大磁暴中环电流离子成分的变化及其与磁暴演化的关系

利用CRRES/MICS的观测数据，研究了磁暴期间内磁层离子成分的变化.对1991年两个典型磁暴和12个大磁暴的分析表明，组成暴时环电流的离子可以分成两组，一组由O⁺、低能H⁺和He⁺组成，起源于电离层(IOP)；另一组为高能H⁺和He⁺⁺，主要来自太阳风(SOP).宁静时环电流主要成分为SOP，大磁暴主相极大时环电流的主要成分是IOP.大磁暴期间离子可被注入到很低的高度(L=3-4).IOP对环电流的贡献随磁暴强度增大而增加，在大磁暴主相极大时可达80%(数密度).IOP中O⁺的快速增减是导致Dst指数在磁暴主相期间快速下降和恢复相中快速增长的主要原因.小磁暴中(D_st＞-50nT)O⁺对环电流的贡献可以忽略不计.     

热等离子体影响嘶声波的色散特性和电子散射效应研究

由等离子体层嘶声波引起的电子散射效应是地球内磁层电子损失的重要机制,也是地球内外辐射带间槽区形成的主要原因.在量化嘶声波对高能电子散射效应的研究过程中,冷等离子体近似下的嘶声波色散关系被广泛应用.然而在实际磁层等离子体环境中,热等离子体成分的存在会修正嘶声波的色散特性,进而也会影响嘶声波对高能电子的散射效应.本文主要介绍了热等离子体影响嘶声波色散特性及其对电子散射效应的相关研究.基于卫星波动观测数据的统计分析结果证实了热等离子体效应对嘶声波色散特性的修正作用;通过典型事例分析以及基于准线性理论的数值计算,分析了嘶声波散射高能电子对地磁活动条件和热等离子体参数（电子温度各向异性、热电子温度以及热电子占比）的依赖性.结果表明,冷等离子体假设会高估100 keV以下能量电子以及较大投掷角范围内100 keV以上能量电子的散射系数,而低估较低投掷角范围内100 keV以上能量电子的散射系数.此外,冷等离子体假设下共振区间会扩展到更低能量的电子,而基于观测的色散曲线结果则使100 keV以上电子与嘶声波的共振范围扩展到更小的投掷角区间.随着热等离子体参数的增大,冷等离子体近似与热等离子体环境下的...     

基于张衡一号卫星监测的2021年青海玛多7.4级地震前电离层效应

本次研究围绕张衡一号(ZH-1)卫星监测到的2021年青海玛多M_S7.4地震前的电离层效应,采用上下四分位距法和小波变换法处理ZH-1卫星朗缪尔探针(LAP)探测到的电子密度N_e和等离子体分析仪(PAP)探测到的离子密度N_i(He⁺和O⁺)数据,经分析发现N_e、 He⁺密度和O⁺密度在震前7天(2021年5月14日)和5天(2021年5月16日)出现同步异常。在此基础上,基于地球物理异常多项证据,分析认为2021年玛多M_S7.4地震孕育过程包括应力扩张早期、应力扩张晚期和临震加速期,该地震可能通过岩石圈—大气圈—电离层耦合模型的声重波、电磁波通道影响了电离层。     

地球磁层软X射线信号的辐射特性研究

太阳风-磁层耦合和地球空间的动力学过程是空间天气的基本驱动要素,在系统尺度上认知这些过程对于空间物理和空间天气的研究至关重要.太阳风电荷交换(solar wind charge exchange, SWCX)机制的提出,为磁层大尺度特性研究提供了一种全新的探测方式,即地球磁层的软X射线成像. SWCX发生在太阳风中的高价态重离子(例如C⁶⁺、N⁷⁺、O⁷⁺、O⁸⁺等)和中性原子或分子(例如地球空间中的中性氢原子,日球层中的中性氢原子和氦原子,彗星和其它行星上的水分子、CO₂等)发生碰撞时.太阳风离子得到一个或多个电子后进入激发态,随后在回到基态的过程中释放出一个或多个软X射线波段的光子.地球磁层的SWCX软X射线辐射主要发生在日侧的磁鞘和极尖区,因此利用软X射线大范围成像技术可以对磁层进行远距离全景成像,从而在大尺度上认知太阳风-磁层相互作用的基本模式.在此背景下,中欧联合空间科学卫星计划太阳风-磁层相互作用全景成像卫星(Solar wind Magnetosphere Ion...     

