中低纬度电离层对太阳风状态的响应

本文讨论了行星际磁场B₂分量变化时内磁层和中低纬度电离层的响应.指出B₂变化引起的磁层大尺度对流电场的变化在一定条件下有可能透入内磁层,并沿磁力线映射到中低纬度电离层,在那里产生电场和电流体系,从而使S_q电流体系发生畸变,并在地面磁场中反映出来.数值计算表明,当△B₂<0时,S_q电流体系的焦点向东和向高纬移动,地面磁场会观测到数伽马的变化.这就为中低纬地磁观测诊断磁层和太阳风状态提供了一种可能性.此外,本文还用上述物理过程解释了赤道地区一些高空物理现象,如B₂倒转时电离层漂移速度的变化,赤道磁场异常以及赤道q型偶现E层的消失等等.     

基于地磁台站数据对磁暴期间环电流和场向电流的分布特征研究

磁暴的发生与环电流的变化密切相关.除了对称环电流外,部分环电流在磁暴的发展过程中也起到了重要的作用,同时部分环电流通过场向电流与极区电离层中的电流形成回路.本文应用INTERMAGNET地磁台网北半球中低纬区域地磁台站数据,对不同强度4个磁暴事件主相和恢复相期间部分环电流和场向电流的磁地方时分布进行了分析和讨论.对于每一个磁暴事件,在低纬地区（地磁纬度约0°—40°N）选用地磁经度上大致均匀的8个台站,通过坐标转换计算平行于磁偶极轴的地磁场水平分量H来分析磁暴期间环电流所引起的磁场扰动;在低纬地区8个台站的基础上增加中纬地区（地磁纬度约40°N—60°N）地磁经度上大致均匀的6个台站,计算地磁坐标系下地磁场东西分量Y来分析磁暴期间场向电流在中低纬地区引起的磁场扰动.结果表明,磁暴主相期间的部分环电流主要作用于磁地方时昏侧和夜侧扇区,并且主相和恢复相期间部分环电流引起的磁场变化随着磁暴级别的增大而增大;磁暴主相期间向下的场向电流多出现在夜侧至晨侧扇区,向上的场向电流多出现在昏侧至午后扇区,且中纬地区向下和向上场向电流的展布范围明显大于低纬地区;恢复相期间弱、中磁暴事件的场向电流呈现与部分环电流相同的减弱趋势,而强、大磁暴事件在恢复相末期场向电流引起的磁场变化明显不同于恢复相的其他时刻,这可能与高纬较强的亚暴活动有关.     

伴随2000年9月30日sawtooth事件地磁变化和电流楔特征研究

为了解极光电集流在sawtooth事件期间的响应情形,本文利用北半球高纬地磁台站的磁场数据,建立了以球元基本电流系反演法求得大尺度电离层水平等效电流系分布的方法,以此研究了2000年9月30日同步轨道LANL卫星观测到的sawtooth事件期间极光电集流的变化.本文将sawtooth注入事件后极区电离层夜侧西向电集流增长的特征,与中低纬地基磁场北向分量正弯扰的特征做比较分析.两者的观测结果都表明在本sawtooth注入事件期间有电流楔的形成,且电流楔约有11 h磁地方时(MLT)的宽度.此外,中低纬磁弯扰达到最大扰动值的时间一般比高纬电集流达到最大扰动值的时间长,说明影响中低纬磁弯扰变化的电流源较丰富.     

Sq电流系午前午后不对称性现象的来源

太阳静日变化Sq是地球变化磁场的基本组成部分,Sq的特征反映电离层的电性质和高层大气的潮汐特性.研究Sq的变化特性,能够加深对电离层\|热层耦合的认识.准确分离出Sq,为计算地磁指数（如Dst、Kp和AE等）以及空间天气的准确预报提供必要信息.本文利用地磁观测数据,重点分析了北半球Sq形态及其午前午后不对称现象、Sq日变幅的变化特征、不同纬度地区日变幅与太阳天顶角的相关性的差异.研究表明低纬电流系和高纬电流系是引起Sq形态变化的重要来源,也是各种不对称性的主要起因.     

