磁正午附近极光强度与沉降粒子能量关系的参数模型

极光是日地能量耦合过程中粒子沉降到极区电离层的最直观表现,对于理解地球空间环境及预测空间天气具有重要作用.本文利用2003-2009年的北极黄河站的多波段地面极光观测,结合DMSP卫星粒子沉降探测,对磁正午附近的极光强度与沉降粒子沉降能量之间的关系进行了定量研究.统计结果表明,在10-13磁地方时(MLT)630.0 nm的极光发光占主导,以低能粒子沉降为主;而在13-14MLT,630.0 nm/427.8 nm极光强度比值降低,沉降粒子能量较高.另外,利用极光强度与沉降电子的能通量以及极光强度比值与平均能量之间的函数关系,初步建立了北极黄河站磁正午附近极光强度与沉降粒子能量关系的反演参数模型,为将来空间天气的监测服务.     

基于行星会合指数对太阳轨道运动特征的分析

运用刘复刚和王建(2013a)创建的行星会合指数K指代太阳绕太阳系质心运动时,一般情况,行星系质心是和木星位于太阳一侧.当其它3颗大质量行星(或其它7颗行星)和木星分居在太阳两侧,并且这4颗大质量行星(或8颗行星)与太阳近似排成直列的状态时,行星系质心则处在木星相反一侧,这时造成了太阳绕太阳系质心顺时针旋转的假象.本文对这一认识进行了澄清,并通过图示的方法定性地解释了太阳在一个行星系统平均轨道会合周期内角速度的变化特征.相当太阳系质心(C)从太阳本体旋出直到C再次旋进太阳本体这一时段,太阳轨道运动是处在减速期;而当C旋进直到旋出太阳本体这一时段,太阳轨道运动处在加速期.并将其运动特征与太阳轨道角动量的变率进行了对比,这将为揭示太阳活动规律的动力学机制提供了一种可能途径和新的思想方法.     

木星极光区亮斑形成机制

近年来一系列的木星照片显示,除了主极光卵和卫星足迹外,在极光卵内还有极区发射.学者基本认为这是由中磁尾的磁场活动引起的.本文建立一个具有离心力效应的木星稳态磁场模型.并以该模型给出的磁场结果为基础,利用Hill等人1979年总结的木星磁层较差自转的结果进行模拟分析.结果显示在约54R_j (R_j为木星平均半径) 至60R_j的木星磁场由于较差自转形成涡旋结构,其形状约为5R_j的圆形.由于磁力线的扭曲引发大小为数十万安培的电流注入极区电离层,与中性粒子相互作用,从而形成极光卵内的亮斑.     

2001年4月2日太阳耀斑及其太阳质子事件的观测结果研究

2001年4月2日, 太阳爆发了一个近年来X射线通量最大的一次耀斑并伴有质子事件, 利用“资源一号”卫星星内粒子探测器和神舟二号飞船X射线探测器的观测资料, 对这一事件的高能粒子响应进行了特例研究. “资源一号”卫星运行于太阳同步轨道, 高度约800km, 和宁静时期的统计结果对比, 这次耀斑后, 星内粒子探测器在地球极盖区（地球开磁场区）观测到耀斑粒子的出现, 这是宁静时期没有的; 神舟二号飞船轨道高度400km, 倾角为42°, X射线探测器在42°中高纬地区也观测到高能电子通量比宁静时明显的增加, 这表明, 太阳耀斑引起的近地空间辐射环境的变化遍及纬度约40°以上的区域, 甚至在40°N附近400 km左右的高度上仍然有响应. 但是, 中高纬度、极光带和极盖区的粒子来源, 加速机制和响应方式却不一定相同, 需要分别讨论. 资料分析和对比还表明, 质子事件的强度并不一定和耀斑的X射线通量成正比, 因此, 近地空间高能粒子对耀斑的响应也不是完全决定于X射线强度.     

基于行星会合指数对太阳系结构变化的自禀赋特征的辨析

基于太阳系质心坐标系论证了太阳和行星系质心同步绕太阳系质心运动的命题.对K指数的研究发现,太阳系结构演变可导致选定的太阳质心坐标系的性质具有周期性变化的特征.太阳系结构变化可以从K指数的量值上予以区分.当行星系统处在K=Kmax和K=Kmin分布状态时,所揭示的正是整个太阳系结构演变的两种性质相反的极端状态.太阳轨道运动的复杂性主要是指太阳轨道运动具有向太阳自转运动转变的周期性变化特征.K指数除了具有指代太阳轨道运动极半径的变化特征之外,还近似具有与木星同步绕转的方向周期.理论分析获得:太阳轨道运动角动量的变化可导致太阳自转角动量和行星系统轨道角动量的变化,这对进一步探讨地球轨道运动扣自转运动的变化机制具有重要的参考价值.     

