图像,以重现极光亚暴过程中增长相阶段和恢复相阶段的环电流离子通量分布形态。本发明可以仿真复现极光亚暴过程中增长相阶段和恢复相阶段的环电流离子通量分布形态,为进一步研究奠定了 基础 。
权利要求

1.一种基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法,包括以下步骤:
建立以离子投掷扩散引导的环电流离子通量分布动态演化的中性原子成像模拟方程;
利用中性原子成像模拟方程,正演地磁宁静期间和极光亚暴期间不同离子投掷角分布函数对应的黄道面内的中性原子仿真图像,以重现极光亚暴过程中增长相阶段和恢复相阶段的环电流离子通量分布形态。
2.根据权利要求1所述的基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法,其特征在于,所述建立以离子投掷角扩散引导的环电流离子通量分布动态演化的中性原子图像模拟方程,具体包括以下步骤:将中性原子图像的每个像素中记录的计数C(δ,ε)、仰角δ和方位角ε,表示在中性原子图像模拟方程中:
式中,ΔE为离子能道宽度;ΔT为像素的积分时间;ΔΩ是体积元素指向仰角δ和方位角ε像素的立体角; 为积分体积元处的离子微分通量;A(δ,ε)为探测器的响应函数;σ(E)为电荷交换截面; 为外逸层中性原子密度,其中r为地心距离,为地方时,θ为磁纬度;dV是沿探测器视线方向的体积元积分,L为磁壳指数,E为能量,α为磁层中性原子图像发射体元内的离子投掷角。
3.根据权利要求2所述的基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法,其特征在于,所述积分体积元处的离子微分通量 为:
其中,L为磁壳参数,为地方时,θ为磁纬度,E为能量,α为磁层中性原子图像发射体元内的离子投掷角,αeq为赤道离子的投掷角;κ=5.5;Emax0为环电流离子通量最大的能量初始值;
κ+1
e=(1+1/κ) ;
其中, 为赤道离子通量;
为环电流离子通量的地方时分布函数:
其中, ξ=0.73,且环电流离子通量的地方时 分布对称;
fL为环电流离子通量的磁壳参数分布函数:
其中,L为磁壳参数,L11为环电流第一边界值,L22为环电流第二边界值,γ1为第一模型参数,γ2为第二模型参数,γ为第三模型参数;其中,
其中,Kp11为第一地磁活动指数,Kp22为第二地磁活动指数,Kp11=5.5,
Kp22=0;
fα为环电流离子的投掷角分布函数;
其中,磁层中性原子图像发射体元内的离子投掷角α用赤道离子的投掷角αeq表示。
4.根据权利要求3所述的基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法,其特征在于,所述第一模型参数γ1取值为0.53,第二模型参数γ2取值为0.88,第三模型参数γ取值为
1.16。
5.根据权利要求2所述的基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法,其特征在于,所述外逸层中性原子密度 为:
其中,设定中性原子的径向通量在强地磁暴期间是守恒的,n0为中性密度常数且取值‑3
为1600cm ,exp表示指数函数,r为地心距离,地心距离r以外逸层高度RE为单位,θ为磁纬度,为地方时,中间值a0=1.78。
6.根据权利要求2所述的基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法,其特征在于,所述中性原子图像由高能中性原子成像仪记录;
所述高能中性原子成像仪,在赤道环电流沉降到极光区的能量离子与从外逸层蒸发的低能中性原子进行电荷交换后,记录中性原子图像;
所述高能中性原子成像仪的最小能量通道为4keV。
7.根据权利要求1所述的基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法,其特征在于,在正演地磁宁静期间和极光亚暴期间不同离子投掷角分布函数对应的黄道面内的中性原子仿真图像后,还包括以下步骤:
在地磁宁静期间,利用黄道面内的中性原子仿真图像,对环电流区域储存的能量离子通量分布、质谱和能谱进行测量评估;
基于地磁宁静期间,黄道面内的中性原子仿真图像对环电流区域储存的能量离子通量分布、质谱和能谱测量评估结果,监测太阳风弓激波扰动增长相阶段,高能中性原子通量在环电流区域的减少情况和在极光带区域的增强情况,以及对应的AE指数变化,以评估极光亚暴沉降离子的加速过程,并分析对应的加速机制。
