木卫一等离子体环辐射的模拟方法技术

本发明专利技术涉及模拟计算领域，尤其是一种木卫一等离子体环辐射的模拟方法

【技术实现步骤摘要】
木卫一等离子体环辐射的模拟方法、系统、设备及介质


[0001]本专利技术涉及模拟计算
，尤其是一种木卫一等离子体环辐射的模拟方法
、
系统
、
计算机设备及可读存储介质
。

技术介绍

[0002]木卫一等离子体环
(Io plasma torus)
是木星磁场内由木卫一表面活跃的火山喷发活动不断向空间输送的物质在强烈的电离和加热作用下所形成的环形等离子体结构
。
它围绕木星呈环形分布
,
半径在5‑
10R
J
之间
(R
J
代表木星半径
),
主要分为三个部分，分别是致密冷等离子体的集合的冷环面
(cold torus)
，在地面观测中，最为明亮的带状区域
(ribbon)
，以及最外侧的热环面
(warm torus)。
等离子体密度从
Io
轨道上最高约
1000cm
‑3，随半径增加迅速下降至约
10cm
‑3。
它随木星一起快速旋转
,
速度与木星自转相同，约为
9.9
小时转动一周
。
木卫一等离子体环主要由高度电离的硫和氧离子组成
,
如
S
+
、S
++
、O
+
、O
++
。
[0003]其中，电子与相应的离子发生碰撞，激发能级跃迁，从而发射出不同波段的波长，总辐射能量在
EUV
区域和光谱的可见波长发射区域
。
而现有的技术还无法做到对木卫一等离子体环辐射的不同波长辐射进行不同时间的准确图像模拟
。

