南极中山站极区空间环境观测系统

中国南极中山站位于极隙区纬度,可以观测到丰富的日地能量传输过程的电离层征兆和极光现象,非常适合开展极区空间环境观测研究。自1989年开始建设以来,中山站极区空间环境观测系统经历了观测设备的不断完善和发展,现已建立了涵盖地面极光、电离层和地磁观测多要素、多手段的自主观测体系,实现了极区空间环境的连续监测并建立了数据库。所有观测设备的运行状态可实时监控,地磁、宇宙噪声吸收等数据实现了准实时远程传输。最后展望中国极区空间环境观测研究的发展前景。     

对流电场产生电离层扰动的典型事例

用欧空局ＥＩＳＣＡＴ极光区非相干散射雷达观测资料、南极中山站电离层垂测站和我国１２０°Ｅ电离层站链ｆ０Ｆ２资料，分析了１９９１年５月２～３日一次主要由磁层对流引起的电离层扰动过程。从形态特征上看，它与热层中性大气参与的动力耦合过程明显地不同。对照比较表明，这是一次典型的磁层－电离层电动耦合事例。全球地磁站网资料从另一侧面证实，本文讨论的耦合机制是正确的。     

日侧弥散极光对太阳风动压增强的响应

太阳风动压的显著变化能导致沉降进入极区电离层的能量粒子通量以及磁层-电离层电流系发生扰动。磁层高能粒子沉降到极区上层大气并与中性气体碰撞所激发的弥散极光,能够对这种扰动做出相应的响应。基于斯瓦尔巴特（Svalbard）群岛新奥尔松（Ny-?lesund）地区北极黄河站优越的地理优势,我们利用安装在黄河站的极光全天空成像仪观测到了日侧弥散极光对太阳风动压增强的响应。通过2006年1月2日事件观测显示,随着太阳风动压的增强,日侧弥散极光在极光卵赤道向部分首先点亮并逐渐向高纬扩展,同时地磁环境也受到相应扰动影响。我们认为,随着太阳风动压的增强,日侧磁层顶受到压缩,磁层内波粒相互作用导致投掷角散射增强,使得沉降进入极光卵赤道侧电离层的高能粒子数密度增大,进而导致日侧弥散极光强度增强。     

极区电离层NmF2观测与国际参考电离层对比研究

利用南北极极隙区与极光带纬度3个台站对电离层F₂层峰值电子密度(N_mF₂)长达1个太阳活动周的观测数据,对国际参考电离层IRI-2016模型在极区的适用性进行系统的定量研究。结果表明,在极光带纬度的北极Troms?站,IRI预测与观测符合最好,大部分季节相对误差在40%以内,在太阳活动高年略好于太阳活动低年。在极隙区纬度的南极中山站和Longyearbyen站,IRI预测精度在太阳活动低年高于太阳活动高年。在中山站和北极Longyearbyen站仅个别月份相对误差在20%以内,大部分月份相对误差超过40%,冬季相对误差接近100%,特别是Longyearbyen站,在太阳活动高年冬季相对误差超过100%。从季节上看,3个台站都是冬季符合最差,夏季符合最好。IRI-2016模型对极区电离层进行预测时,难以如实反映极区等离子体对流和能量粒子沉降等极区特有的物理过程对极区电离层N_mF₂的影响。     

极盖区等离子体云块触发的极向边界点亮事件的观测研究

极盖区等离子体云块是电子密度比背景高出2倍及以上的高密度不均匀体,极向边界点亮是夜侧极光卵极向边界亮度显著增强的极光结构。探究极盖区等离子体云块与极向边界点亮现象的形成和演化以及二者之间的关系对理解极区电离层-磁层耦合具有重要意义。本文基于北极黄河站全天空极光成像仪、欧洲非相干散射雷达(EISCAT)、SuperDARN雷达和GPSTEC等多手段观测数据,揭示极盖区等离子体云块运动到夜侧极光卵极向边界,进而触发极向边界点亮的完整过程。研究结果表明,(1)高密度等离子体云块从极盖区运动到夜侧极光卵极向边界时,极向边界附近的极光强度明显增加,即出现了极向边界点亮现象。(2)极光亚暴发生后,极光卵极向膨胀,极向边界到达EISCAT Svalbard 42 m雷达观测视野。该雷达观测到了高密度、高电子和离子温度的结构,并伴随着电子密度峰值高度下降和离子上行等现象,这与高密度等离子体云块的输运和当地的极光粒子沉降密切相关。(3)从日侧向夜侧输运的等离子体云块到达夜侧极光卵极向边界附近时可能触发极向边界点亮,并且影响等离子体云块和极光粒子沉降接触区域的等离子体特征,这有助于加深我们对夜侧极区电离层...     