南极中山站电离层的极区特征

本文利用1996年的电离层数字测高仪DPS-4所测的f0F2、f0E以及美国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,在太阳和地磁宁静环境下,冬季极夜磁正午中山站处于极隙区中心时,电离层内的电离密度达全天的最大值;上、下午各有数小时间隔位极光带内时,高能粒子的电离作用也很重要;夜间进入极差区后,电子密度则很低。夏季极昼时,太阳EUV辐射的电离效应使电离层电离密度比冬季值大许多,而且,日变化的最大值时间也提前了1~2h,强磁扰时,极隙区和极光带均向低纬侧移动;中山站上空的电子密度会大幅度下降。在中等扰动环境下情况要加复杂：磁正午前后极隙区内软粒子沉降的电离强度有所减小,而上、下午极光区的高能粒子电离则有较大增加。     

木星特洛伊小行星研究综述

木星特洛伊小行星（Jupiter-Trojan asteroids）是位于木星稳定拉格朗日点上与木星以相同周期围绕太阳稳定运行的小天体.木星特洛伊小行星作为行星形成过程的活化石记录了行星起源、类地行星有机物与挥发物来源及行星系统整体演化的独特信息.迄今仅通过地基望远镜或空间望远镜对它们进行过远距离光谱观测，它们仍是太阳系最神秘的天体群之一.在物质成分上，细粒硅酸盐被认为是构成特洛伊小行星的重要物质.过去认为特洛伊小行星形成在5 AU附近，新的动力学模型认为特洛伊小行星来自柯伊伯带. NASA的“露西”小行星探测任务（Lucy）将首次近距离探索这些神秘的小天体，有望为解开特洛伊小行星的身世之谜提供重要证据.本文梳理了木星特洛伊小行星的观测历史、物理性质、光谱性质、物质组成以及形成和演化，并介绍了“露西”的探测任务与目标，为未来我国深空探测计划中的小行星探测提供支撑.     

水星磁层亚暴和磁暴

磁层亚暴和磁暴是太阳风—行星磁层耦合过程中发生的能量存储和爆发式释放现象,伴随着复杂的等离子体动力学,对磁层以及整个行星都具有强烈的影响.它们的发生不仅会通过粒子沉降引发绚丽多彩的极光,还可以通过电磁场影响人类以及其他生物的生产生活.对地球上的亚暴和磁暴现象的描述与研究至今已有近百年的历史,然而对其他行星上的亚暴以及磁...     

“嫦娥一号”卫星太阳高能粒子探测器的首次观测结果

"嫦娥一号"卫星(CE-1)的太阳高能粒子探测器(HPD)是国际上首次在200公里极月轨道观测高能带电粒子的探测仪器.HPD的科学目标是探测月球轨道空间的高能带电粒子(质子、电子和重离子)成分、能谱、通量和随时间的演化特征.通过比较分析HPD的观测结果、ACE卫星的观测结果与CRèME86模型的模拟计算结果,表明在太阳活动低年空间环境相对宁静时期,当月球处于太阳风中时,月球附近具有和行星际空间相近的宇宙线粒子流量背景.卫星在轨运行中发现了多起0.1～2MeV的高能电子流爆发事件.文中总结了2007年11月26日至2008年2月5日HPD观测的41起高能电子流爆发事件,发现此类现象可以发生在从太阳风到磁尾的所有空间区域.在月球经历的不同空间区域中,高能电子流爆发事件可能存在不同的诱发机制.     

地球轨道偏心率40万年和10万年周期的行星驱动

本文在创建行星会合指数(K)运动学方程,并获得太阳绕太阳系质心绕转具有约22年周期的基础上,试从行星摄动对地球轨道偏心率(e)影响出发.分析了行星系统中对地球引力最大的地外行星-木星和引力其次的地内行星-金星的轨道拱线与地球轨道拱线的会合周期,发现木星可造成e具有40万年周期性变化,而金星可造成e具有10万年周期性变化.     