8.根据权利要求1所述的基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法,其特征在于,在正演地磁宁静期间和极光亚暴期间不同离子投掷角分布函数对应的黄道面内的中性原子仿真图像后,还包括以下步骤:
在极光亚暴过程中的恢复相阶段,通过中性原子图像监测极光带区域和环电流区域的能量中性原子通量变化,监测磁场偶极化过程中注入环电流的能量离子成分和能谱,以评估极光亚暴过程中,环电流能量离子的沉降损失和注入更新情况。
9.根据权利要求1所述的基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法,其特征在于,在正演地磁宁静期间和极光亚暴期间不同离子投掷角分布函数对应的黄道面内的中性原子仿真图像后,还包括以下步骤:
基于极光亚暴过程中恢复相阶段的环电流离子通量分布形态,评估连续极光亚暴产生的几率。
10.一种基于中性原子成像探测的极光亚暴宏观模型,其特征在于,包括:模拟模和仿真模块,其中,
所述模拟模块,用于建立以离子投掷角扩散引导的环电流离子通量分布动态演化的中性原子成像模拟方程;
所述仿真模块,用于利用中性原子成像模拟方程,正演地磁宁静期间和极光亚暴期间不同离子投掷角分布函数对应的黄道面内的中性原子仿真图像,以重现极光亚暴过程中增长相阶段和恢复相阶段的环电流离子通量分布形态。

说明书全文

基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法及宏观模型

技术领域

[0001] 本发明涉及地磁活动技术领域,特别涉及一种基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法及宏观模型。

背景技术

[0002] 地磁亚暴是由太阳弓激波对磁层扰动引起的,但具体极光亚暴事件的能量传输过程,以及该过程涉及核心节点事件的因果时序仍是磁层物理学中正在探索的未解难题。以往的研究倾向于太阳风粒子流引起的磁尾瓣重联、行星际磁场南向产生的磁层顶重联,以及太阳风动压造成磁尾形变过程中能量离子投掷扩散等,它们分别指向不同的亚暴触发机制。由于在当前技术条件下空间等离子体分布是不可视的,就位探测又不具有全球视野,所以上述问题一直难有定论。
[0003] 中性原子成像技术利用ENA(Energy Neutral Atoms,能量中性原子)的示踪粒子特性将空间等离子体分布可视化,为该问题研究开辟了新的途径。但以往中性原子成像测量轨道的倾角较大,测量的ENA信号主要来自高纬低高度极光带区域,无法实现对亚暴过程的动态监测。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于,克服现有中性原子成像技术,由于成像测量轨道的倾角较大,无法对极光亚暴过程的进行动态监测的问题,从而提供一种基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法及宏观模型。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明的技术方案所提供的基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法,包括以下步骤:
[0006] 建立以离子投掷角扩散引导的环电流离子通量分布动态演化的中性原子成像模拟方程;
[0007] 利用中性原子成像模拟方程,正演地磁宁静期间和极光亚暴期间不同离子投掷角分布函数对应的黄道面内的中性原子仿真图像,以重现极光亚暴过程中增长相阶段和恢复相阶段的环电流离子通量分布形态。
[0008] 作为上述方法的一种改进,所述建立以离子投掷角扩散引导的环电流离子通量分布动态演化的中性原子图像模拟方程,具体包括以下步骤:将中性原子图像的每个像素中记录的计数C(δ,ε)、仰角δ和方位角ε,表示在中性原子图像模拟方程中:
[0009]
[0010] 式中,ΔE为离子能道宽度;ΔT为像素的积分时间;ΔΩ是体积元素指向仰角δ和方位角ε像素的立体角; 为积分体积元处的离子微分通量;A(δ,ε)为探测器的响应函数;σ(E)为电荷交换截面; 为外逸层中性原子密度,其中r为地心距离, 为地方时,θ为磁纬度;dV是沿探测器视线方向的体积元积分,L为磁壳指数,E为能量,α为磁层中性原子图像发射体元内的离子投掷角。