基于北极黄河站观测的日侧极光研究新进展

回顾了基于中国黄河站全天空极光观测对日侧弥散极光与喉区极光研究的最新进展。首先,利用黄河站极光观测,对日侧弥散极光展开系统性分类与统计研究,对这一重要空间物理现象取得新认识,指出日侧弥散极光对研究日侧外磁层冷等离子体的分布、形成及磁鞘粒子进入磁层都具有重要启示作用;同时发现并定义了一种新型分立极光结构——喉区极光,并推断其可能对应磁层顶的局地变形。喉区极光是指发生在电离层对流喉区附近、从极光卵赤道侧向低纬方向延伸出来的分立极光结构。全天空极光观测表明喉区极光走向大致与电离层对流方向一致。之后,观测验证了喉区极光对应磁层顶局地内陷式变形的推测;统计发现喉区极光是一种非常高发的现象,对应的磁层顶变形尺度可达2—3 Re,并指出这种变形最可能由磁鞘高速流冲击磁层顶产生;发现在喉区极光产生过程中还可能触发磁重联;证实伴随喉区极光的产生,磁鞘粒子会进入磁层并诱发产生一种新型弥散极光。通过喉区极光研究,可以将已有的磁鞘瞬态过程研究和触发式磁重联研究有机地结合在一起,对太阳风-磁层耦合过程形成一种新的认识,即:在磁鞘中局地产生(而不是存在于太阳风中)的瞬态过程可以在日下点附近频繁地导致磁层顶局地变形、触发重联、引发系列地球空间效应,可能对太阳风-磁层耦合具有不可忽略的重要性。以此为基础,讨论了日侧极光研究引出的新课题。     

对流电场产生电离层扰动的典型事例

用欧空局ＥＩＳＣＡＴ极光区非相干散射雷达观测资料，南极中山站电离层垂测站和我国１３０°Ｅ电离层链ｆ０Ｆ２资料，分析了１９９１年５月２－３日一次主要由磁层对流引起的电离层扰动过程。从形态特征上看，它与热层中性大气参与动力耦合过程明显地不同。对照比较表明，这是一次典型的磁层－电离层电动耦合事例。     

极区电离层与磁层-电离层耦合

本文利用欧洲空间局设在北极区的非相干散射雷达系统EISCAT的观测资料讨论磁层-电离层耦合。磁静日和磁暴期间的观测样本比较表明,磁层基本过程对极区电离层有重要影响。这不仅说明极区电离层可看作这些过程的“全景屏幕”,也表明在南、北极区(特别是磁共轭点)进行同时观测的重要意义。文中还对进一步的南极研究课题提出了一些建议。     

前言

<正>极区在空间环境和天文学观测研究中具有非常独特的科学价值。由于地磁场的保护作用,地球除极区外的其他大部分地区都不会受太阳风暴的直接影响;而在极区受到汇聚和近乎垂直进出的地球磁力线位形,使其成为一扇地球开向太空的窗口。太阳风能量粒子进入地球磁层后沿着磁力线沉降到南北极区电离层和中高层大气,产生一系列重要的地球物理现象,诸如极光、亚暴、电离层暴、极盖吸收及对中层大气加热和电离等。这些空间天气过程最先在极区发生,且最为强烈,然后逐步向中低纬地区传播,因此,在地球上也只能在极区开展空间天气探源式观测。在探测宇宙方面,中国南极昆仑站(以下简称昆仑站)的特殊自然环境为人类提供了地球表面观察地外最清晰的视野,尤其在观测红外和太赫兹波段独具优势。我国是世界上拥有最古老极光记录的国家。但也由于远离南北极,我国的极区空间物理观测研究起步较晚,随着我国极地考察事业的发展,经过一代代人的努力,我国已经在南北极建立了自主的空间环境观测系统,     

南极地区地磁扰日变化S_D场特征

利用南极地磁资料研究了地磁扰日变化ＳＤ场特征。１）ＳＤ场变化不如Ｓｑ场变化规则,无明显的昼夜差异;太阳活动高年（１９９１年）比下降年（１９９４年）ＳＤ场变化更强烈。２）极隙区中山站ＳＤ场变幅比亚极光区长城站和北半球低纬区北京台的ＳＤ场变幅大１０倍以上。３）中山站Ｓ０Ｄ（Ｈ）变化呈“正弦波”形态,与长城站和北京台Ｓ０Ｄ（Ｈ）变化形态相反。４）中山站Ｓ０Ｄ等效电流矢量在早晨－下午（０２～１５ｈ）矢量方向为反时针西向,下午－夜间（１５～０２ｈ）矢量方向为顺时针东向,这是由极区东向、西向电射流和极区电流涡旋所引起;长城站与北京台Ｓ０Ｄ等效电流矢量很小,这是由极区东向和西向电射流的影响所致。     