磁层亚暴期间高纬地区三维电流体系

确定亚暴期间高纬地区的三维电流体系是磁层和电离层物理的基本问题之一,本文简述了近年来发展的根据地面地磁活动的记录及演三维电流体系的两种较新的方法:KRM（Kamide-Richmond-Matsushita）方法和K（Kisabeth）方法.在KRM方法和许多其它类似的计算中,都假定磁力线是垂直于电离层沿地球径向的直线.本文介绍了一种递推方法,可计算场向电流沿弯曲的偶极子场线流动的情况。同时,还介绍了高纬三维电流体系对亚暴期间中低纬度地磁扰动的贡献。最后介绍了在计算电流体系时所需的电离层电导率模式。     

Weimer电场模式在地球磁层内的特征

地球磁层中的电场是研究磁层物理的重要参数,目前常用的对流电场有均匀晨昏电场和投影电场.电离层电场可以看做磁层电场沿磁力线在电离层的投影,本文选取的电离层电场模型为Weimer(2001模式)电场.利用T96磁场模式,沿磁力线将电离层电场投影到磁层空间,得到一个新的磁层电场模式,并讨论了磁暴、行星际磁场(IMF)、太阳风参数和亚暴等对磁层电场的影响.利用该模型计算的电场结果与卫星探测结果相符.     

1990年3月21日磁暴期间的电离层响应

利用美、欧、日等国非相干散射雷达观测的离子速度,高纬地磁站链1 min分辨率H分量及多站地面电离层垂测h'F等多种资料,对高低纬电离层的磁层耦合响应进行事例分析.除常规地磁资料外,极光区两雷达站对F层离子速度的测量是考察高纬电离层对流的很有效手段.本次中强磁暴期间赤道环电流指数Dst的最小值为-136 nT,但其最大的离子速度却超过2500 m/s,双对流圈的西旋则约为30°.从此次事件中极光区两雷达站离子速度的连续观测,得出了物理上合理的电离层对流形态,此图象得到地磁站链记录的有力支持.本事例的中低纬电离层响应再次确认了磁层扰动从高纬向中低纬穿透的事实.此外,Arecibo非相干散射雷达站资料又进一步证明:在同一经度链附近,磁暴期夜间电离层垂测h'F的多站突增现象是东向扰动电场从高纬穿透到中低纬,再通过E×H垂直向上的等离子漂移,使F层底部上升的结果.本文用高、低纬台站的多种观测资料较好地分析了该典型电离层物理现象.     

基于修正K_p指数的中纬区单站电离层暴预报方法研究

对电离层暴进行有效预报具有很重要的实际应用价值,但目前这一工作还存在着许多方面有待改进.本文假设电离层扰动的季节性规律占主导地位,借鉴Kutiev and Muhtarov构建修正K_p指数表示地磁活动的方法,建立了一个适用于中纬地区Yakutsk单台站电离层暴预报的线性经验模型.检验表明,该模型对Yakutsk站夏季和春秋季电离层扰动的预测效果明显优于IRI中的STORM模型,模型改善度平均可达35%左右;能很好地反映磁暴连续发生的情况下δfoF₂分阶段下降的形态;能反映出一定的电离层正相扰动及其持续时间,但是正扰动的预报精度有待进一步提高.     

地磁台链的观测与研究

简要介绍了地磁台链观测在极光带电集流、赤道电集流、中低纬度大尺度电流体系、太阳风-磁层-电离层-高层大气能量耦合、高-中-低纬的扰动传输、磁层中磁流体波的传播、主磁常荚期变化等研究中的应用,综述了地磁台链观测在地磁与空间物理研究中的物理基础和研究现状,着重回顾了IMS 期间6个高纬子午台链的观测研究,总结了中国地磁台链研究的初步结果.中国所处的独特地理位置和广阔的经纬度展布提供了建立全球唯一的闭合子午圈台链的可能性.中国台链向北与俄罗斯东西伯利亚地磁台相连,一直延伸到北极光带,向南与菲律宾、印尼、澳大利亚台站相连直达南极区中山站,通过南极与对面子午线上的长城站相连,并与南美、北美台站构成一条闭合的子午圈台链.可以预料,这条台链的观测资料将为地磁与高空物理研究提供宝贵的资料,对研究日地整体行为将会有重要意义.     

天津轨道交通对地磁观测干扰的影响研究

直流牵引城市轨道交通系统在运行过程中产生的磁场对我国大城市周边地磁台站的观测数据产生较为严重的干扰.城市轨道交通运行过程中产生泄露电流是产生干扰的重要原因.本文以真空中的线电流磁场计算模型为基础,通过简化的远场磁场干扰模型对天津地铁轨道交通干扰进行理论建模.该模型计算简洁高效.通过对模型的数值模拟,获得了干扰随距离衰减...     

