暴时低纬电离层不规则体响应特征的多手段观测

2010年10月11日发生了一次中等强度的磁暴.本文利用三亚(18.4°N,109.6°E)数字测高仪、VHF雷达和GPS TEC/闪烁监测仪数据以及120°E子午线附近我国漠河(53.5°N,122.4°E)、北京(40.3°N,116.2°E)和武汉(30.6°N,114.4°E)的数字测高仪和GPS TEC/闪烁监测仪数据,分析了磁暴期间我国中低纬地区电离层不规则体的响应特征.结果表明:这次磁暴触发了10月11日午夜前后两个时段低纬(三亚)电离层不规则体事件,而在较高的纬度地区(武汉及以北),并没有观测到电离层不规则体与闪烁.在午夜前,电离层不规则体的发生受磁暴主相期间快速穿透电场激发;在午夜后,电离层不规则体受磁暴恢复相的扰动发电机电场触发,该时段伴随行星际磁场北向翻转的过屏蔽穿透电场也可能是扰动源之一.此外,磁暴期间不同尺度的电离层不规则体会伴随发生.     

DEMETER卫星观测的超低频电场扰动 预处理方法及震例应用分析

基于法国DEMETER卫星观测的超低频(ULF)电场波形, 本文提出了更简单易实施的ULF电场扰动预处理方法. 利用该方法, 对文献中已报道的2010年2月27日智利M_S8.8地震前的ULF电场扰动进行了更全面的分析. 结果表明: 已报道的20°S—40°S地磁纬度带内的ULF电场扰动并非仅出现在最靠近震中的半轨道, 而是出现在较大的经度范围内. 大范围ULF电场扰动的区域正好位于南大西洋异常区, 很可能受到该区域异常磁场的影响. 南大西洋异常中心区域的ULF电场扰动表现出共轭特征, 即在南北地磁纬度20°—40°范围内ULF电场均出现约5 mV/m的扰动, 北纬地区的ULF电场扰动幅度相比南纬地区更小. 而在南大西洋异常中心区域外的ULF电场扰动则仅在20°S—40°S地磁纬度带内出现, 在其共轭区并未观测到ULF电场扰动. 这可能是由于南大西洋异常中心区域外的ULF电场扰动幅度比中心区域更小所致, 在电离层中由于碰撞效应更易被衰减, 因此ULF电场扰动无法传播至其共轭区. 本文的方法和结果可为后续更全面地分析卫星在电离层高度记录的ULF电场扰动提供参考.      

基于改进型BP网络的空间电场分类研究

空间电场信号异常识别是研究地震引起电离层扰动的重要内容。 将空间超低频电场电位数据看作随机数字信号, 以均值、 均方差、 偏度和峰度等四个指标进行描述, 采用“5·12”汶川大地震前空间超低频电场电位数据作为原始数据, 训练改进型BP神经网络, 建立了空间电场信号异常分类识别模型, 并以SOM神经网络进行验证。 计算结果显示, 空间超低频电场电位异常信号主要集中在5°~25°N, 88°~120°E之间的区域, 汶川大地震影响范围内的电离层扰动, 可能是汶川地震发生前引起的, 这与前人研究一致, 说明采用改进型BP神经网络异常分类识别模型研究地震引起的电离层扰动是可行的。     

汶川地区夏季电离层VLF背景分析

西南地区是我国地震灾害频发的区域,本文以汶川(31.0° N,103.4° E)为例,运用了空间网络化的方法对DEMETER卫星2005-2007年三年的5、6、7、8月的夏季电离层低频电场数据进行时空规律分析.通过将卫星接收到电场信号分为SLF、ULF、VLF和LF四个频段,研究了以汶川为中心纬度为21.0°～41....     