南极中山站1991年地磁静日S_q变化

本文分析了１９９１年太阳活动峰年南极中山站地磁静日Ｓｑ变化，结果表明：１）地磁静日Ｓｑ变化叠加有很多扰动。Ｓｑ场是由Ｓ０ｑ场和Ｓｐｑ场所组成。２）Ｓ０ｑ场变化比较规则，其极昼月（夏季）的变幅比极夜月（冬季）大很多。在极昼月Ｓ０ｑ（Ｈ）变化出现有双峰图象。Ｓ０ｑ场主要是由高纬度极区电离层Ｓｑ电流体系所控制。３）Ｓｐｑ场的变化形态没有昼夜之分；它的变化强度为冬季小、夏季大。Ｓｐｑ场源主要是依赖于场向电流和电离层电导率。４）Ｓ０ｑ（Ｚ）变化比Ｓ０ｑ（Ｈ）变化要大，特别是在极夜的冬季，Ｓ０ｑ（Ｚ）的变幅比Ｓ０ｑ（Ｈ）大２／３倍。本文对北京地磁中心台磁静日资料也一并进行了分析。Ｓｑ变化主要是由北半球中、低纬电离层Ｓｑ电流体系所引起的     

An improved geomagnetic data selection algorithm for global geomagnetic field modelling

A spherical harmonic degrees 60, global internal field model is described (called BGS/G/L/0706). This model includes a degree 15 core and piecewise-linear secular variation model and is derived from quiet-time Ørsted and Champ satellite data sampled between 2001.0 and 2005.0. For the satellite data selection, a wide range of geomagnetic index and other data selection filters have been used to best isolate suitably quiet magnetospheric and ionospheric conditions. Only a relatively simple, degree one spherical harmonic, external field model is then required. It is found that a new 'Vector Magnetic Disturbance' index ( VMD ), the existing longitude sector A indices, the auroral zone index IE , and the polar cap index PC are better than Kp and Dst at rejecting rapidly varying external field signals at low, middle, auroral and polar latitudes. The model quality is further enhanced by filling spatial and temporal gaps in the quiet data selection with a second selection containing slightly more disturbed data. It is shown that VMD provides a better parametrization than Dst of the large-scale, rapidly changing, external field. The lithospheric field model between degrees 16 and 50 is robust and displays good coherence with other recently published models for this epoch. BGS/G/L/0706 also shows crustal anomalies consistent with other studies, although agreement is poorer in the southern polar cap. Intermodel coherency reduces above about degree 40, most likely due to incompletely filtered signals from polar ionospheric currents and auroral field aligned currents. The absence of the PC index for the southern hemisphere for 2003 onwards is a particular concern.     

Analysis of S~p_q current systems by using corrected geomagnetic coordinates

The S~p_q equivalent current system of the quiet day geomagnetic variation in the polar region is very complicated. It is composed of several currents, such as the ionospheric dynamo current and the auroral electrojet caused by the field aligned current. S p q is unsymmetrical in both polar regions. In this paper, the S p q current systems are analyzed in the corrected geomagnetic coordinates (CGM) instead of the conventional geomagnetic coordinates (GM), and the symmetries of the S p q current in different systems are compared. Then the causes of S p q asymmetry in the GM coordinates are discussed; the effects of each component in S p q are determined.     

极区极夜期间E层占优电离层的分布特征

E层占优电离层是指E层的峰值电子密度大于F层的峰值电子密度（N_mE>N_mF）时的电离层,记为ELDI（E-Layer Dominated Ionosphere）。针对ELDI,利用2007-2010年的COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate satellite)掩星数据,在修正地磁纬度-磁地方时标系下统计分析了它在南北极区极夜期间（南北半球的冬至日前后30天）的分布特征,结果表明极夜期间电离层ELDI特征明显,其分布与极光椭圆位形基本一致,而且其在夜侧的发生率较高,特别是磁子夜之后,北极为70%左右,而南极为90%左右;另外南极的ELDI特征在磁纬度分布上要略宽于北极的分布范围。在ELDI高发区,电离层峰值电子密度要高于其两侧地区,特别是在夜侧,尤其是磁子夜前的峰值电子密度要接近甚至大于磁正午的峰值电子密度,在南极地区格外明显;而且ELDI高发区内的E层的电子含量（TECE）、电离层总电子含量（TECI）及TECE占TECI的比重（TECEI）都高于其两侧地区,北极TECE和TECI大于南极,而TECEI则是南极大于北极。这些现象主要是由于极夜期间极区高能粒子沉降引起底部电离层电离率增大所致;同时,由于地磁轴偏离地理轴的程度在南极要大于北极,使得极夜期间南极地区的电离层的电子密度,特别是在F层要相应地小于北极地区,从而导致了极夜期间南北半球极区电离层ELDI特征之间差异。     

