极隙区极光粒子沉降对电离层影响的模拟研究

利用一维自洽的时变极区电离层模型,研究极隙区极光粒子沉降对极区电离层F层电子密度影响的时变过程。假设一维时变电离层模型描述的磁流管中F层等离子体在对流作用下经过极隙区,随对流路径的不同,磁流管在极隙区经历的时间不同,以此考察极光粒子沉降作用下电离层随时间的演化过程。数值计算结果表明,当磁流管在极隙区停留的时间足够长,F层电子密度能显著增大。然而在磁流管经历极隙区实际时间较短的情况下,极隙区极光粒子沉降对F层电子密度的影响并不大。本文还给出了统计对流模型作用下磁流管在经历极隙区时,有沉降粒子作用和没有沉降粒子作用两种情况下,F层等离子体的时间变化过程的差异。     

不同行星际磁场条件下极向运动极光结构的多手段联合观测

本文利用北极黄河站三波段全天空成像仪（ASI）的高分辨率的地面极光观测数据,联合欧洲非相干散射雷达（EISCAT）Svalbard雷达（ESR）,超级双子极光雷达网（SuperDARN）雷达等观测,研究了发生在2003年12月22日0900-1010 UT时间段内极区电离层极光和等离子体的变化特征。研究发现在不同行星际磁场（IMF）条件下,黄河站极光ASI均观测到了一系列极向运动极光结构（PMAFs）,其特征为极光在赤道向一侧点亮后向高纬扩展。这些PMAFs都伴随有明显的粒子沉降特征,且在IMF北向时该粒子沉降能达到更低的电离层E层区域,而此时这些PMAFs相应位置的高纬电离层出现了一个典型反向对流涡,这是高纬（尾瓣）重联的典型特征之一。这些结果表明北向IMF条件下的这些PMAFs是由高纬重联所产生。在IMF南向时,黄河站观测到的PMAFs可跨越更广的地磁纬度,表明其演化时间亦较长,其相应区域的电离层特征也表明该PMAFs由日侧磁层顶低纬磁重联所产生。     

南极中山站电离图所显示的高纬现象

在南极中山站使用ＴＤ－４Ａ测高仪，从１９９０年３月至今已取得了１０万余帧的电离图记录。由于中山站处在极尖区附近这样一个特殊位置，所以这些电离图能显示出大多数高纬现象，诸如极光卵现象、ＦＬＩＺ（Ｆ层不均匀区）现象、倾斜Ｅｓ和空白现象、Ｆ区磁纬中午现象、Ｅ和Ｄ区的粒子沉降效应，以及粒子Ｅ层（夜间Ｅ层）现象等。本文对这些现象进行了描述和初步分析。     

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。     

南极中山站电离图所显示的高纬现象

在南极中山站使用ＴＤ－４Ａ测高仪，从１９９０年３月至今已取得了１０万余帧的电离同图记录。由于中山站处在极尖区附近这样一个特殊位置，所以这些电离图能显示出大多数高纯现象，诸如极光卵现象，ＦＬＩＺ现象，倾斜Ｅｓ和空白现象，Ｆ区磁纬中午现象，Ｅ和Ｄ区的粒子沉降效应，以及粒子Ｅ层现象等。     

南极中山站极光亚暴期间的I(557.7nm)/I(427.8nm)比值变化分析

对1999年4月8日南极中山站极光亚暴期间不同谱线的极光强度比值进行讨论,并据此讨论亚暴期间沉降粒子能量随时间变化的情况.得出I(557.7 nm)/I(427.8 nm)和I(630.0 nm)/I(427.8 nm)比值在平静时期分别在5-22和1-2.76之间变化,该变化不是由原子氧浓度空间分布变化所引起,而可能...     

南极中山站冬季电离层的平均特性

本文利用南极中山站的数字式电离层垂直测高仪１９９５年的频高图资料，对中山站上空冬季电离层的一些平均特性进行了初步分析。中山站冬季电离层Ｆ层很不稳定，其日变化比较明显，ｆｏＦ２的月中值在０９００ＵＴ出现极大并在１４００ＵＴ附近出现次极大。最大值在０９００ＵＴ（磁中午）附近，这是极隙区软电子沉降、极区等离子体对流和光辐射电离效应等诸多因素综合作用的结果，形成了所谓的磁中午异常。在２０００～０１００ＵＴ之间ｆｏＦ２数值较小，可能是由于这段时间中山站正处于电离层极洞区域。Ｅｓ层几乎每天都可以观测到，在１７００ＵＴ附近出现机率较高，并且ｆｏＥｓ数值较大，多数为极光型Ｅｓ，主要是由于极光粒子沉降引起的。电离层Ｅ层的变化相对平缓。     

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...     

中国极区高空大气物理学观测研究进展

中国南极长城站、中山站、昆仑站和北极黄河站有着独特的地理位置,非常适合于开展极区高空大气物理学的观测研究.回顾中国极地考察研究近30年历程,综述极区高空大气物理学研究方面取得的主要进展,他们是:在南极中山站和北极黄河站建立了国际先进的极区高空大气物理共轭观测系统,实现了极区空间环境的连续监测;在极区电离层、极光和粒子沉...     