[0011] 作为上述方法的一种改进,所述积分体积元处的离子微分通量为:
[0012]
[0013] 其中,L为磁壳参数, 为地方时,θ为磁纬度,E为能量,α为磁层中性原子图像发射体元内的离子投掷角,αeq为赤道离子的投掷角;κ=5.5;Emax0为环电流离子通量最大处的能量初始值;
[0014] e=(1+1/κ)κ+1;
[0015]
[0016] 其中, 为赤道离子通量;
[0017] 为环电流离子通量的地方时分布函数:
[0018]
[0019] 其中, ξ=0.73,且环电流离子通量的地方时 分布对称;
[0020] fL为环电流离子通量的磁壳参数分布函数:
[0021]
[0022] 其中,L为磁壳参数,L11为环电流第一边界值,L22为环电流第二边界值,γ1为第一模型参数,γ2为第二模型参数,γ为第三模型参数;其中,
[0023]
[0024]
[0025] 其中,Kp11为第一地磁活动指数,Kp22为第二地磁活动指数,Kp11=5.5,Kp22=0;
[0026] fα为环电流离子的投掷角分布函数;
[0027]
[0028] 其中,磁层中性原子图像发射体元内的离子投掷角α用赤道离子的投掷角αeq表示。
[0029] 作为上述方法的一种改进,所述第一模型参数γ1取值为0.53,第二模型参数γ2取值为0.88,第三模型参数γ取值为1.16。
[0030] 作为上述方法的一种改进,所述外逸层中性原子密度 为:
[0031]
[0032] 其中,设定中性原子的径向通量在强地磁风暴期间是守恒的,n0为中性密度常数‑3且取值为1600cm ,exp表示指数函数,r为地心距离,地心距离r以外逸层高度RE为单位,θ为磁纬度,为地方时,a0=1.78。
[0033] 作为上述方法的一种改进,所述中性原子图像由高能中性原子成像仪记录;
[0034] 所述高能中性原子成像仪,在赤道环电流沉降到极光区的能量离子与从外逸层蒸发的低能中性原子进行电荷交换后,记录中性原子图像;
[0035] 所述高能中性原子成像仪的最小能量通道为4keV。
[0036] 作为上述方法的一种改进,在正演地磁宁静期间和极光亚暴期间不同离子投掷角分布函数对应的黄道面内的中性原子仿真图像后,还包括以下步骤:
[0037] 在地磁宁静期间,利用黄道面内的中性原子仿真图像,对环电流区域储存的能量离子通量分布、质谱和能谱进行测量评估;
[0038] 基于地磁宁静期间,黄道面内的中性原子仿真图像对环电流区域储存的能量离子通量分布、质谱和能谱测量评估结果,监测太阳风弓激波扰动增长相阶段,高能中性原子通量在环电流区域的减少情况和在极光带区域的增强情况,以及对应的AE指数变化,以评估极光亚暴沉降离子的加速过程,并分析对应的加速机制。
[0039] 作为上述方法的一种改进,在正演地磁宁静期间和极光亚暴期间不同离子投掷角分布函数对应的黄道面内的中性原子仿真图像后,还包括以下步骤:在极光亚暴过程中的恢复相阶段,通过中性原子图像监测极光带区域和环电流区域的能量中性原子通量变化,监测磁场偶极化过程中注入环电流的能量离子成分和能谱,以评估极光亚暴过程中,环电流能量离子的沉降损失和注入更新情况。
[0040] 作为上述方法的一种改进,在正演地磁宁静期间和极光亚暴期间不同离子投掷角分布函数对应的黄道面内的中性原子仿真图像后,还包括以下步骤:基于极光亚暴过程中恢复相阶段的环电流离子通量分布形态,评估连续极光亚暴产生的几率。
[0041] 为实现本发明的另一目的,本发明还提供一种基于中性原子成像探测的极光亚暴宏观模型,包括:模拟模和仿真模块,其中,
[0042] 模拟模块,用于建立以离子投掷角扩散引导的环电流离子通量分布动态演化的中性原子成像模拟方程;
[0043] 仿真模块,用于利用中性原子成像模拟方程,正演地磁宁静期间和极光亚暴期间不同离子投掷角分布函数对应的黄道面内的中性原子仿真图像,以重现极光亚暴过程中增长相阶段和恢复相阶段的环电流离子通量分布形态。
[0044] 本发明提供的基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法及宏观模型,包括以下优点:
[0045] 1、本发明提出的极光亚暴模拟方法和极光亚暴宏观模型具有理论体系完整,多方探测基础真实可信,可以仿真复现,和可视化的直接测量验证前景;
[0046] 2、本发明利用ENA成像模拟方式复现了极光亚暴期间磁层环电流的动态演化过程,重现了极光亚暴过程中增长相阶段和恢复相阶段的环电流离子通量分布形态,为进一步研究奠定了基础;