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究:4.太阳活动低年夏季F区回波

太阳活动低年夏季,低纬电离层F区场向不规则体表现出与太阳活动高年和其他季节明显不同的特征.本文利用我国三亚站(18.4°N,109.6°E,地磁倾角纬度dip latitude 12.8°N)VHF雷达、电离层测高仪、GPS闪烁监测仪和美国C/NOFS卫星观测数据,研究了太阳活动低年夏季我国低纬电离层F区场向不规则体的基本特征.分析发现无论磁静日还是磁扰日,夏季电离层F区不规则体回波主要出现于地方时午夜以后,回波出现的时间较短,高度范围较小,伴随着扩展F出现,但没有同时段的L波段电离层闪烁.太阳活动低年夏季午夜后的低纬电离层F区不规则体回波,可能并不总是与赤道等离子体泡沿磁力线向低纬地区的延伸相关,而可能由本地Es等扰动过程引起.     

DEMETER卫星监测到的海地地震前电离层扰动

本文利用法国DEMETER卫星观测到的电离层数据, 对2010年1月12日加勒比海地区海地太子港附近发生的M_S7.1地震震前电离层扰动进行了探索性研究。 通过对电磁场频谱、 等离子体数密度、 温度等物理参量的分析, 探讨了电离层变化与地震的关系。 研究结果表明, 海地地震前出现的异常电磁现象的空间效应是清楚的, 震前几小时磁赤道峰存在剧烈扰动, 震中附近电场分量E₁₂低频谱密度有增强现象。 临震前1天和临震前3天在震中＋5°范围电子数密度(N_e)出现异常, 震前8天氧离子(O⁺)数密度在震中上空出现了异常现象。 震前震中区上空电磁场VLF在40 Hz和120 Hz等低频点出现清晰的电场异常扰动, 震前出现的这种变化可能与地震有关。     

磁暴期间大尺度电离层行进式扰动在美洲扇区的GPS网观测

利用国际IGS网和美国CORS网提供的GPS TEC观测资料,构建了北美地区的二维TEC扰动图像,分析研究了2012年7月14日一次强磁暴期间大尺度电离层行进式扰动在北美地区的二维结构以及扰动沿着70°W左右的子午线在南北半球的分布与传播特性.研究结果表明,磁暴急始开始90分钟后,伴随着一次亚暴的膨胀相,在北半球发生了一次大尺度电离层行进式扰动事件.该扰动在北美地区形成幅度1.2~2.2 TECU,宽度达4000 km的等相面,以190°的传播方位角,西南向传播了2000 km,扰动的周期和水平相速度分别为40~60 min,500 m/s.通过台链观测发现,该扰动向西南方向一直传播到约30°N,在传播过程中,扰动的绝对振幅在55°N至42°N之间逐渐增强并达到最大值2.2 TECU,在42°N以南逐渐衰减.通过对相关时间段内北美亚极光带地磁观测数据的分析发现,在65°N至85°N、100°W至150°W之间,地磁场水平分量在LSTID发生前出现明显变化,显示极光电集流增强,这一区域是北美地区观测到的LSTID事件最可能的源区.北半球的电离层扰动消失之后约1小时,通过南半球GPS台链观测到南向电离层扰动,该扰动的绝对振幅为1.8 TECU,相速度为400 m/s左右,传播范围局限在16°S至20°S.在南北半球的低纬赤道区,台链观测没有发现与北美LSTID关联的电离层扰动.根据台链上扰动传播的中断,我们认为,南半球台链观测到的电离层扰动并不是北半球LSTID直接跨赤道传播到南半球的结果,而是北半球电离层扰动在赤道地区的耗散过程中形成的二次扰动引起的.     

