纬向风与赤道异常的行星波同步振荡及其谱分析

本文利用最大熵谱分析方法处理了电离层赤道异常北峰Okinawa站的f₀F₂行星波周期的振荡.比较同一期间相近经度链上的南北半球观测到的低热层中性大气运动,发现较短周期的2-5日波,尤其是在南北半球的夏季期间（北半球7-8月前后,南半球1-2月前后）,其纬向风与赤道异常振荡强弱及周期变化具有良好的同步对应性.对于较长周期的中性风振荡,只要其幅度相当大,也会在赤道异常的振荡中有所对应.从而提供证据说明中性风的行星波振荡是赤道异常的行星波振荡的驱动源.     

电离层赤道异常两日振荡的数值模拟

近20年来,国外学者对电离层赤道异常问题的数值模拟研究未考虑到大气行星波对潮汐发电机电场的调制效应,因而不能解释赤道异常峰值的逐日变化.本文结果表明二日波对F_2区电子浓度的输运有很大影响.这一方法可以推广到赤道异常各种长周期行星波振荡的数值研究. 本文从非定常等离子体连续方程出发,建立包含行星波振荡对E×B漂移的调制效应的方程,并给出数值模拟的方法以及可与实际观测进行比较的结果.文中取二日波漂移振幅为U_p=0 m/s、5m/s、10m/s,而初位相分别为φ=0°、90°共四种情形进行了模拟,结果表明,二日波的调制可使赤道异常的时空分布以及异常峰值产生明显的逐日变化.在所选取的模型中,取U_p=5m/s,φ=0°所得到的f_0F_2t的二日分布特征与观测较吻合.而u_p约5m/s的变化能引起异常峰值f_0F_2约1-2MHz的起伏,而二天之内f_0F_2的二个峰值表现出约2-4MHz的起伏.     

两日对称行星波发电机效应的数值研究

本文从发电机理论出发,计算了一种波数为3、周期为两日的西行对称大气行星波风场所产生的电流及电场的全球分布以及随世界时的变化,并给出这种电场在不同经度随地方时的变化.这个电场沿磁力线传到F层后,将会对F层动力学过程起着重要的作用,可能是导致赤道异常两日波动的原因.     

远震前的地电场潮汐波异常

分析了5次远强震前河北省昌黎台、兴济台记录到的电场异常，发现该异常主要集中在震前2个月左右的时段内， 具有很好的短临预报意义. 震前电场呈现不同的异常特征，但与固体地球潮汐波变化关系密切，如半日、半月等潮汐波周期信号增强，引起电场变化幅度增大；或本该正常记录到的潮汐变化幅度突然减小或消失；以及高频信号增多并伴有跃变现象. 分析异常产生机理认为，强震前的这种异常现象是震源区临震孕育过程中岩石弱化产生的电场异常，经自由空间或地壳传播到达地电台站后，与台站记录的电场潮汐波相叠加产生潮汐波增强或减弱现象. 高频异常可能与台站下方岩石孔隙度、渗透率等介质性质的改变有关，反映了强震的远场动态效应.      

电离层等离子体漂移的振荡

根据中纬Ｗａｋｋａｎａｉ站与低纬Ｏｋｉｎａｗａ站的垂测数据，得出电离层峰区垂直漂移的频谱结构．结果表明，漂移除具有周期在２４ｈ之内的潮汐分量外，低纬站还呈现出值得特别注意的２．１ｄ的周期振荡．作者认为，低纬垂直漂移的振荡行为，主要是电场的波动分量引起；这种波动电场包含潮汐振荡与行星波两日振荡的成分．峰值电子浓度的振荡最直接地是由中性大气温度控制；而峰高的波动起伏，则主要是电场振荡的结果．     

冬季太阳11年周期活动对大气环流的影响

利用气象场的再分析资料和太阳辐射活动资料,对太阳11年周期活动影响北半球冬季(11月~3月)大气环流的过程进行了统计分析和动力学诊断.根据赤道平流层纬向风准两年振荡(QBO)的东、西风状态对太阳活动效应进行了分类讨论,结果表明：东风态QBO时,太阳活动效应主要集中在赤道平流层中、高层和南半球平流层,强太阳活动时增强的紫外辐射加热了赤道地区的臭氧层,造成平流层低纬明显增温,同时加强了南半球的Brewer-Dobson(B-D)环流,引起南极高纬平流层温度增加;而北半球中高纬的环流主要受行星波的影响,太阳活动影响很小.西风态QBO时,太阳活动效应在北半球更为重要,初冬时强太阳活动除了加热赤道地区臭氧层外,还抑制了北半球的B-D环流,造成赤道平流层温度增加和纬向风梯度在垂直方向的变化,从而改变了对流层两支行星波波导的强度;冬末时在太阳活动调制下,行星波向极波导增强,B-D环流逐渐恢复,造成北半球极地平流层明显增温,同时伴随着赤道区域温度的下降.     