[0047] 3、本发明重现的极光亚暴过程中增长相阶段和恢复相阶段的环电流离子通量分布形态,进一步用于监测太阳风弓激波扰动增长相阶段,高能中性原子通量在环电流区域的减少情况和在极光带区域的增强情况,以及对应的AE指数变化,以评估极光亚暴沉降离子的加速过程,并分析对应的加速机制;
[0048] 4、本发明重现的极光亚暴过程中增长相阶段和恢复相阶段的环电流离子通量分布形态,进一步用于监测极光带区域和环电流区域的高能中性原子通量变化,监测磁场偶极化过程中注入环电流的能量离子成分和能谱,以评估极光亚暴过程中,环电流能量离子的沉降损失和注入更新情况;
[0049] 5、本发明重现的极光亚暴过程中恢复相阶段的环电流离子通量分布形态,进一步用于评估连续极光亚暴产生的几率。附图说明
[0050] 图1极光亚暴模型示意图;
[0051] 图2为赤道环电流的离子通量分布;
[0052] 图3为不同Kp指数对应的离子投掷角分布;
[0053] 图4(A)为满月处的月基ENA成像仿真第一分布序列图;
[0054] 图4(B)为满月处的月基ENA成像仿真第二分布序列图;
[0055] 图4(C)为满月处的月基ENA成像仿真第三分布序列图;
[0056] 图4(D)为满月处的月基ENA成像仿真第四分布序列图;
[0057] 图5(A)为上弦处的月基ENA成像仿真第一分布序列图;
[0058] 图5(B)为上弦处的月基ENA成像仿真第二分布序列图;
[0059] 图5(C)为上弦处的月基ENA成像仿真第三分布序列图;
[0060] 图5(D)为上弦处的月基ENA成像仿真第四分布序列图。

具体实施方式

[0061] 以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
[0062] 作为地磁活动中负责能量传递的主要媒介,能量离子原本就储存在环电流区域。当太阳风粒子流(弓激波)来袭时,磁层顶的动压增加,磁层的磁场被尾向拉伸。由于第一绝热不变量守恒,环电流区域的能量离子产生投掷角扩散,并沿线向低高度极区的极光带沉降,进而完成极光亚暴的触发。同时,浸润在磁尾等离子体片里的地磁场不断地捡拾太阳风粒子流中的能量离子。在亚暴恢复相期间,由于太阳风粒子流已经过境,致使磁壳层变形的太阳风动压减小,磁场开始偶极化过程。在磁场偶极化期间,磁场裹挟着从太阳风里捡拾的能量离子注入环电流。这使得离子沉降过程中流失在损失锥里的那部分能量离子重新得到补充。以上极光亚暴过程可以用黄道面内的ENA(高能中性原子)成像方式进行动态监测。目前无法实现对磁尾瓣重联现象的可视化遥测。然而,无论是磁尾重联引起的高速流,还是磁场偶极化引起的向地对流,都有助于环电流离子注入。
[0063] 通常亚暴增长相在太阳风压力作用下能量离子投掷角扩散的过程发展较快,而磁场偶极化驱动的亚暴恢复相会慢一些。但磁尾重联产生的能量离子高速流会加速亚暴恢复相的进程,乃至触发连续的系列亚暴。
[0064] 图1为极光亚暴模型示意图。其中包括:(1)“重联”、“电流中断”和“极光”,3个关键节点现象;(2)“离子流注入”和“电流楔”,2个以能量离子为传输媒介的连接过程;(3)“弓激波冲击扰动”和“磁场偶极化”,2个驱动因素。
[0065] 根据以往的ENA成像反演逻辑,通常将所有成分和能段的ENA图像都转换成对应的能量离子在赤道面上的通量分布。通过测量亚暴前环电流的能量离子通量分布(包括质谱和能谱),可以监测亚暴期间离子谱和质谱的变化(如离子组成的变化),从而有针对性地获得不同组分离子的来源和加速度信息。具体的,结合图1描述如下:
[0066] (1)地磁宁静期间,磁层的环电流区域积蓄了大量不同成分和能量的能量离子,其通量分布基本与当地磁场垂直。因此,黄道面内的ENA成像测量可获取其空间分布的质谱与能谱;
[0067] (2)在太阳风弓激波冲击扰动下地球磁层产生尾向拉伸变形,就像气象学里的积雨一样,磁层环电流里的能量离子产生投掷角扩散(偏离90°),这时发生电流中断;能量离子沿磁力线向低高度极区沉降形成电流楔,并在极光带区域触发极光亚暴;同时,浸润在磁尾等离子体片里的地磁场不断地捡拾过境太阳风粒子流中的能量离子。
[0068] (3)当弓激波过境以后,磁层中被拉伸的磁场开始磁场偶极化,磁场裹挟着从太阳风里捡拾的能量离子注入环电流。这使得离子沉降过程中流失在损失锥里的那部分能量离子重新得到补充。目前在空间任何位置都无法实现对磁尾瓣重联现象的ENA可视化遥测。然而,无论是磁尾重联引起的地向高速流,还是磁场偶极产生的向地对流,都将有助于磁层环电流的能量离子注入。磁尾重联产生的能量离子高速流或许会加速亚暴恢复相的进程,乃至触发连续的系列亚暴。
