磁场模型

详细描述

包括IGRF、AE8、AP8等相关模型等。

类
class	ast::IrbemAPI

函数
void	ast::igrf (double lon, double lat, double height, double year, double &xl, double &bbx)
void	ast::igrf_field (double lon, double lat, double height, double year, double &bnorth, double &beast, double &bdown, double &babs)
void	ast::aIGRFField (double lon, double lat, double height, double year, double &bx, double &by, double &bz, double &babs)
int	ast::igrf13syn (int isv, double date, int itype, double alt, double colat, double elong, double &x, double &y, double &z, double &f)
double	ast::aep8 (double e, double l, double bb0, int iname)
double	ast::get_flux (double lon, double lat, double height, double energy, double year, int iname)

函数说明

aep8()

AST_WEATHER_CAPI double ast::aep8	(	double	e,
		double	l,
		double	bb0,
		int	iname )

计算特定 L 值和磁场强度下的粒子通量

参见

参考实现：https://github.com/nasa/radbelt/blob/main/radbelt/core.f#AEP8

参数

e	需要计算通量的能量值 [MeV(兆电子伏特)]
l	（McIlwain L 参数），表示磁壳参数。程序内部会将其限制在 ≤15.6
bb0	B/B₀，即当地磁场强度与磁赤道磁场强度的比值。若输入小于 1，程序强制设为 1
iname	粒子种类与太阳活动水平： 1: e-min（电子，太阳活动极小年） 2: e-max（电子，太阳活动极大年） 3: p-min（质子，太阳活动极小年） 4: p-max（质子，太阳活动极大年）

返回

粒子通量 [cm^-2 s^-1]

get_flux()

AST_WEATHER_CAPI double ast::get_flux	(	double	lon,
		double	lat,
		double	height,
		double	energy,
		double	year,
		int	iname )

计算特定位置和时间处辐射带捕获粒子的通量（参见 aep8.hpp 中的详细文档）

计算特定位置和时间处辐射带捕获粒子的通量

参见

参考实现：https://github.com/nasa/radbelt/blob/main/radbelt/__init__.pyget_flux

内部流程：

1. 调用 igrf() 将地理坐标转换为磁壳参数 L 和磁场比值 B/B₀
2. 调用 aep8() 根据 L、B/B₀ 和粒子能量计算积分通量

"辐射带捕获粒子"指的是被地球磁场捕获并束缚在范艾伦辐射带（Van Allen Belts）中的高能带电粒子（主要是电子和质子） 请参见：范艾伦辐射带（Van Allen Belts）

该函数先通过 IGRF 地磁场模型将地理坐标（经度、纬度、高度、年份）转换为 McIlwain L 参数（磁壳参数）和 B/B₀（当地磁场强度与磁赤道磁场强度之比）， 再调用 AEP8 辐射带模型计算粒子积分通量。

参数

lon	地理经度 [度（°）]
lat	地理纬度 [度（°）]
height	相对于地球表面的高度 [千米（km）]
energy	能量阈值，计算通量时只统计能量 ≥ 该值的粒子 [MeV（兆电子伏特）]
year	小数年份（如 2021.1616），用于考虑地球磁场的长期漂移
iname	粒子种类与太阳活动水平： 1: e-min（电子，太阳活动极小年） 2: e-max（电子，太阳活动极大年） 3: p-min（质子，太阳活动极小年） 4: p-max（质子，太阳活动极大年）

返回

粒子积分通量 [cm⁻²·s⁻¹]

使用示例：

// 计算南大西洋异常区（45°W, 30°S, 500 km高度）处
// 能量 ≥20 MeV 的质子在太阳活动极大年时的通量
double flux = get_flux(
    -45.0,              // 经度: 45°W
    -30.0,              // 纬度: 30°S
    500.0,              // 高度: 500 km
    20.0,               // 能量: 20 MeV
    2021.1616438356164, // 时间: 2021-03-01
    4                   // p-max
);
// flux ≈ 2642.5 cm⁻²·s⁻¹

参见

aep8(), igrf()

igrf()

AST_WEATHER_CAPI void ast::igrf	(	double	lon,
		double	lat,
		double	height,
		double	year,
		double &	xl,
		double &	bbx )

