Introduction to Geomagnetically Trapped Radiation pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Cambridge Univ Pr

作者:Walt, Martin

出品人:

页数:192

译者:

出版时间:2005-12

价格:$ 90.40

装帧:Pap

isbn号码:9780521616119

丛书系列:

图书标签:

Geomagnetism
Radiation Belt
Space Physics
Plasma Physics
Magnetosphere
Geophysics
Space Weather
Van Allen Belts
Particle Physics
Astrophysics

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具体描述

This book is an introductory textbook on the physical processes occurring in the Earth's radiation belts. The presentation is at the advanced undergraduate or first year graduate level, and it is appropriate for students who intend to work in some aspect of magnetospheric physics. The treatment is quantitative and provides the mathematical basis for original work in this subject. The equations describing the motion of energetic ions and electrons in the geomagnetic field are derived from basic principles, and concepts such as magnetic field representations, guiding centre motion, adiabatic invariance, and particle distribution functions are presented in a detailed and accessible manner. Relevant experimental techniques are reviewed and a summary is given of the intensity and energy spectra of the particle populations in the Earth's radiation belts. Problem sets are included as well as appendices of tables, graphs and frequently used formulas.

磁场与辐射的交织：探索地球磁层内外的粒子动力学本书深入探讨了地球磁层中捕获的带电粒子——地磁捕获辐射的物理本质、起源、输运机制及其对空间环境的影响。我们聚焦于理解这些高能粒子如何在地球磁场的复杂结构中被束缚、加速和重新分布，以及这些过程如何塑造近地空间环境，特别是对卫星运行和地面基础设施构成的潜在威胁。本书的构建遵循从基础理论到前沿应用的逻辑脉络。首先，我们详细回顾了磁流体力学（MHD）和等离子体物理学的基本原理，这些是理解磁层等离子体行为的理论基石。重点分析了磁场拓扑结构，特别是偶极子模型在描述外磁层环境时的局限性与适用性，并引入了更精细的磁层边界层理论，例如磁层顶（Magnetopause）的结构与磁重联（Magnetic Reconnection）现象，这是能量和粒子进入捕获区的主要通道。在基础知识铺垫之后，本书将焦点转向捕获辐射本身的粒子种群——电子和离子。对于电子部分，我们将深入剖析“内辐射带”（即“范艾伦内带”）和“外辐射带”（即“范艾伦外带”）中电子的能量谱、空间分布和时间演化。内辐射带中的电子，主要以质子（被捕获的中子衰变产物）和高能电子为主，其生命周期相对较长，对卫星的深层穿透损伤构成主要威胁。我们详尽讨论了这些电子的一阶不变量（磁矩 $mu$、第三不变量 $J$）及其在慢波过程（如偶极子漂移、磁场形变）中的守恒性，解释了粒子如何沿着磁力线漂移，从而形成辐射带的环电流。针对外辐射带，本书着重探讨了电子的快速加速机制。这部分内容是当前空间物理研究的前沿领域之一。我们详细分析了多种加速途径： 1. 离散模式的磁重联加速：探讨了磁层尾部（Magnetotail）的磁场重构如何产生高速射流，并将等离子体射向地球。 2. 波粒相互作用：这是外辐射带粒子动力学的核心。本书系统梳理了各种等离子体波的类型，包括裂缝等离子体波（Whistler Waves）、阿尔芬波（Alfvén Waves）和激波波（Chorus Waves）。特别地，我们用详细的理论模型和卫星观测数据，阐释了激波波如何通过共振散射机制（Pitch Angle Scattering）导致高能电子在数小时或数分钟内被迅速加热到MeV量级，这是外辐射带的标志性特征。 3. 扩散机制：讨论了电场和磁场的随机扰动如何导致粒子的“第二不变量” $L$（漂移半径）和“第三不变量” $J$ 发生变化，使得粒子在辐射带内发生扩散，从而改变其空间分布。对于离子部分，本书区分了低能丰质子的捕获机制和高能太阳质子事件（SPEs）的注入过程。我们考察了太阳风等离子体如何通过磁层顶的准束流（Foreshock）或磁重联进入捕获区，并分析了这些离子如何参与形成环电流，并可能通过磁场重联的逆过程，在亚暴期间被加速并向地球沉降，形成极光亚暴（Auroral Substorms）中的能量释放。本书不仅停留在理论描述，更侧重于辐射带的动态演化和空间天气预报。我们整合了对磁层响应的经典模型（如平衡电流模型、场对流模型）与最新的数据驱动模型。空间天气事件（如地磁暴）对辐射带的剧烈影响被作为关键案例进行剖析。例如，在强烈的地磁暴期间，磁层会经历显著的压缩和重构，导致外辐射带电子的快速清除（Outer Zone Stripping）或重新注入与加速，这直接关系到高轨道卫星的寿命和功能稳定性。最后，本书探讨了辐射环境对航天器的影响。我们讨论了电荷积累、深度充电（Deep Dielectric Charging）效应的物理机制，这些效应是由于高能电子穿透卫星材料，在内部绝缘层中累积电荷，最终导致破坏性的静电放电（ESD）事件。本书提供了评估不同航天器材料和轨道环境下的充电风险的工程学方法论。本书的读者对象包括空间物理、等离子体物理、地球物理学领域的研究人员、博士生，以及从事卫星设计、空间环境监测和空间任务规划的工程师。通过结合严谨的理论推导、丰富的观测数据分析和前沿的建模方法，本书旨在提供一个全面且深入的视角，以理解地球磁层内部这个复杂而充满活力的粒子“粒子陷阱”的物理规律。