[0069] 实施例1
[0070] 本实施例提供的基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法,包括以下步骤:
[0071] 建立以离子投掷角扩散引导的环电流离子通量分布动态演化的中性原子成像模拟方程;
[0072] 利用中性原子成像模拟方程,正演地磁宁静期间和极光亚暴期间不同离子投掷角分布函数对应的黄道面内的中性原子仿真图像,以重现极光亚暴过程中增长相阶段和恢复相阶段的环电流离子通量分布形态。
[0073] 在正演地磁宁静期间和极光亚暴期间不同离子投掷角分布函数对应的黄道面内的中性原子仿真图像后,还包括以下步骤:
[0074] 在亚暴发生前的宁静状态,即地磁宁静期间,离子投掷角未扩散,黄道面内的中性原子仿真图像,对环电流区域储存的能量离子通量分布、质谱和能谱进行测量评估。
[0075] 根据亚暴发生前的环电流区域能量离子成分、能谱和通量分布测量结果,监测太阳风弓激波扰动增长相阶段ENA通量在环电流区域的减少和极光带区域的增强情况,以及对应的AE指数变化,评估亚暴沉降离子的加速过程,并分析对应的加速机制。
[0076] 在亚暴发展进程中太阳风过境以后的阶段,即在极光亚暴过程中的恢复相阶段,通过中性原子图像,监测极光带区域和环电流区域的ENA通量变化,监测磁场偶极化过程中注入环电流的能量离子成分和能谱,评估亚暴期间环电流能量离子的沉降损失和注入更新情况。
[0077] 基于亚暴恢复相阶段的环电流能量离子存储状态,即环电流离子通量分布形态,评估连续亚暴产生的几率。
[0078] 本发明利用ENA成像模拟方式正演出了极光亚暴动态演化过程中环电流区域的ENA发射分布形态,并用以往的ENA探测数据对上述方法加以佐证。
[0079] 一、环电流动态演化的ENA成像模拟
[0080] (1)模拟方程
[0081] 在ENA图像的每个像素中记录的计数C(δ,ε),仰角δ和方位角ε,表示在模拟方程中:
[0082]
[0083] 式中ΔE为离子能道宽度;ΔT为像素的积分时间;ΔΩ是体积元素指向仰角δ和方位角ε像素的立体角; 为积分体积元处的离子微分通量;A(δ,ε)为探测器的响应函数;σ(E)为电荷交换截面; 为外逸层中性原子密度,其中r为地心距离,为地方时,θ为磁纬度;dV是沿探测器视线方向的体积元积分。
[0084] 环电流区的离子通量可表示为:
[0085]
[0086] 其中,L为磁壳参数, 为地方时,θ为磁纬度,E为能量,α为磁层中性原子图像发射体元内的离子投掷角,αeq为赤道离子的投掷角;κ=5.5;Emax0为环电流离子通量最大处的能量初始值;
[0087] e=(1+1/κ)κ+1≈2.962;
[0088]
[0089] 这里,
[0090] 是地方时;
[0091] 环电流离子通量的地方时分布函数 表示为:
[0092]
[0093] 其中, ξ=0.73,这里环电流离子通量的地方时 分布对称。
[0094] L为磁壳参数,环电流离子通量的磁壳参数分布函数fL表示为:
[0095]
[0096] L11为环电流第一边界值,L22为环电流第二边界值,γ1为第一模型参数,γ2为第二模型参数,γ为第三模型参数;其中,L11和L22通过公式(6)计算:
[0097]
[0098] Lb为环电流边界值,KP为地磁活动指数;
[0099] 即:
[0100]
[0101]
[0102] 其中,Kp11为第一地磁活动指数,Kp22为第二地磁活动指数,Kp11=5.5,Kp22=0;
[0103] 因此,L11≈4.01,L22≈7.3,模型参数取值如下:
[0104] γ1=0.53,γ=1.16,γ2=0.88;
[0105] 磁层ENA发射体元内的离子投掷角α用赤道离子的投掷角αeq表示,环电流离子的投掷角分布函数fα表示为:
[0106]
[0107] 这里,如图3模拟了极光亚暴的动态演化,投掷角从“烤饼型”到“蝴蝶型”的分布曲线。
[0108] ENA成像仪的最小能量通道为4keV,因此不直接记录背景中性气体(≤106K)。ENA成像仪,在赤道环电流沉降到极光区的能量离子与从外逸层蒸发低能中性原子进行电荷交换后,记录ENA图。