2009年1月强爆发性增温期间突发E(Es)层的响应

平流层爆发性增温(SSW)期间,低层大气温度场和风场等的剧烈变化会直接影响潮汐和风剪切作用.此举可能会导致电离层Es的相应变化.本文以2009年1月事件为例,分析了SSW期间Es层的响应.首先,在排除太阳活动和地磁活动对Es层影响的前提下,分析了昆明站附近MLT区域行星波和潮汐波的波动特性,发现此期间存在显著的2日行星波,并伴有日潮汐减弱和半日潮汐增强等波动现象;随后,分析相应时间段内Es层的变化特性发现,重庆和昆明站附近Es层强度明显减弱,且其高度显著抬升.这一现象与低层大气的波动变化具有同步性.最后,通过模拟经典风剪切理论下Es层金属离子的汇聚过程和运动轨迹,再现了SSW期间Es层与低层大气波动的耦合演化过程.该分析结果为研究低层-中层-高层大气的耦合过程提供了一种新的思路.     

2004年印尼8.7级强震前昌黎台的远场电性异常特征探讨

分析了在2004年12月26日印尼8.7级地震前河北昌黎台记录到的自然电位及电场异常, 结果显示昌黎台自电位、 电场正常时段观测到的半日、 半月潮汐波周期变化在震前1个多月发生畸变, 周期消失, 变化幅度相应减小, 震后快速恢复, 且潮汐波记录比震前正常时段更加清晰。 该台地电阻率的观测结果显示起始下降变化比较平缓, 震前一周左右, 变化加剧, 出现多次阶变。 究其原因, 在强震发生前断层的蠕滑作用导致孔隙压力变化, 产生一种可以在岩石中传播的应变波, 由于台站下方岩土层对小应变信号具有很好的放大作用, 所以记录到了这种小幅度的应变波, 也就是远场的静态应变效应。 随着地震临近, 应力作用加强, 远程应变波引起台站下方水位、 水化学性质以及岩石孔隙度、 渗透率等的改变, 导致电阻率、 电场大幅度的阶变, 这反映了远场应变波的动态效应。 当然就异常幅度而言, 应变波的效应还嫌弱一些, 因此昌黎台异常变化可能还叠加了震源区激发的电磁波。     

岩石圈塑性流动波的实验研究(Ⅱ)

岩石圈塑性流动波的物理模拟实验表明 ,在板块边界驱动下 ,模型中除了产生“快波”(波速量级大致相当于原型的 10 0 ～ 10 2 km/a)外 ,还存在着相当于原型波速量级为 10 - 1～ 10 0 m/a的“慢波”。“慢波”也可分解为主波和辅波 ,主波类似于涌波 (孤立波 ) ,辅波则以波群的方式传播 ,二者均系粘性重力波。板块边界的驱动作用通过不同波速的多重塑性流动波向板内传播 ,控制地震能量背景的起伏振荡 ,并导致缓慢构造运动的韵律性变化     

行星际-赤道电场穿透效率的数值模拟研究

电场穿透作为强烈地磁活动期间太阳风-磁层-电离层电动力学耦合的重要形式,近年来一直是空间物理学最为活跃的课题之一.在过去的近40年里人们一直关注于观测证据的寻找以及物理过程的模拟,“电场穿透效率”这一重要定量化指标直到最近几年才得到重视.本文定义赤道电场增量与对应的行星际电场增量的比值为穿透效率,通过数值模拟的方法对穿透效率的地方时变化以及与中性风发电机的关系做了实验性讨论,在一定简化条件下结果表明：（1）不考虑跨极盖电势饱和的情况下,赤道电场增量与行星际电场增量呈线性关系,且中性风发电机并不影响电场穿透效率;（2）恒定重联线长度L的限定下,穿透效率具有明显地方时依赖性.例如对于L=2.6 R_E,在9LT至23LT之间,穿透效率维持在10％左右;0LT至7LT之间,穿透效率迅速从2％上升至30％后又迅速回落到原始水平,形成尖峰.这些结果基本符合观测特征.     

Large-scale E-region electric field structure due to gravity wave winds

Oscillatory neutral wind motions, such as those of atmospheric gravity waves which propagate through the E-region of the ionosphere, appear to produce local electric fields in the source region. Although the net effect of these oscillatory fields vanishes outside the source region, the local fields themselves are not shorted out along the magnetic field lines, as is usually assumed. We present in situ measurements of neutral winds and the correlated electric fields, and show that local electric fields of the order of a few mV/m can be sustained by the neutral wind motions.     