THE POLAR IONOSPHERE AND THE MAGNETOSPHERE-IONOSPHERE COUPLING

EISCAT (the Incoherent System at the northern polar region) data are used in discussion of the magnetosphere-ionosphere coupling. Comperison between samples in geomagnetic quiet days and during magnetic storms shows a significant effect of the basic magnetospheric processes on the features of the polar ionosphere. It not only demonstrates that the polar ionosphere can be regarded as a 'panoramic screen' of these process, but also indicates an importance of the simultaneous observation of southern and northern polar regions (especially, at the magnetic conjugate points). A few topics concerned are suggested for the further study of the southern polar region.     

A comparative study on the ionospheric current systems in the Antarctic and Arctic regions

ＡｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｃｕｒｒｅｎｔｓｙｓｔｅｍｓｉｎｔｈｅＡｎｔａｒｃｔｉｃａｎｄＡｒｃｔｉｃｒｅｇｉｏｎｓＸｕＷｅｎｙａｏ（徐文耀）（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，ＡｃａｄｅｍｉａＳｉｎｉ...     

南极中山站的f_0F2特征

本文利用电离层数字测高仪 (DPS - 4)所测的f0 F2和从美国NOAA和DMSP卫星观测估算的半球功率指数和午夜极光区赤道侧边界纬度等资料 ,考察中山站电离层的极区特征。结果表明 ,冬季中山站电离层内的电离生成主要取决于从磁层沉降的粒子。在太阳活动和地磁变化宁静环境下 ,磁正午极隙区内的软粒子是最主要的电离源 ,它能使f0 F2达全天的最大值 ;上、下午各有数小时处于极光带内时 ,高能粒子的电离作用也很重要 ;夜间进入极盖区后 ,电子密度则很低。夏季太阳辐射电离效应使f0 F2值比冬季增加 1- 1 .5MHz,而其日变化的最大值时间也提前了 1- 2hr。发生很大扰动时 ,极隙区和极光带的位置均向低纬方向移动。若中山站日间也处于极盖区内时 ,电子密度会大幅度下降 ,并常接收不到电离层回波的信号。在中等扰动环境下情况更加复杂。由于高纬电离层对流速度很高 ,离子 /中性分子间的碰撞复合系数就很大。热层中性大气全球经向环流对高纬电离层电子密度的增加无显著作用。磁暴期间中午从极隙区向南的等离子体对流对中山站f0 F2的增高也无明显影响。     

Localization of VLF ionospheric exit point by comparison of multipoint ground-based observation with full-wave analysis

In order to estimate the dynamic structure of the VLF ionospheric exit point, we conducted multipoint ground-based observation of the natural VLF emissions at three unmanned sites: West Ongul (69°01′ S, 39°30′ E), Skallen (69°40′ S, 39°24′ E), and H100 (69°18′ S, 41°19′ E) around Japanese Syowa station, Antarctica, during a whole year of 2006. In this observation, we developed three sets of unmanned autonomous observation systems for natural VLF emissions. Each observation system consists of two crossed vertical loop antennas to pick-up North–South (NS) and East–West (EW) magnetic components, a multi-channel analyzer, and a data logger. The intensity and polarization of NS and EW magnetic components are obtained in 4 spaced frequency (0.5, 1.0, 2.0, and 6.0 kHz) channels by the multi-channel analyzer.The VLF emissions observed at the three sites exhibit an interesting difference in the wave intensity as well as the polarization that allows important information about the locations of their ionospheric exit point to be determined. Firstly, to find the distinct exit point, we have theoretically calculated the spatial distributions of the wave intensity and the polarization on the Earth for VLF whistler mode waves coming down from the magnetized ionosphere, by using the full-wave analysis. Then, we have compared the calculated results with the observed data, to evaluate the possible locations of the ionospheric exit point for the auroral hiss events.As an example, the direction of the estimated ionospheric exit point for the auroral hiss event at 31 March 2006 was found to be consistent with a bright aurora region. However, in this case, the estimated ionospheric exit point was located a few hundred kilometers equatorward of the associated aurora. This would suggest that the ray paths for the auroral hiss could be different from the directions of the geomagnetic field lines for auroral precipitation.