波粒相互作用导致环电流质子沉降的卫星共轭观测

波粒相互作用是环电流损失的重要机制之一,但波粒相互作用导致的环电流离子沉降而损失迄今为止缺乏直接的观测证据.基于磁层及电离层卫星的协同观测,本文报道了发生在2015年9月7日,由电磁离子回旋波(EMIC波)导致环电流质子沉降的共轭观测事件.在等离子体层的内边界,Van Allen Probe B卫星观测到,存在EMIC波的区域和不存在EMIC波的区域相比,离子通量的投掷角分布的各向异性变弱.我们将Van Allen Probe B卫星沿着磁力线投影到电离层高度,同时在该投影区域内DMSP 16卫星在亚极光区域观测到环电流质子沉降.而且,通过从理论上计算质子弹跳平均扩散系数,我们进一步证实观测的EMIC波确实能将环电流质子散射到损失锥中.本文的研究工作为EMIC波导致环电流质子沉降提供了直接的观测证据,揭示了环电流衰减的重要物理机制:EMIC波将环电流质子散射到损失锥中,从而沉降到低高度大气层中而损失.     

磁声重波在地球磁层中的传播

本文讨论了赤道附近地球磁层中磁声重波沿重力场方向的传播特征。结果表明,当波动频率小于截止频率ω_c时,磁声重波将在磁层中被反射。对于典型的磁层等离子体参数,ω_c的极大值约为0.3秒^-1。我们还讨论了磁声重波与地磁微脉动之间的关系,沿着重力场方向向下传播的磁声重波,可能直接引起赤道附近的P_c1磁脉动。     

等离子体层嘶声对槽区电子的弹跳共振散射效应

等离子体波动与带电粒子的共振相互作用一直是磁层物理学的研究热点.作为一种常见的宽频、右旋极化等离子体波动,等离子体层嘶声在地球磁层电子的损失过程中起到了重要作用.其中,嘶声波对电子的回旋共振散射被认为是辐射带槽区形成的主要机制,而人们对嘶声波与电子的弹跳共振机制的理解却相对匮乏.本文旨在细致研究嘶声波与槽区电子的弹跳共振相互作用,明确其对槽区电子动态演化过程的影响.研究发现,嘶声波与电子的弹跳共振可以造成槽区电子在高投掷角(80°～90°)处明显的投掷角扩散.相比于低能(<～100 keV)电子,嘶声波引起的高能(>～100 keV)电子的弹跳共振效应明显更强.槽区电子的弹跳共振投掷角扩散系数对于L-shell、地磁活动条件和共振阶数都有着很强的依赖性.随着L-shell的增大和地磁活动的增强,嘶声波对电子的弹跳共振散射效应显著增强.对于低能电子,共振阶数对总散射系数的贡献随阶数的升高而增大;而对于低L-shell处的高能电子,共振阶数对总散射系数的贡献随阶数的升高而呈现先增大后减小的趋势.嘶声波与槽区电子的弹跳共振相互作用可以有效地将高投掷角电子散射到较低的投掷角上,进而...     