基于GNSS数据的朝鲜核爆电离层效应观测研究

本文分析了电离层对2009年、2013年和2016年朝鲜核试验中地下核爆(Underground Nuclear Explosion,UNE)的响应.利用南北半球IGS站的GNSS-TEC观测数据,发现了在3次核试验期间的磁共轭电离层扰动现象.观测结果表明,3次UNE所产生的电离层扰动分别以228m·s-1、173m·s-1和147m·s-1的速度从核试验爆心地区径向传播.本文研究提出,UNE所产生的电离层TEC扰动是岩石圈-大气层-电离层耦合(Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling,LAIC)电场渗透到电离层高度引发电动力学过程的结果.此外,LAIC电场可以沿磁力线映射到共轭半球,从而在共轭地区造成电离层TEC扰动.因此,在核试验地区附近以及其对应的磁共轭地区,UNE所产生的LAIC电场在电离层TEC扰动的形成中起着关键性的作用.     

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.     

2017年9月磁暴期间大尺度电离层行进式扰动的传播特性研究

本文利用同一经度(大约100°E)中低纬三台测高仪(普洱22.7°N,101.05°E,乐山29.6°N,103.75°E,张掖39.4°N,100.13°E)的观测数据,对2017年9月6号太阳耀斑爆发引起的强烈地磁暴期间的大尺度电离层行进式扰动(Large Scale Traveling Ionospheric Disturbances,LSTIDs)的传播特性进行了估计.本文首先对2017年9月2日-11日期间三站观测数据进行人工度量,获取电离层F2层临界频率(foF2).foF2在三站的变化结果 表明在2017年9月8日21:00 BJT(BeiJing Time,BJT=UT+8)至9日03:00 BJT强磁暴恢复相期间存在大尺度电离层行进式扰动(LSTIDs),因此本文利用foF2在不同台站的互时延特征来分析并计算LSTIDs传播特性参数.研究结果表明:(1)磁暴期间,通过对电离层F2层临界频率(foF2)的观测,不同时刻期间处于不同纬度的台站其电离层响应是不同的,表现为出现不同形态的电离层正相暴和电离层负相暴;(2)此次磁暴期间(2017年9月8日19:00 BJT-9日05:00 BJT),利用三个处在不同纬度台站的foF2对磁暴响应的互延时,计算出LSTIDs水平传播速度在425～800 m/s范围之间,其波长大概在2200～4000 km之间.随着时间的推移其扰动周期延长,9月8日21:35 BJT-9日00:05 BJT期间周期约1.2 h,9日00:05 BJT开始扰动周期逐渐达至1.5 h;(3)LSTIDs具有从高纬度传向低纬度的传播特性,根据计算得出LSTIDs传播的方位角为181±0.2°,可确定磁暴引发的LSTIDs基本是朝赤道向传播的,与之前报道过关于磁暴诱发的LSTIDs传播特征基本一致.     

强震前ELF/VLF磁场的扰动特征统计研究

本文利用DEMETER卫星记录的变化磁场数据统计研究了2005—2009年北半球7级以上强震前后空间磁场的扰动特征.在震中±10°范围内利用震前2个月至震后1个月的5年同期观测的ELF/VLF[370~897 Hz]频段磁场功率谱密度数据构建了背景场,定义了表征空间磁场在地震时段相对于背景场的扰动幅度指标.统计研究发现26个强震中42%的地震主要表现为震前磁场扰度幅度逐渐上升,超过3倍标准差,随后在扰度幅度下降过程中发震.35%强震在地震前10天内最大扰动幅度超过3倍标准差,在扰度幅度处于最高值期间发震,震后磁场扰动幅度逐渐回落.23%的强震在震前震后无明显规律.随机事件测试发现在空间天气平静且无强震条件下随机地点上空的磁场无明显的时空演化规律,且随机地点上空的空间磁场相对于背景场的平均扰度幅度很小,最大扰度幅度从未超过2倍标准差,并且没有明显的随时间变化特征.     

全球电离层VLF电场功率谱特征

分析2006年3月至2009年2月DEMETER卫星VLF电场功率谱数据发现,卫星高度上全球电离层电场功率谱有以下特征:高纬度区域电场辐射强度平均高于低纬度区域,几个地磁场异常区相应的电场辐射增强;全球电场功率谱,向阳侧强于夜侧,大陆强于海洋,夏季强于分点季,冬季最弱;不同频段的电场功率谱特征有显著差异,某些频段的功率...     