[0109] Rairden等人发表的论文“Geocoronal imaging with dynamics explorer”中提出的修正后的Chamberlain模型所提供的中性氢密度太低,不能适用于极光亚暴的地磁活动环境。如果假定中性原子的径向通量在强地磁风暴期间是守恒的,那么我们可以在Chamberlain模型中增加一个附加项,其使密度 可表示为:
[0110]
[0111] 式中,r为地心距离(以外逸层高度RE为单位),a0=1.78,n0=1600cm‑3为中性密度常数。该模型较好地拟合了Tinsley等人发表的论文“Monte carlo models for the terrestrial exosphere over a solar cycle”中,探测所得到的太阳极大期条件下的年平均氢原子密度,这个结果也应适用于极光亚暴期。
[0112] (2)仿真结果
[0113] 我们用离子投掷角扩散模拟极光亚暴的动态过程。如正序的图4(A)到图4(D)和图5(A)到图5(D)仿真序列图像,我们用黄道面内月基的满月和上弦位置模拟投掷角扩散增长过程中的极光亚暴增长相;仿真序列图像的倒序,即从图4(D)到图4(A)和图5(D)到图5(A),则可模拟极光亚暴的恢复相过程。图3离子投掷角扩散所对应的不同分布形态。
[0114] 图4(A)‑图4(D)为满月处的月基ENA成像仿真第一至第四分布序列图,其中:从图4(A)到图4(D)给出了亚暴过程。
[0115] 图5(A)‑图5(D)为上弦处的月基ENA成像第一至第四仿真分布序列图,其中:从图5(A)到图5(D)给出了亚暴过程。
[0116] 地磁宁静期间,图4(A)和图5(A)中,环电流能量离子的投掷角多为90°(烤饼型分布),所产生ENA发射源位于赤道环电流区域,仅在黄道面内传播,衰减很慢。在~60RE的月球轨道上,ENA成像仪3分钟积分时间可获得约600—700个计数。其中,单像素最大ENA事件计数为10‑30个,见表1。图5(A)的上弦图像显示ENA极大分布在L≥6附近,并具有沿磁力线膨胀的趋势。赤道环流距离地球较远,中性气体密度较低,导致Ogasawara等人发表的论文“Terrestrial energetic neutral atom emissions and the ground‑based geomagnetic indices:Implications from IBEX observations”中的全球能量中性指数(Global Energetic neutral Index,GENI)较低。在极光区几乎没有测量到ENA的发射事件。
[0117] 表1ENA计数统计:
[0118]
[0119] 随着投掷角扩散,ENA发射源开始沿磁力线向低高度高纬度极区转移,磁通量管在低高度极光区的汇集。由于极光区的中性气体密度远大于赤道环电流区域,使得来自极光区的ENA发射快速增强,其全球能量中性指数(GENI)也相应增加,如图4(B)‑图4(D)和图5(B)‑图5(D)所示。投掷角扩散以后,在极光区具有连续投掷角分布的环电流能量离子可以产生几乎全向的ENA发射。在这里,我们将极光区域的ENA发射增亮定义为ENA极光。
[0120] 当投掷角进一步扩散时,垂直于磁场的高能离子通量减小,赤道环电流中的ENA发射源开始减小,但GENI进一步增大,如图4(C)和图5(C)所示。
[0121] 当投掷角最终扩散成蝴蝶型分布(投掷角垂直于磁力线的能量离子降到最低),ENA发射源基本转移到高纬度极光带区域,且全球能量中性指数(GENI)也达到最大。ENA仿真计数也随离子投掷角的扩散增大快速增加,单像素ENA事件计数与总计数都增加了约一个量级,见表1。
[0122] 亚暴恢复相期间(图4和图5中的演化倒序,即从图4(D)到图4(A)和从5(D)到5(A),投掷角分布从蝴蝶型又回到烤饼型。整个亚暴过程的月基ENA成像测量不仅以GENI为特征,还可以通过ENA发射源的分布形态直观地监测到环电流能量离子通量的演化过程。
[0123] 二、亚暴宏观模型的观测基础