哨声模波对高能电子槽区和外辐射带的调节作用

本文利用磁层哨声模嘶声和合声波的幅度分布模型、近赤道背景电子(能量在eV量级)的数密度分布模型和IGRF10磁场模型建立了一个高能电子(能量大于50 keV)准线性扩散模型.模型的数值结果表明,在不同的地磁条件下,等离子体层顶位置的变化改变了磁层背景电子数密度的空间分布,从而改变了哨声模嘶声对高能电子有效的投掷角扩散（损失）区域,同时也改变了哨声模合声波对高能电子有效的动量扩散（加速）区域.哨声模嘶声对电子投掷角扩散区域的变化和RRES卫星探测到的高能电子的槽区变化是一致的,而合声波对电子的动量扩散区域的变化和卫星探测到外辐射带的变化相同.这种对应关系说明：在不同的地磁条件下,哨声模波对高能电子扩散区域的变化是造成高能电子槽区和外辐射带的空间位置和大小变化的一个重要因素.在一些强磁暴期间,由于嘶声对部分能量范围电子的投掷角扩散作用消失,这些电子的槽区也随之消失,从而使内外辐射带连接在一起.     

电离层上行O+离子沿不同经度处的磁力线向磁层的传输

根据解析求解引导中心近似的动力学方程得到的离子分布函数 ,研究了不同Kp指数条件下起源于不同电离层区域的上行O⁺离子通量密度沿不同经度处的磁力线的定态分布 ,并研究了上行O⁺离子向不同磁层区域传输的特性 .主要结果为 :（ 1 ）起源于向阳面极光带外侧及更低纬区的电离层离子基本上传输到向阳面磁层区 ;起源于背阳面极光带及更低纬区的电离层离子基本上传输到背阳面磁尾等离子体片区和闭合磁力线区 ;起源于极盖区及向阳面极光带内侧的电离层离子基本上传输到等离子体幔区和磁瓣区 .（ 2 ）上行离子主要分布在近地空间 ,其通量密度相对于地心距离呈负梯度 .（ 3）地磁活动指数Kp 增高时上行离子进入磁层的概率增大 ,因而上行离子起动力学作用的地球空间范围增大 .所得结果可解释有关地顶的观测特征 ,理论估算的上行离子在磁尾的通量密度与观测结果相符合.     

地球磁层中超低频波与低能粒子的相互作用

太阳风—磁层耦合过程会产生各种等离子体波,其中超低频波的频率最低(1 mHz～1 Hz)、波长最长(与内磁层磁力线长度相当)、能量密度最大.超低频波在磁层粒子加速、物质输运和能量转化中起着重要作用.以往的研究主要关注超低频波的全球性传播和分布特征以及这些波动与磁层能量粒子(辐射带电子和环电流离子)的相互作用过程.最近几...     

遗传算法反演地球等离子体层离子密度分布

本文介绍了采用一维遗传算法从地球等离子体层极紫外图像反演地球等离子体层He⁺密度的原理.首先采用通量管近似和磁偶极近似将三维问题转化为一维问题.通过引入权矩阵,将极紫外光强积分离散为求和函数,再采用一维实数编码遗传算法反演得到磁赤道面等离子体层He⁺密度,最后通过磁力线追迹得到三维密度分布.算法采用动态全球核心等离子体模式模拟的密度和光强分布作为初始输入参数,并通过遗传算法得到相应密度分布.反演结果表明,等离子体层密度相对误差在8%以内,光强相对误差趋于0,算法有效可行.本文研究为中国探月二期工程中月基极紫外图像反演奠定了基础.     

地球同步轨道附近哨声湍流对“种子电子”的加速

本文在等离子体准线性理论下研究了地球同步轨道附近哨声湍流对亚暴“种子电子”的波-电子共振相互作用. 当发生这种共振时，“种子电子”的动量分布函数经动量扩散而随时间演化，部分低能电子数减少了，而高能尾部分的相对论电子（能量大于1MeV）数增加了，说明“种子电子”得到了哨声湍流的有效加速，且哨声湍流的能量越高，其加速效率越高. 另外，哨声湍流的频率越低（或波数越小），共振电子的能量越高（或单位质量的动量越大）；频率范围越宽，共振电子的能量范围越宽，被加速的电子数也越多. 磁层哨声湍流加速“种子电子” 大约在30h内就可以造成相对论电子数显著增加，这正好和大多数磁暴期间观测到的相对论电子通量的增长时间相当.     