太阳风引起的地磁扰动的辨识建模

本文作为地磁扰动系统辨识研究系列的第３篇文章，首先对太阳风－磁层能量耦合进行分析，在此基础上总结和建立一个含有待定参数的物理模型．然后利用参数辨识方法，具体地确定这些参数和函数，从而得到一个完整而确定的数学物理模型，并对这一模型的实用性和可信度进行检验．另外，还选择１９７２年８月事件进行了一次预报实验，即根据太阳耀斑的观测，利用ＨＡ方法和文中得到的模型，分两步实现对地磁扰动的预报．     

高纬日侧电离层离子上行的地磁活动依赖性研究

本文对比分析了太阳活动高、低年期间高纬日侧顶部电离层离子上行随地磁活动水平的变化特征.按地磁活动水平,将DMSP卫星在太阳活动高年（2000-2002年,F13和F15）及太阳活动低年（2007-2009年,F13;2007-2010年,F15）期间的SSIES离子漂移速度观测数据分为三组：地磁平静期（Kp<3）,中等地磁扰动期（3 ≤ Kp < 5）和强地磁活动期（Kp ≥ 5）,分别统计分析了高纬日侧顶部电离层离子上行特征的时空分布.对比分析发现：（1）太阳活动低年期间,高纬日侧电离层离子上行发生率以及上行速度峰值均是太阳活动高年的2倍多,而离子上行通量峰值只有高年的1/6-1/4;（2）在相同太阳活动条件下,地磁活动水平对日侧电离层离子上行发生率峰值的影响并不明显,但对离子上行发生率的空间分布有着显著的控制作用：电离层离子上行高发区随地磁活动向低纬度扩展,并在强地磁活动期间呈现饱和的趋势;（3）日侧顶部电离层等离子体似乎存在两个效率相当的上行区域,一个位于极尖/极隙区纬度附近,离子可沿开放磁力线上行进入磁尾;另一个位于晨侧亚极光区附近,离子沿闭合磁力线上行,有可能进入日侧等离子体层边界层.     

太阳风引起的地磁场扰动的系统辨识

本文利用最小二乘非参数辨识,在线性时不变假设下,对由太阳风变化引起的地磁场扰动进行了研究.用这种方法得到的脉冲响应函数给出了地磁层对太阳风变化响应的宏观外部描述,同时还得到了较好的地磁扰动预报结果.本文不仅对单输入单输出系统（SISO系统）进行了分析,而且也对多输入单输出系统（MISO系统）进行了讨论.     

第23太阳活动周期太阳风参数及地磁指数的统计分析

日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,简称CME)和共转相互作用区(Corotating Interaction Region,简称CIR)是造成日地空间行星际扰动和地磁扰动的两个主要原因,提供了地球磁暴的主要驱动力,进而显著影响地球空间环境.为深入研究太阳风活动及受其主导影响的地磁活动的时间分布特征,本文对大量太阳风参数及地磁活动指数的数据进行了详细分析.首先,采用由NASA OMNIWeb提供的太阳风参数及地磁活动指数的公开数据,通过自主编写matlab程序对第23太阳活动周期(1996-01-01—2008-12-31)的数据包括行星际磁场Bz分量、太阳风速度、太阳风质子密度、太阳风动压等重要太阳风参数及Dst指数、AE指数、Kp指数等主要的地磁指数进行统计分析,建立了包括269个CME事件和456个CIR事件列表的数据库.采用事例分析法和时间序列叠加法分别对两类太阳活动的四个重要太阳风参数(IMF Bz、太阳风速度、太阳风质子密度、太阳风动压)和三个主要地磁指数(Dst、AE、Kp)进行统计分析,并研究了其统计特征.其次,根据Dst指数最小值确定了第23太阳活动周期内的355个孤立地磁暴事件,并以Dst指数最小值为标准将这些磁暴进一步分类为145个弱磁暴、123个中等磁暴、70个强磁暴、12个剧烈磁暴和5个巨大磁暴.最后,采用时间序列叠加法对不同强度磁暴的太阳风参数和地磁指数进行统计分析.统计分析表明,对于CME事件,Nsw/Pdyn(Nsw表示太阳风质子密度,Pdyn表示太阳风动压)线性拟合斜率一般为正;对于CIR事件,Nsw/Pdyn线性拟合斜率一般为负,这可作为辨别CME和CIR事件的一种有效方法.从平均意义上讲,相较于CIR事件,CME事件有更大的南向IMF Bz分量、太阳风动压Pdyn、AE指数、Kp指数以及更小的Dstmin.一般情况下,CME事件有更大的可能性驱动极强地磁暴.总体而言,对于不同强度的地磁暴,Dst指数的变化呈现出一定的相似性,但随着地磁暴强度的增强,Dst指数衰减的速度变快.CME和CIR事件以及其各自驱动的地磁暴事件有着很多不同,因此,需要将CME事件驱动的磁暴及CIR事件驱动的磁暴分开研究.建立CME、CIR事件及地磁暴的数据库以及获取的统计分析结果,将为深入研究地球磁层等离子体片、辐射带及环电流对太阳活动的响应特征提供有利的帮助.     