[0124] 以前的ENA观测,如论文“Ener‑getic neutral atom imaging by the Astrid mi‑crosatellite”、“IMAGE mission over‑view”、“The energetic NeUtral Atom Detector Unit(NUADU)for China's Double Star Mission and its Calibration”和“The two wide‑angle imaging neutral‑atom spectrometers(twins)nasa mis‑sion‑of‑opportunity”中的ENA观测,,轨道倾角较高。除IBEX卫星运行在黄道面内,很少有直接来自环电流的ENA信号。ENA增亮信号基本来自低空极地地区,我们称之为ENA极光。然而,根据Lu L等人发表的“The causal sequence investigation of the ring current ion‑flux increasing and the magnetotail ion injection during a major storm”和Lu L等人发表的“Close up observation and inversion of low‑altitude ENA emissions during a substorm event”,NUADU/TC‑2对ENA极光演化序列的测量和反演,结合其他多卫星系统的原位测量,揭示了环电流演化的许多特征。根据McComas,D.J.等人发表的“First IBEX observations of  the terrestrial plasma sheet and a  possible disconnection event”,在黄道面工作的IBEX‑Hi甚至曾在亚暴/平静期间采集到直接来自磁层环形电流区的ENA遥测信号。
[0125] (1)亚暴事件因果时序的多卫星联合观测
[0126] 根据Lu L等人发表的论文“The causal sequence investigation of the ring current ion‑flux increasing and the magnetotail ion injection during a major storm”记载,双星上高时间分辨的中性原子成像仪有幸记录了2005年5月15日的一个强磁暴过程。中性原子成像探测反演数据表明强磁暴环电流的演化过程与两个系列亚暴密切相关。ENA成像探测反演数据与地球同步轨道上星簇卫星LANL和GOES的原位离子通量和磁场探测数据进行比较,发现三组数据具有某种相互关联的共变特性。地球同步轨道夜侧亚暴的磁场响应要先于地面站所记录的地磁指数响应。观测发现ENA极光增亮发生在磁力线尾向拉伸的亚暴增长相阶段,而不是磁场地向偶极化之后。这说明造成ENA极光增亮的能量离子事先已经储存在环电流区域。上述研究工作不支持磁尾重联触发亚暴的中性线模型。于此之后发生的离子注入或对流事件只是为后续亚暴准备的粒子能量。
[0127] (2)ENA极光的方位角演化
[0128] 根据Lu L等人发表的论文“Close up observation and inversion of low‑altitude ENA emissions during a substorm event”记载,2004年11月12日TC‑2/NUADU利用位于近地点的抵近测量得到了目前仍是时间分辨率最高的ENA图像,并据此反演出赤道环电流离子通量分布结果。通过投影到赤道平面上的ENA图像反演的环电流离子通量,我们发现ENA极光增亮常常伴随着向东漂移。相反,ENA极光在减弱时向西漂移。由于地球自转,磁层磁场尾向拉伸的响应顺序是从东向西,而磁场偶极化的响应顺序则相反,是从西向东。但上述地磁场变化具有区域特征,很难获得适合地磁场变化的原位测量证据。无论如何,上述观测结果都是磁层的磁场扰动触发亚暴的间接证据。
[0129] (3)宁静与亚暴期间环电流的ENA遥测实例
[0130] 根据McComas等人发表的论文“First IBEX observations of the terrestrial plasma sheet and a possible disconnection event”记载,来自51号轨道和52号轨道近远地点的IBEX‑Hi ENA扫描图像表明,地磁安静期间确实有来自磁尾方向的ENA信号。这些ENA信号和通量变化也许可以作为地磁亚暴与宁静期间环电流离子通量遥测的事例。