赤道电离层R-T不稳定性发展的控制因素分析

本文从质量和电荷守恒方程出发,分析了控制电离层等离子体R-T不稳定性线性增长的各种因素,重点研究了热层风和背景电场的空间梯度对R-T不稳定性线性增长的影响.结果表明,热层风场和背景电场两者的空间梯度对R-T不稳定性线性增长有不可忽视的促进或抑制作用;对R-T不稳定性线性增长起促进作用还是起抑制作用,依赖热层风场和背景电场及其空间梯度的方向;对R-T不稳定性线性增长影响的显著程度主要依赖于热层风场和背景电场两者空间梯度的大小.数值计算结果表明,对典型的背景电离层条件,磁力线顶点高度为330 km时,对线性增长率的影响最高达到120%.     

关于暴时电离层电流分布的南北半球不对称性

采用国际上广泛认可的高层大气和电离层经验模式提供的各种参数, 通过电离层电流连续方程, 计算出强磁暴条件下6月至日和12月至日内, 磁纬±72°和磁地方时00:00～24:00之间电离层电场、电流等的分布. 计算中考虑了地磁和地理坐标间的偏离; 除中性风场感生的发电机效应外, 还包含了磁层耦合(极盖区边界的晨昏电场和二区场向电流)的驱动外源. 结果表明, 6月至日时, 磁层扰动自极光区向中低纬的穿透情况在南、北半球内基本接近, 北半球内略强; 但12月至日时, 呈现明显的不对称性, 南半球的电流穿透远强于北半球, 而电场的穿透则是在北半球更强. 无论南北半球, 在中高纬地区, 午夜至黎明时段出现较强的东向电场分量, 其[WTHX]E×B[WTBZ]的向上漂移效应, 正是解释我们以往不少研究现象中所期盼的物理机制.     

中纬电离层的低频等离子体不稳定性

本文研究了中纬电离层Rayleigh-Taylor不稳定性和漂移不稳定性的基本性质.如果不存在中性风和背景电场,中纬Rayleigh-Taylor不稳定性的增长率比赤道相应条件下的小.中性风和电场对中纬Rayleigh-Taylor不稳定性有重要影响.当中性风速度达到10m/s时,其作用就超过了重力.漂移不稳定性也受到重力、中性风和电场的影响,离子-中性粒子碰撞能降低漂移不稳定性的增长率.本文的分析表明,在赤道电离层容易产生大尺度的Rayleigh-Taylor不稳定性,在中纬电离层易产生小尺度的漂移不稳定性.     

Daytime efficiency and characteristic time scale of interplanetary electric fields penetration to equatorial latitude ionosphere

We analyze the daytime efficiency of the interplanetary electric field (IEF) penetration to the equatorial ionosphere based on a correlation analysis carried out between different levels of decomposition applied to IEF intensity measured at the ACE spacecraft and ionospheric electric field intensity inferred from ground based magnetometers located in the equatorial region in Brazil. We compare the time variations of those two electric field intensities by means of a scale-by-scale decomposed time series through wavelet multi-resolution analysis. Efficiency is here defined as the fraction of the variation of the IEF intensity that has penetrated into the equatorial region, and it increases with increasing fraction. Two cases of prompt penetration electric fields (PPEF) are analyzed: one occurring on March 31, 2001, and other on April 17, 2002. Our results show that the penetration effect with time scale ranging around 1 h is maximized in relation to other scales.     

带电粒子在中性线磁场中的运动

本文利用了小扰动方法、轨道法以及粒子的运动区域,比较系统地研究了带电粒子在中性线磁场中的运动。其结果是: 1.带电粒子的运动轨道可分为漂移轨道、波动轨道与8字形轨道三种形式。小扰动方法不能使用于中性线的区域内,在这个区域出现一个与小扰动漂移运动相反方向的运动。 2.在沿中性线方向的电场的作用下,中性线周围的部分粒子可以聚集到中性线附近。当粒子进入非小扰动区时,它们将被中性线磁场反射,并被电场加速。 3.计算出磁尾中性片的厚度为在这个区域内,大部分带正电的粒子的平均运动是沿晨昏方向,带负电的粒子的运动则相反。磁尾区出现一个等离子体中性片电流。     

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.     

Analytical configurations of a force-free magnetic cylinder in the solar wind

The problem of a smooth field configuration, which should be an initial configuration in modeling (using the method of coarse particles) the problem of a stationary solar wind flow around a magnetic cloud in the case of a spatially two-dimensional statement (when a magnetic cloud is considered as a force-free magnetic cylinder with a finite radius) is considered. It has been indicated that such a statement is possible only when the magnetic field in the solar wind is parallel to the cylinder axis. The method for finding the magnetic field of a force-free cylinder with a finite radius, when some field component is specified and another component is determined based on this one (which makes it possible to construct fields with preassigned properties), has been proposed. The variant for constructing the initial field configuration in the transition region around a cylinder has been proposed. This variant makes it possible to gradually pass from homogeneous crossed fields in the solar wind to a force-free magnetic and zero electric fields within a cylinder, an electric field being potential and orthogonal to a magnetic field (in the reference system related to a magnetic cloud).