南极中山站极光电集流分布特征分析

本文通过 1 997年在南极中山站观测的极光和所对应的地磁场扰动 ,利用 AU、AL、AE指数描述极光电集流在南极中山站的分布规律及其强度 ,我们发现东向极光电集流强度是正值 ,西向极光电集流强度是负值 ,从绝对值来说 ,西向极光电集流强度大于东向极光电集流强度。南极中山站夏季的极光电集流强度大于冬季的极光电集流。秋夏冬季节的东向极光电集流在72 0～ 1 44 0分 (世界时 1 2～ 2 4时 )的分布规律的拟合曲线类似口朝上的抛物线形 ;西向极光电集流在 72 0～ 1 44 0分这段时间的分布规律的拟合曲线类似正弦波形。了解了极光电集流在南极中山站的分布特征 ,有利于极区电离层和磁层耦合及极光动力学的研究。     

极光区高空物理过程与磁层-电离层耦合

极区高空物理现象之观测具有悠久历史。对极区地磁、电离层和极光现象的深入考察将地球物理的研究领域扩展到了外层空间,并提出了太阳风－磁层－电离层－热层间耦合这一重要课题。耦合物理机制的证实不仅是火箭、卫星探测的重要贡献,而且也是基于对地面雷达和遍及全球大陆的地磁台站、电离层垂测站之长期观测成果。对流电场、一区和二区场向电流、电离层扰动电流系（包括极光区电集流）,以及电导率的分布和变化乃是一有机整体,对其每一环节的深入认识均与对整体的全面了解密不可分。有关的理论和模式研究则有助于人们深入理解各个耦合过程的相互关系,以及其各发展阶段中不同物理过程的相对重要性。     

紫外极光图像极光卵提取方法及其评估

有效确定极光卵边界对于研究太阳风-磁层能量耦合过程是非常重要的.本文提出一种新的星载紫外极光图像极光卵边界的提取方法.该方法利用一种基于模糊局部信息C均值聚类方法,对紫外极光图像进行分割,并根据极光卵的环状特性,提取较完整的极光卵极向/赤道向边界.结合DMSP卫星沉降粒子观测数据,分别构建了极向边界和赤道向边界数据库,...     

极光区电离层扰动的两种类型

本文从ＥＩＳＣＡＴ探测资料分析确认，沉降粒子对极光区电离层的电离生成率有极重要的作用，但高能和低能粒子的有效电离高度范围完全不同，另一方面，磁层对流的增强却常使Ｆ层电子密度Ｎ下降，１９８５年１月２８～２９日期间出现Ｎ（Ｅ层）Ｎ（Ｆ层），且１４７ｋｍ以上Ｎ随高度增加而下降的典型扰动剖面。这是高能粒子和强磁层对流共同作用的结果。１９９３年２月１６～１７日期间，中午前后ＮｍＦ异常地增大，而Ｎ（Ｅ层）却无明显变化。这是与前者特征不同的另一类典型剖面。磁层内低能粒子（能量小于１ｋｅＶ）从极隙区沉降直抵电离层是使Ｆ层电子密度剧增的物理机制     

基于局部运动向量时空统计的极光事件检测

极光动态过程的分析与理解对极光发生机制研究具有重要意义。本文提出了一种基于动态过程的极光事件检测方法。首先利用多尺度流体光流的方法提取出极光的局部运动场信息,然后基于局部运动场时空统计特性表征极光视频序列,最后实现对特殊极光事件的检测。实验结果表明,本文方法能够高效、准确地检索到特殊极光事件,并且检测结果不依赖于目标事件的选择。这一成果为开展基于大量连续观测的极光视频对极光动态过程进行统计分析的研究奠定了基础。     

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。     

A theory for the formation of weak double layer

Solitary electrostatic waves with ion acoustic speed were frequently observed by satellites in the auroral acceleration region. In this paper, the nonlinear ion acoustic waves are studied in the plasma which is composed of warm electrons with the Boltzman distribution and cold ions of equal density. The characteristics of solitary-likc structure in the ion acoustic frequency range are derived with the methods of reductive perturbation and phase plane analysis. The results show that nonlinear ion acoustic waves may develop to a symmetric solitary structure which is compressive and no net potential drop when dissipation does not exist, and in the case with dissipation it may evolve to compressive solitary-like structure with asymmetric shape. produce net potential drop and form weak double layer. The above theoretical results are consistent with observations.     

Pulsating aurora - a review

Ｐｕｌｓａｔｉｎｇａｕｒｏｒａ－ａｒｅｖｉｅｗＪｏｒｍａＫａｎｇａｓ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＯｕｌｕ，ＦＩＮ－９０５７０，Ｏｕｌｕ，Ｆｉｎｌａｎｄ）ＣａｏＣｈｏｎｇ（曹冲）（ＣｈｉｎａＲｅｓ...