[0131] 这些IBEX‑Hi的ENA扫描图像,在磁尾约‑10Re附近有一个裂纹,原本以为是等离子体片间断事件的遥感图像。但是,裂纹两侧ENA的微分通量相似,说明两侧ENA的发射机理相同。在地磁宁静期间,环电流区域的高能离子受到磁场的约束,其投掷角约为90°。它们与周围中性气体交换电荷产生的ENA仅在黄道平面内传播,衰减缓慢。根据McComas等人发表的论文“First IBEX observations of the terrestrial plasma sheet and a possible disconnection event”中的的ENA计数图像可以看出,从2009年10月26日到11月2日历时7天,扫描覆盖大部分磁尾。该图显示,2009年10月29日黄昏时,ENA信号迅速消失,尽管IBEX的视场一直面向等离子体片,直到11月2日进入磁尾。考虑到IBEX视场宽度引起的位置误差,我们认为IBEX‑hi测量的ENAs应该是在50RE左右的距离上由环电流发射的。
[0132] 根据McComas et等人发表的论文“”Terrestrial energetic neutral atom emissions and the ground‑based geomagnetic indices:Implications from IBEX observations记载,IBEX‑Hi在第51轨道从2009年10月27日21:21UT至2009年10月29日13:40UT期间观测到,在‑4Re到‑12Re之间的磁尾区域,ENA微分通量有一个从500cm‑2sr‑1KeV‑
1s‑1下降到250cm‑2sr‑1KeV‑1s‑1的凹槽。有一个亚暴发生在2009年10月28日,3:45,AE指数(AE=22nT)开始增长,11:15达到极大(AE=281nT),23:05恢复宁静(AE=44nT),持续了大约一整天。亚暴期间,高能离子在环电流中的投掷角扩散,在黄道平面上传播的ENAs减少,造成了等离子体片断开的观测假象。28日午夜前,地磁活动恢复宁静,IBEX‑Hi的扫描视场仍然可以覆盖环电流在磁尾的远端,所以测量到ENA增强的信号。也就是说,51轨道IBEX‑Hi测量到带间隔的ENA信号都是由环电流的母本能量离子产生的。地磁宁静期间,这些母本能量离子的投掷角大多在90°左右。
[0133] 实施例2
[0134] 黄道面内的ENA成像测量可以获得地磁宁静期间的环电流能量离子分布信息,这使得极光亚暴过程的全球动态监测成为可能。我们通过亚暴事件的ENA成像探测动态模拟创建了一个关于极光亚暴的宏观模型。基于环电流离子通量可视化遥测的可能性,我们提出了一个由太阳风动压主导的极光亚暴宏观模型,用于执行实施例1提供的基于中性原子成像探测的极光亚暴模拟方法。
[0135] 本实施例提供的基于中性原子成像探测的极光亚暴宏观模型,包括:模拟模块和仿真模块,其中,
[0136] 模拟模块,用于建立以离子投掷角扩散引导的环电流离子通量分布动态演化的中性原子成像模拟方程;
[0137] 仿真模块,用于利用中性原子成像模拟方程,正演地磁宁静期间和极光亚暴期间不同离子投掷角分布函数对应的黄道面内的中性原子仿真图像,以重现极光亚暴过程中增长相阶段和恢复相阶段的环电流离子通量分布形态。
[0138] 从上述对本发明的具体描述可以看出:
[0139] 1、本发明提出的极光亚暴模拟方法和极光亚暴宏观模型具有理论体系完整,多方探测基础真实可信,可以仿真复现,和可视化的直接测量验证前景;
[0140] 2、本发明利用ENA成像模拟方式复现了极光亚暴期间磁层环电流的动态演化过程,重现了极光亚暴过程中增长相阶段和恢复相阶段的环电流离子通量分布形态,为进一步研究奠定了基础;
[0141] 3、本发明重现的极光亚暴过程中增长相阶段和恢复相阶段的环电流离子通量分布形态,进一步用于监测太阳风弓激波扰动增长相阶段,高能中性原子通量在环电流区域的减少情况和在极光带区域的增强情况,以及对应的AE指数变化,以评估极光亚暴沉降离子的加速过程,并分析对应的加速机制;
[0142] 4、本发明重现的极光亚暴过程中增长相阶段和恢复相阶段的环电流离子通量分布形态,进一步用于监测极光带区域和环电流区域的高能中性原子通量变化,监测磁场偶极化过程中注入环电流的能量离子成分和能谱,以评估极光亚暴过程中,环电流能量离子的沉降损失和注入更新情况;
[0143] 5、本发明重现的极光亚暴过程中恢复相阶段的环电流离子通量分布形态,进一步用于评估连续极光亚暴产生的几率。
[0144] 最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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