行星际超低噪声三维能量粒子谱仪设计

太阳系能量粒子的起源和加速一直是空间物理学的重要前沿课题之一.在行星际空间中观测到的太阳系能量粒子主要分为两类：一类是持续存在的“太阳风能量粒子”,另一类是间歇性的“太阳能量粒子事件”.受限于以往行星际粒子探测器的灵敏度还不足够高,人类迄今仍未洞悉这些能量粒子起源和加速的物理过程与本质.本文设计了技术指标均为国际领先水平的行星际超低噪声三维能量粒子谱仪,采用双端望远镜结构（一端利用薄膜阻挡质子技术实现高灵敏电子探测,另一端利用磁场偏转电子技术实现高灵敏质子探测）,结合多层、多像素半导体探测器阵列和覆盖近4π立体角的大视场设计,实现对行星际空间中20～1 000 keV电子和25～12 000 keV质子的三维分布进行高时间分辨率、高角度分辨率和高能量分辨率探测,用以揭示太阳系能量粒子起源和加速的机理,满足我国行星际探测和即将开展的深空探测的迫切需求.     

地基观测的夜侧极光对行星际激波的响应

行星际激波与地球磁层相互作用通常会导致日侧极光活动增强,随后沿着极光卵的晨昏两侧向夜侧扩展的激波极光.行星际激波也可能直接导致夜侧扇区极光活动增强,甚至沉降粒子能通量的数量级可以与典型亚暴相比拟.本文首次利用我国南极中山站和北极黄河站连续多年积累的极光观测数据,对行星际激波与地球磁层相互作用期间地面台站在夜侧扇区(18—06MLT)观测的极光响应进行了分析.对18个极光观测事件的分析结果表明:行星际激波与磁层相互作用可以在夜侧触发极光爆发和极光微弱增强或静态无变化事件;太阳风-磁层能量耦合的效率以及磁层空间的稳定性决定着行星际激波能否触发极光爆发.     

基于行星际/太阳风和地磁条件的紫外极光卵边界建模和预测

极光卵的尺度大小与太阳风-磁层-电离层能量耦合过程紧密相关,准确预测其大小对空间天气研究和预报具有非常重要的意义.本文基于模糊c均值聚类算法,从Polar卫星紫外极光图像中自动提取极光卵边界数据(~1215000个赤道向边界点和~3805000极向边界点),统计分析其与太阳风等离子体、行星际磁场、地磁指数等之间的相关特性,并构建了以行星际、太阳风为模型参数(模型1)和以行星际、太阳风及地磁指数为模型参数(模型2)的2种极光卵边界多元回归模型.以模型预测的极光卵边界与实际极光卵边界之间的平均绝对误差作为模型评价标准,将本文预测模型与Carbary(2005)模型和Milan(2009)模型进行了对比.结果表明,模型2对极光卵极向、赤道向边界预测的平均绝对误差为1.55和1.66地磁纬度,优于Carbary和Milan模型(Carbary模型极向、赤道向边界的平均绝对误差为2.18和5.47地磁纬度,Milan模型极向、赤道向边界的平均绝对误差为1.71地磁纬度和1.90地磁纬度).     

星内粒子探测器观测结果与辐射带模型的比较

我们将资源一号卫星星内粒子探测器的观测数据与辐射带模式AE8/AP8的预测结果进行了对比，发现在南大西洋异常区的高能电子和质子的通量与辐射带模型的预测结果基本相同，而在两极极光带的电子通量比AE8模型预测的低得多.根据NOAA卫星的观测结果，可以认为这一差异主要是因为在南大西洋异常区（内辐射带）和两极极光带（外辐射带）的粒子投掷角分布的差异造成的.在南大西洋异常区粒子倾向于各向同性分布，而在极光带粒子各向异性明显，投掷角接近90°的粒子通量比0°投掷角附近的粒子通量大得多.     

基于JUNO卫星WAVES仪器波动数据的木星磁层哨声波分析研究

等离子体波的空间分布在木星磁层高能电子动力学过程中起着重要的作用.现有大多数对木星磁层哨声波的观测仅限于|λ|≤15°的磁纬范围内,但是最新的JUNO卫星WAVES仪器提供的波动数据使得更高纬度、更广区域范围内的等离子体波动分布研究成为可能.本文通过对JUNO卫星WAVES仪器数据进行分析处理,详细研究了木星磁层哨声波的空间分布特性.观测表明,存在位于高LJ、高磁纬的木星磁层哨声波,它们广泛分布于距木星中心距离35～75个木星半径、磁纬为|λ|≤30°的空间区域.分析研究发现,WAVES仪器观测的木星磁层哨声波幅度一般为几个pT,远小于地球磁层哨声波的强度.木星磁层哨声波幅会随着LJ的增大缓慢增加,也会随着磁纬的减小趋向平缓变化.基于以上观测事实,本文利用指数幂函数分别拟合得到木星磁层哨声波幅随LJ和磁纬变化的经验模型.该模型将有助于精确理解哨声波对木星磁层高能电子动力学过程的重要影响.     