耀斑-行星际激波结构与相应地磁扰动结构间关系的分析（Ⅰ）

利用297个耀斑-行星际激波-地磁扰动事件,统计研究了耀斑-行星际激波等离子体结构与相应磁扰结构间的关系,新的发现是:当激波面后的磁场南、北分量不大时,激波等离子体结构决定着相应磁扰的基本结构形态,特别是等离子体热状态与相应磁扰的恢复相关系十分密切.由本文定义的激波能量传输指数--FS指数对相应地磁扰动能给出较好的描述.推论:除磁重联这类能量传输机制外,对于行星际磁场南、北分量较小时,还可能存在以等离子体过程为基础的决定磁扰变化结构的太阳风-磁层能量传输机制,应进一步研究.     

Response of the inner and outer magnetosphere to solar wind density fluctuations during the recovery phase of a moderate magnetic storm

We examine the geomagnetic field and space plasma disturbances developing simultaneously in the solar wind, in the inner and outer magnetosphere, and on the ground from 0730 to 2030 UT on April 11, 1997 during the recovery phase of a moderate magnetic storm. The fluctuations of the solar wind density, H-component of the geomagnetic field, and power of Pc1–2 (0.1–5 Hz) waves at middle and low latitudes evolve nearly simultaneously. These fluctuations also match very well with variations of density and flux of the magnetospheric plasma at the geosynchronous orbit, and of the geomagnetic field at the geosynchronous orbit and northern polar cap. The time delay between the occurrence of disturbances in different magnetosphere regions matches the time of fast mode propagation. These disturbances are accompanied by the generation of Pc1–2 waves at mid- and high-latitude observatories in nearly the same frequency range. A scenario of the evolution of wave phenomena in different magnetospheric domains is proposed.     

Magnetospheric disturbances excited by solar wind density enhancements on April 11, 1997

Disturbances in the solar wind density, geomagnetic field, and magnetospheric plasma density and fluxes are analyzed. The disturbances have the same sign and are close to each other in time. They accompany the process of amplitude modulation of Pc1 geomagnetic pulsations during the recovery phase of the moderate magnetic storm of April 10–11, 1997. The magnetospheric disturbances were recorded by ground-based observatories and on spacecraft in all local time sectors with insignificant time delays. It is concluded that in this case variations in the geomagnetic field and magnetospheric plasma density are primary, whereas the amplitude modulation of Pc1, 2 is a secondary manifestation of fast magnetosonic (FMS) waves that are generated during the interaction between the magnetosphere and solar wind density irregularities.     

Precipitation of energetic electrons and Pi3 geomagnetic pulsations at polar latitudes

Precipitation of electrons with energies of 0.3–1.5 MeV has been analyzed based on the CORONAL-F satellite data at polar latitudes of the Northern Hemisphere on December 13, 2003. The instants of electron precipitation have been compared with the ground-based observations of geomagnetic disturbances and auroras near the satellite orbit projection. It has been indicated that precipitation of energetic electrons in the high-latitude nightside sector is accompanied by the simultaneous development of bay-like magnetic field disturbances on the Earth’s surface and the appearance of riometer absorption bursts and Pi3 geomagnetic pulsations, and auroras.     

Analysis of the ionospheric cross polar cap potentialdrop and electrostatic potential distribution patternsduring the January 1997 cme event using DMSP data

On 6 January 1997 a coronal mass ejection (CME) occurred on the sun producing amagnetic cloud in the solar wind that passed the Earth on 10–11 January 1997 and caused ageomagnetic storm. During this period there were two polar-orbiting DMSP spacecraft (F12 andF13) at 840 km carrying the SSIES plasma instruments on board, which measure the bulk flowvelocity of the thermal ions of the ionospheric plasma. These data are used to calculate theelectric field and electrostatic potential along the flight track of the spacecraft in the polar regions.The time history of the observed total cross polar cap potential drop for this event is presentedalong with comparisons to the estimates from the Weimer model and observations of the aurorafrom the UVI instrument on the POLAR spacecraft. A surprisingly large potential drop of 235 kVis observed at one point and appears to be the result of a pressure pulse in the solar windtriggering an enhancement of the geomagnetic activity. An examination of the electrostaticpotential distribution patterns in the polar ionosphere during the event is also presented.     

The Most Geomagnetically Disturbed 24 Hours

Geomagnetically disturbed periods, characterized by the maximum average 24-hour global disturbances are considered. Gumbel's first asymptotic distribution of extreme values is used to predict the occurrence of major magnetic storm periods. A geomagnetic storm similar to the one recorded on March 13 - 14, 1998, would be expected to occur within the next 13 solar cycles. The present analysis corroborates the substantial increase of the level of magnetic disturbances from solar cycle to solar cycle.