技术实现思路

[0004]为解决上述现有技术问题，本专利技术提供了一种木卫一等离子体环辐射的模拟方法和系统，通过对木卫一等离子体环辐射的一维电子密度和温度
、
一维离子密度和温度数据进行二维延拓和三维旋转后计算木卫一等离子体环的辐射率，并基于不同的时间
、
不同视线方向对辐射率进行积分，能够准确模拟出木卫一等离子体环不同时刻
、
不同波长辐射的二维光学图像，可以动态展现木卫一等离子体环辐射在时间和空间上的形态变化，并通过后期对光学图像进行显示
、
图像处理及密度分布反演等操作从而有助于揭示木卫一等离子体环的整体环面结构
。
[0005]本专利技术提供了一种木卫一等离子体环辐射的模拟方法，包括以下步骤：
[0006]读取预设格式的木卫一等离子体环辐射数据
,
所述木卫一等离子体环辐射数据包括一维电子密度和温度
、
一维离子密度和温度；
[0007]分别对所述一维电子密度和温度
、
所述一维离子密度和温度进行延拓，得到电子密度和温度的二维分布以及离子密度和温度的二维分布，并对二维分布进行旋转后对应得到电子密度
、
离子密度的三维分布；
[0008]根据所述电子密度
、
离子密度的三维分布计算辐射率；
[0009]基于获取的模拟时间计算地球观测基地和木星的相对位置，并沿视线方向对所述辐射率进行积分，得到木卫一等离子体环辐射的二维光学图像
。
[0010]进一步的，所述分别对所述一维电子密度和温度
、
所述一维离子密度和温度进行延拓，得到电子密度和温度的二维分布以及离子密度和温度的二维分布的步骤包括：
[0011]根据离心赤道面一维电子密度和温度
、
一维离子密度和温度的
Bagenal1994
模型，
沿磁力线进行延拓计算得到一维电子密度和温度
、
一维离子密度和温度的子午面二维分布
。
[0012]进一步的，所述沿磁力线进行延拓计算得到一维电子密度和温度
、
一维离子密度和温度的子午面二维分布的计算公式分别为：
[0013][0014][0015]其中，一维电子密度和温度
、
一维离子密度和温度分别为
n
e
，
T
e
，
n
i
，
T
i
；
φ
代表电势，
(s0)
代表离心赤道面上的物理量值，
(s)
代表沿磁力线距离赤道面距离
s
处的物理量值，
q
代表电子
/
离子电荷，
k
为玻尔兹曼常数，
m
i
代表离子的质量，
Ω
代表木星自转角速度，
r
代表距离木星中心的距离，
θ
代表磁纬度，
Z
代表离子的原子序数
。
[0016]进一步的，所述对二维分布进行旋转后得到对应的三维分布的步骤包括：
[0017]基于所述子午面二维分布，采用离心赤道面旋转对称近似，沿着木星旋转子午面即得到对应的电子密度和温度
、
离子密度和温度的三维分布
。
[0018]进一步的，所述根据电子密度
、
离子密度的三维分布计算辐射率的计算方式为：
[0019]利用
CHIANTI
数据库基于公式
α
＝
A
ji
f
j
(T
e
,n
e
)n
ion
计算三维空间某一点某一离子与电子碰撞的辐射率
α
，其中，
A
ji
代表第
j
能级至第
i
能级的自发辐射的爱因斯坦系数，
f
j
(T
e
,n
e
)
代表电子密度
n
e
和电子温度
T
e
条件下的离子能级分离系数，
n
ion
代表离子密度
。
[0020]进一步的，所述基于获取的模拟时间计算地球观测基地和木卫一的相对位置，并沿视线方向对所述辐射率进行积分，得到木卫一等离子体环辐射的二维光学图像的步骤具体包括：
[0021]根据输入的模拟时间和地球观测基地的海拔高度和地理经纬度，并以此使用
spice
星历程序计算和木星的相对位置及坐标转换矩阵；
[0022]在此基础上沿某一方向的视线进行进行辐射率积分计算，得到辐射强度并根据辐射强度生成木卫一等离子体环辐射的二维光学图像
。
[0023]进一步的，所述辐射率积分计算公式为
I
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种木卫一等离子体环辐射的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：读取预设格式的木卫一等离子体环辐射数据
,
所述木卫一等离子体环辐射数据包括一维电子密度和温度
、
一维离子密度和温度；分别对所述一维电子密度和温度
、
所述一维离子密度和温度进行延拓，得到电子密度和温度的二维分布以及离子密度和温度的二维分布，并对二维分布进行旋转后对应得到电子密度
、
离子密度的三维分布；根据所述电子密度
、
离子密度的三维分布计算辐射率；基于获取的模拟时间计算地球观测基地和木星的相对位置，并沿视线方向对所述辐射率进行积分，得到木卫一等离子体环辐射的二维光学图像
。2.
如权利要求1所述的一种木卫一等离子体环辐射的模拟方法，其特征在于，所述分别对所述一维电子密度和温度
、
所述一维离子密度和温度进行延拓，得到电子密度和温度的二维分布以及离子密度和温度的二维分布的步骤包括：根据离心赤道面一维电子密度和温度
、
一维离子密度和温度的
Bagenal1994
模型，沿磁力线进行延拓计算得到一维电子密度和温度
、
一维离子密度和温度的子午面二维分布
。3.
如权利要求2所述的一种木卫一等离子体环辐射的模拟方法，其特征在于，所述沿磁力线进行延拓计算得到一维电子密度和温度
、
一维离子密度和温度的子午面二维分布的计算公式分别为：算公式分别为：其中，一维电子密度和温度
、
一维离子密度和温度分别为
n
e
，
T
e
，
n
i
，
T
i
；
φ
代表电势，
(s0)
代表离心赤道面上的物理量值，
(s)
代表沿磁力线距离赤道面距离
s
处的物理量值，
q
代表电子
/
离子电荷，
k
为玻尔兹曼常数，
m
i
代表离子的质量，
Ω
代表木星自转角速度，
r
代表距离木星中心的距离，
θ
代表磁纬度，
Z
代表离子的原子序数
。4.
如权利要求3所述的一种木卫一等离子体环辐射的模拟方法，其特征在于，所述对二维分布进行旋转后得到对应的三维分布的步骤包括：基于所述子午面二维分布，采用离心赤道面旋转对称近似，沿着木星旋转子午面即得到对应的电子密度和温度
、
离子密度和温度的三维分布
。5.
如权利要求4所述的一种木卫一等离子体环辐射的模拟方法，其特征在于，所述根据电子密度
、
离子密度的三维分布计算辐射率的计算方式为：利用
CHIANTI
数据库基于公式
α
＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：何飞，谭小易，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：