关于南极光研究

本文回顾了极光的研究历史,概述了极光的高度分布、亮度、类型、结构、光谱等特征,提出了关于南极光研究的６个方面的课题,即：极光的共轭性质,极光卵圆,极光亚暴,极光数据分析,激波一极光及极光的比较行星学研究．     

唯象场变化与宇宙过程的关系

地面观测到的物理场变化可表示成X=X1+X2+X3。式中,X1和X2分别为地球内部过程和外部过程决定的场分量,X3为干扰量(技术和仪器等的干扰)。7.1磁场变化与太阳系行星旋转周期的关系太阳系包括9颗大行星,根据行星形成特性分为两种主要类型:一是类地行星,除地球外,包括水星、金星、火星;二是木星类行星(巨星),包括木星、土星、天王星和海王星。表7.1列出了行星的若干特征。由表可见,地球和火星自转周期几乎一样,火星昼夜比地球昼夜长41分钟,金星和水星自转极慢,金星周期为584个地球日,水星为116个地球日。类地行星平均加权密度为5.14g/cm3,巨…     

对太阳轨道运动不绕过太阳系质心这一周期性特征的再分析

基于行星会合指数和行星系日心经度分别获得行星系质心到太阳的距离和日心经度的变化特征,发现杨学祥等(1999)指出的在1990—1994年太阳轨道运动并没有绕过太阳系质心这一特征具有准179年周期.根据对会合指数K极小值的分析表明,当会合指数向量K_(sp)0时,行星系质心和木星在太阳一侧,保持与太阳同步绕太阳系质心运动;当K_(sp)0时,则出现行星系质心和木星分别处在太阳质心的两侧,此时行星系质心没有绕过太阳质心,致使太阳质心没能绕过太阳系质心.行星会合指数与行星系质心日心经度两个时间序列的功率谱检测出不同的周期,表明二者指代的物理特征不同.分别对行星会合指数和行星系质心日心经度最强功率谱所标定的19.86年和11.86年周期的物理意义进行澄清,前者是行星会合指数K在极大值附近具有相等K值的频率所表现出的周期,它不是方向周期;后者主要指相对于太阳质心,行星系质心轨迹的封闭曲线旋进和旋出所对应的相同日心经度的频率明显增大所表现出来的周期,它不是理论上K指数相等条件下的周期.这为探索太阳轨道运动与太阳活动的关系研究具有参考价值.     

一种新的基于日侧全天空图像的极光弧宽测定方法

极光弧是最常见的一种极光形态,其空间尺度大至数百千米,小至几十米.极光弧宽的研究对理解极光粒子加速机制及磁层-电离层中的跨尺度耦合具有重要意义.现有文献在计算极光弧图像中的弧宽时,多是只考虑了过天顶某条剖线上极光强度的变化,而忽略了极光弧的形态信息.文章从极光弧图像出发,利用计算机模式识别技术,自动识别出极光弧轮廓,在此基础上计算极光弧的宽度,统计弧宽分布规律.通过对2 0 0 3~2 0 0 5年北极黄河站越冬观测的2 5 2 0幅日侧全天空极光弧图像进行实验,并与Q i u等(2 0 1 3)结论进行对比,验证了文章方法的有效性.结果显示,黄河站全天空成像仪观测到的日侧极光弧空间尺度主要在1~1 0 0 k m量级,磁天顶附近±1 5°内极光弧宽的平均值为1 9.6 5 k m,并且随着天顶角远离磁天顶,极光弧宽增大.     

日侧极光弧的发光强度与沉降电子能谱的相关关系

本文利用中国北极黄河站多波段全天空极光观测数据,选取稳定的日侧极光弧,统计研究了极光强度比I_(557.7)/I_(630.0)与极光发光强度I_(557.7)的相关关系.发现I_(557.7)在午前暖点和午后热点区附近出现极大值,分别为2.2kR和2.9 kR;而I_(630.0)在磁正午出现极大值,为1.5kR.当I_(557.7)从0.1kR增加到10kR时,极光强度比I_(557.7)/I_(630.0)也由0.2增加到9.结合DMSP卫星探测的沉降粒子能谱数据,找到17个DMSP卫星穿越黄河站上空极光弧的事件,共穿越40条极光弧.得到了沉降电子的平均能量正比于极光强度比I_(557.7)/I_(630.0),沉降电子的总能通量正相关于极光强度I_(557.7)的关系式.利用该关系式反演所有极光弧的电子能谱,发现在午前和午后扇区,产生极光弧的沉降电子主要来源于等离子体片边界层;在高纬出现强度较弱的弧,对应等离子体幔区域.在磁正午附近,沉降电子的平均能量较低,极光弧处于低纬一侧,粒子源区主要是低纬边界层.