利用DEMETER卫星数据分析强震前后的电离层异常

基于法国DEMETER卫星观测的离子温度(T_i)、 VLF电磁场单频点频谱数据探索了2008年5月12日汶川M_S8.0、 2010年1月12日海地M_S7.3和2010年2月27日智利M_S8.8等3次强震前后与地震有关的电离层异常现象. 结果发现, 汶川地震前3天(5月9日)震中北偏西方向离子温度明显升高, 震前4天(5月8日)VLF磁场低于200 Hz的频段范围频谱在震中2°以内有明显突升; 智利地震前9天(2月18日)震中北东方向离子温度有剧烈扰动, 震前4天(2月23日)VLF磁场100—160 Hz频段范围内出现突升; 海地地震震前没有观测到明显的异常现象, 但地震发生当天(震后约4—5小时)的T_i, 40—160 Hz频段电场频谱, 以及120—480 Hz磁场频谱均有明显突升, 应为地震发生后能量释放所引起. 分析认为, 不同地震由于发震机制等各种情况的不同, 其地震前后的表现也各不相同. 虽然目前没有直接的证据表明本文研究的异常变化是由地震的孕育和发生引起的, 但在数据处理中已尽可能排除了太阳、 地磁等因素的影响, 并且研究结果与前人的研究经验吻合, 因此本文发现的异常可能与地震发生的关系较大.      

基于人工源的甚低频电磁波空间传播特征统计分析

利用2005年1月至2010年11月DEMETER卫星记录的NWC发射站的VLF电场功率谱数据,采用指数拟合的方法,分析了VLF电磁波在卫星高度激发的电场空间分布和衰减特征.研究结果表明:(1)VLF电场在发射站上空及其磁共轭区有着很强的对应关系,存在南、北2个强电场中心涡;(2)相对于发射站的位置,VLF电场中心点具有经度和纬度偏移,日侧地磁经度偏移均值大于夜侧,而地磁纬度偏移均值则小于夜侧;(3)日侧VLF电场强度呈现出周期性的年变化;(4)在VLF电场中心10°范围内,电场强度随距离快速衰减,衰减常数b在长达6年的时间内保持稳定.在以上研究结果基础上初步构建的卫星高度人工源电磁波空间分布特征,将为研究地表-电离层电磁波传播机理提供基础技术支撑.     

东北亚地区Ms5.0以上地震前后空间电场时空演化特征研究

本文利用2005年1月—2009年12月DEMETER电磁卫星观测的极低频/甚低频(ELF/VLF)39 Hz~6 kHz频段电场功率谱密度(PSD)观测量, 将研究频段划分为5个子频段对东北亚地区(38°N~58°N; 105°E~145°E)内发生的8个M_S≥5.0地震前后空间电场时空演化特征进行研究。 研究发现同一地震不同频段异常扰动区域并不完全在同一位置, 且同一地震的不同频段地震前后扰动形态也并不一致; 8个地震40次统计中有25% 的统计数据虽然基本在地震前后所有时间段都超过阈值2σ, 但未见明显扰动规律, 其余75%的统计数据中发现其扰动特征可以归纳为3类: 52%的统计数据在震前扰动幅度增大, 达到最大时发震, 震后持续降低; 7.5%的统计数据在震前扰动幅度达到高值, 而后下降过程中发震; 15%的统计数据在震前扰动幅度一直在增加且绝大部分时间低于2σ, 直至震后超过2σ, 且出现这种类型的异常均为震例的第五频段演化特征。 异常扰动区域主要集中在震中±4°以外的区域。     

DEMETER卫星观测到的与汶川地震有关的LF电场异常

本文利用法国DEMETER卫星观测的电场数据,获得了汶川地震前后约一个半月以16天为周期的LF频段(在本文定义为10～18 kHz)的平均功率谱密度准动态分布图像.发现昼侧10～14 kHz、夜侧10～18 kHz的电场平均功率谱密度的幅度在2008年5月12日发生的汶川地震前后存在明显变化:震前先明显增大,随后减小,...     