利用 IGRF 地磁场模型计算磁壳参数 L 和磁场比值 B/B₀

通过对底层 Fortran 例程的顺序调用，将地理坐标转换为辐射带建模所需的磁坐标参数。

内部流程：

1. INITIZE — 从数据文件加载 IGRF 高斯系数
2. FELDCOF — 根据小数年份插值计算该时刻的地磁场系数和偶极矩 DIMO
3. FELDG — 计算指定位置的地磁场分量（北向、东向、垂直、总强度 BABS）
4. SHELLG — 沿磁力线追踪，计算 McIlwain L 参数。返回状态码 ICODE：
   • 1: 正常完成
   • 2: 共轭点不在物理范围内（此时 L 值无意义）
   • 3: 磁壳参数超出精确计算上限，使用近似值
5. BEQU = DIMO / L³ — 用偶极子近似估计赤道磁场强度
6. FINDB0 — （仅当 ICODE=1 即正常完成时）迭代求解更精确的赤道磁场 B₀， 以修正偶极子近似的误差。若迭代不收敛，保留偶极子近似值
7. BBX = BABS / BEQU — 计算当地磁场强度与赤道磁场强度的比值

参见

参考实现：

• IGRF: https://github.com/nasa/radbelt/blob/main/radbelt/core.f#IGRF
• bilcal: https://ccmc.gsfc.nasa.gov/pub/modelweb/geomagnetic/igrf/fortran_code/bilcal.for https://git.smce.nasa.gov/ccmc-share/modelwebarchive/-/blob/main/IGRF/fortran_code/bilcal.for

IGRF（International Geomagnetic Reference Field，国际地磁参考场）是 国际地磁学与高空物理学协会（IAGA）发布的标准地磁场模型。

本函数将地理坐标转换为辐射带建模所需的磁坐标参数， 是连接地理空间与辐射带模型（AE8/AP8）的桥梁。

参数

[in]	lon	地理经度 [度（°）]
[in]	lat	地理纬度 [度（°）]
[in]	height	相对于地球表面的高度 [千米（km）]
[in]	year	小数年份（如 2021.1616），用于计算地磁场的长期变化（主磁场漂移）
[out]	xl	McIlwain L 参数（磁壳参数），无量纲。 表示磁力线在赤道面与地心的距离（以地球半径 R_E 为单位）。 内辐射带典型值 ~1.2–3，外辐射带 ~3–10。
[out]	bbx	B/B₀，即当地磁场总强度与同 L 值磁赤道处磁场强度的比值。 该值 ≥ 1，是辐射带粒子弹跳运动的控制参数。

注解

函数内部会通过 WorkingDirectory 临时切换当前目录到 IGRF 数据目录， 因为底层 Fortran 例程通过相对路径读取数据文件。

使用示例：

double xl, bbx;
// 计算南大西洋异常区（45°W, 30°S, 500 km, 2021-03-01）的磁坐标
igrf(-45.0, -30.0, 500.0, 2021.1616438356164, xl, bbx);
// xl  ≈ 1.4138（L 值，位于内辐射带边缘）
// bbx ≈ 1.7853（磁镜比，粒子在此处接近弹跳镜像点）

参见

aep8(), get_flux()

igrf13syn()

AST_WEATHER_CAPI int ast::igrf13syn	(	int	isv,
		double	date,
		int	itype,
		double	alt,
		double	colat,
		double	elong,
		double &	x,
		double &	y,
		double &	z,
		double &	f )

根据IGRF13模型计算磁场分量

igrf13.f文件内igrf13syn函数的C版本，保持函数接口与参数含义一致。

参见

https://www.ncei.noaa.gov/products/international-geomagnetic-reference-field

https://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf13.f

https://ccmc.gsfc.nasa.gov/models/IGRF~13/

https://github.com/space-physics/igrf

参数

[in]	isv	=0: 计算主磁场值（单位：nT）; =1: 计算长期变化率（年变率，单位：nT/年）
[in]	date	年份，公元纪年，如 2020.0。有效范围：1900.0 至 2030.0; 若 date > 2025.0 会给出警告，表示精度可能降低（因预测模型仅到2025年）
[in]	itype	=1：大地坐标（海拔高度）; =2：地心坐标（地心距离）
[in]	alt	当 itype=1 时：海拔高度，单位为 km（相对于海平面）; 当 itype=2 时：到地心的距离，单位为 km（必须 > 3485 km，即地球内核半径之外）
[in]	colat	余纬度，单位为度，范围 0° 到 180°; 定义为从北极起算的角度：colat = 90° - 纬度（北纬为正，南纬为负）
[in]	elong	东经，单位为度，范围 0° 到 360°
[out]	x	若 isv=0：主磁场北分量，单位 nT; 若 isv=1：北分量的年变率，单位 nT/年
[out]	y	东向分量（单位同上）
[out]	z	垂直分量（向下为正，单位同上）
[out]	f	总强度（仅当 isv=0 时有意义，单位 nT）；若 isv=1 则返回无意义的值

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