面包车辐射带由被困在地球磁场中的高能电荷颗粒组成。这些颗粒遵循田地的形状，并使皮带具有类似甜点的外观。为了研究货车带中粒子的行为，科学家可以使用粒子跟踪模块，这是ComsolMultiphysics®软件的附加产品。
什么是货车艾伦皮带？
范·艾伦（Van Allen）带以詹姆斯·范·艾伦（James Van Allen）的名字命名，是围绕地球的两条面团形状的辐射带。这些皮带从大约1000公里向外延伸到60,000公里，大小波动，有时在几个小时的时间内膨胀和收缩。
内部（浅灰色）和外部（深灰色）面包车皮带周围。地球地质的投影基于M.J. Brodzik和K.W.的图像。诺尔斯（参考。1）。
尽管对影响这些皮带的形状和大小的研究仍在进行中，但多年来，科学家取得了重大突破。2012年，美国宇航局推出了范·艾伦（Van Allen）探针，这显示了皮带的复杂程度。对于研究人员感到惊讶的是，探测器发现了临时的第三条带（由太阳风暴引起），该带在几周内消失了。该团队还了解到，皮带中的某些颗粒只会影响形状，而另一些则始终存在。
由于皮带的复杂性，重要的是要清楚地了解基本物理学。通过粒子追踪模拟，很容易研究被困在地球磁场中的颗粒的运动，并查看它们如何使皮带具有独特的形状。
粒子在地球磁场中的运动
地球的磁场是广泛的，围绕着行星数千公里。该场类似于偶极子，尽管存在某些不对称性和不规则性。因为磁场是诱使颗粒捕获的磁场，并且它们遵循其形状，因此对于科学家来说，具有准确的磁场模型很重要。当然，标准是国际地磁参考领域（IGRF），根据最新发现定期更新。
模拟地球周围的面包车皮带。地球地球的投影取自参考文献中的图像。1.（请注意，该图像是通过运行下面讨论的模型以更长的时间间隔创建的）。）
当粒子进入该字段时，它们开始朝野外线旋转，向其中一个极点旋转。当它们接近时，由于磁场的幅度增加，它们的螺距角（即磁场方向和粒子轨迹之间的角度）增加，导致甜甜圈中心的倾角。最终，粒子到达较高角度（称为镜点）弹跳的地方，朝另一个半球前进。如果粒子不会损失到大气中，则图案会继续，粒子从一个野外线向下漂移，逐渐绕地球。
使用IGRF模型模拟粒子的运动
这个3D示例检查了颗粒，特别是质子在地球磁场中所采取的路径。该模型由半径的简单球组成re，代表地球，半径5的球形模拟结构域re，计算粒子轨迹的地方。
地球周围的磁场域。请注意，在模型中，地球由一个简单的球体表示。在这里，地球地球的投影是从参考文献中的图像中获取的。1。
为了快速计算磁场，可以使用外部功能将IGRF的数据纳入模拟。访问此数据很简单使用内置地球磁场选项磁力功能，两个都可以带电的粒子跟踪接口和粒子跟踪流体流动界面。在这里，带电的粒子跟踪界面与时间依赖性研究一起使用。
磁场线基于来自IGRF的数据，而地球的地质基于参考文献中的图像。1。
另一个功能，命名从网格释放，使以特定的赤道俯仰角释放质子的释放变得容易。在此模型中，将10 meV质子的赤道俯仰角设置为30°。
检查粒子追踪模拟的结果
模拟显示了质子运动的三个组成部分：
- 回旋
- 弹跳
- 漂移
虽然未显示下面的时间，但漂移运动的时间尺度比弹跳运动的时间长得多，而反弹运动的时间比回旋期更长。
地球磁场中质子的轨迹。
科学家还可以使用这样的模型来查看各种赤道俯仰角对镜点纬度的影响。正如预期的那样，镜点纬度随着粒子的俯仰角降低而增加。在图的范围内，具有90°赤道俯仰角的粒子保留在赤道平面中，而螺距角度为0°的粒子直接沿着田间线沿着而不会弹跳。如果没有弹跳，粒子会落在地球上形成极光。
左：多个捕获质子的轨迹，颜色表达式与不同的赤道俯仰角相对应。右：针对粒子的赤道俯仰角的镜点纬度。
为了更好地可视化结果，您可以创建一个动画。下面的一个描述了被困的质子的运动，显示了粒子的螺距角度如何在极点附近增加。您还可以看到粒子运动如何创建皮带的标志性甜点般的形状的开始。
范艾伦皮带中被困质子的动画。地球地质的投影基于参考文献中的图像。1。
通过粒子追踪模拟，科学家可以更好地了解货车带中粒子的行为，这是未来更复杂研究的重要信息。
下一步
如果您想尝试在地球磁场中建模质子的运动，请单击下面的按钮。这样做将带您到应用程序库，您可以在其中登录comsol访问帐户，然后获取教程文档和MPH文件。
其他资源
- 阅读有关粒子追踪模拟的更多信息光束物理博客系列中的相空间分布
- 了解如何在旋转的星系教程
参考
- Brodzik，M。J.和K. W. Knowles。2002年。轻松网格：M. Goodchild中的一组相等的预测和网格（ed。）离散的全球网格。美国加利福尼亚州圣塔芭芭拉：国家地理信息与分析中心。
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