强震前后空间电磁场时空演化特征

本文利用DEMETER卫星观测到的电磁场数据, 统计分析了2005—2009年全球M_S≥7.0强震前后空间电磁场的时空演化特征． 在震中上空±10°范围内, 使用震前90天至震后30天的5年同期观测到的电磁场极低频/甚低频(370—897 Hz)功率谱密度数据构建了稳定的背景场观测模型, 提取了震中上空的空间电磁场相对于背景场的扰度幅度, 并统计分析了强震前后空间电磁场的时空演化特征． 统计结果显示: 45次M_S≥7.0强震中, 35次强震在地震发生前后磁场最大扰动幅度超过2.2倍标准差, 39次强震的电场最大扰动幅度超过2倍标准差; 最大的电磁扰动主要出现在震中±4°—±10°范围内． 另外, 震中上空的电磁场扰动幅度时序变化表现为3种不同类型的扰动特征, 且震前出现电磁异常的强震震中位置的分布特征与纬度存在一定关系; 而随机选择的非震区上空空间电磁场的扰动幅度则比较小, 未呈现出明显的特征．      

智利地震前DEMETER卫星对空间高能粒子的观测

在地震的孕育或发生期间,地球内部岩石圈的活动可能会发出电磁辐射,引起空间电磁扰动,并通过波粒相互作用引起高能电子的投掷角散射,导致高能电子的沉降.本文基于法国DEMETER卫星的观测数据,研究了智利周围区域在智利地震期间空间高能电子的通量、能谱的分布及演化,发现在智利地震发生前第11天和12天,在以震中为中心,经度跨度10°,在DEMETER卫星轨道高度上L跨度0.1的区域内,有超出背景4到6倍的高能带电粒子暴的出现,期间在其北半球磁镜像区域也观测到了显著的电子通量涨高.粒子暴对应的能谱与2010年前三个月的平均能谱存在较大差异.同时观测到在出现粒子暴的两条轨道上VLF(Very Low Frequency,甚低频)电场频谱分别在300 Hz以下以及13~20 kHz的频段存在显著增强,此扰动在时间和地理位置上与高能粒子暴是一致的.基于回旋共振耦合作用的准线性扩散理论,本文对所观测事例的电子能量与电磁场扰动频率做了分析计算.观测数据和理论计算有较好的一致性,表明该粒子暴源自ICE(Instrument Champ Electrique,电磁探测器)观测到的空间电磁扰动,这是典型的空间波粒耦合事例.进一步分析排除了可能引起粒子暴和VLF电场扰动的环境因素,本文认为本次粒子暴和电场扰动的观测可能与智利地震的震前地壳活动存在一定关联.     

Midday reversal of equatorial ionospheric electric field

A comparative study of the geomagnetic and ionospheric data at equatorial and low-latitude stations in India over the 20 year period 1956–1975 is described. The reversal of the electric field in the ionosphere over the magnetic equator during the midday hours indicated by the disappearance of the equatorial sporadic E region echoes on the ionograms is a rare phenomenon occurring on about 1% of time. Most of these events are associated with geomagnetically active periods. By comparing the simultaneous geomagnetic H field at Kodaikanal and at Alibag during the geomagnetic storms it is shown that ring current decreases are observed at both stations. However, an additional westward electric field is superimposed in the ionosphere during the main phase of the storm which can be strong enough to temporarily reverse the normally eastward electric field in the dayside ionosphere. It is suggested that these electric fields associated with the V × Bz electric fields originate at the magnetopause due to the interaction of the solar wind and the interplanetary magnetic field.