电离层极风的EISCAT-VHF雷达观测

极风现象从理论上提出已20多年了,实验上一直没有充分地证实这种现象的存在,以及它的形成区域位于高纬顶部电离层中.我们利用欧洲非相干散射协会（EISCAT）的VHF雷达（在挪威Tromsφ）,对H⁺离子极风进行了首次实验研究,结果表明,实验期间观测到H⁺离子在顶部电离层中的运动速度始终向上,且随高度的增加而增大,从而证实在高纬顶部电离层中确实存在着一个永久向上的H⁺离子流,即H⁺离子极风,其速度在1000km 高度上达到1km/s,其通量在此高度上接近于饱和,达到10¹²m^s（-1）,而温度小于0.26eV.在我们的探测高度上仍未发展成超声速极风.     

地球电子外辐射带的数据同化建模与分析

地球电子外辐射带对太阳与地磁活动呈现高度动态变化的响应,了解外辐射带的全球动态变化过程对于近地空间粒子辐射环境的理解认知和预测预报具有重要意义.基于卡尔曼滤波数据同化方法,本文利用范阿伦A星、B星和GOES-13和GOES-15四颗卫星的辐射带电子观测数据,分别利用三种不同维度的辐射带物理模型,将观测结果与数值结果有机融合,对2013年3月地球外辐射带电子通量的径向分布与变化进行数据同化分析.结果表明,考虑了磁层波动与辐射带电子共振作用引起的径向扩散、投掷角扩散以及能量扩散过程的三维同化模型可有效、合理地重现外辐射带电子通量的径向分布.本文进一步利用该三维同化模型对2013年一整年外辐射带电子的相空间密度分布进行重构与分析,得到了不同绝热不变量和不同地磁活动条件下电子辐射带的时空演化过程,从而为深入理解外辐射带电子的变化过程和动力学机制提供了强有力信息.通过分析同化过程中的新息矢量以及度量同化过程中观测数据在多大程度上修改了物理模型结果,还有助于定量分析现有辐射带物理模型中的源项和损失项的相对贡献以及可能忽略的物理机制或过程.     

同步轨道相对论电子通量长期倒空事件的统计研究

地球辐射带中有"杀手"电子之称的相对论电子通量增强和损失过程一直是空间物理学和空间天气学研究的热点.本文通过对20002016年间,地球同步轨道相对论电子通量降低至背景通量水平并持续时间长达3天以上这一特殊现象进行了相关统计研究.从事件的时间分布角度,本文研究了约1.5个太阳活动周内共62例事件随太阳活动水平高低的分布情况,结果表明:在太阳活动周下降期有较少的事件发生,而在峰年、谷年这类事件的发生率与太阳活动水平的高低并没有直接联系.随后,我们对这62例事件在开始、持续、结束三个阶段分别做了一些相关参数的统计,探讨相对论电子通量长期倒空事件的客观规律和产生机制.研究结果表明:事件发生前,太阳风动压、密度的显著增加引起磁层顶向内收缩,等离子体层顶一直维持在高L区域,IMF Bz分量南向和磁暴过程使相对论电子通量通过绝热和非绝热等物理损失机制降至背景通量水平.当这些相对论电子达到背景通量水平后,较弱的太阳风条件和地磁活动水平不足以提供充分的可以使相对论电子通量增长的源;虽然有些相对论电子通量长期倒空事件期间存在中、小磁暴过程,但这些强度较弱的磁暴很可能不会显著地影响同步轨道相对论电子损失和增长的动态平衡,因此相对论电子仍然可以维持在背景通量水平.如果有长时间的亚暴活动和高强度的ULF (Ultra-Low Frequency)波活动发生,太阳风速度显著增加,那么这些物理过程能提供足够的种子电子和持续的加速条件,使得相对论电子通量打破倒空状态,进而呈现显著增长趋势.     

地球磁层顶的无碰撞Kelvin-Helmholtz不稳定性（Ⅰ）

本文用无碰撞等离子体的CGL近似,讨论了地球磁层顶的Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性问题。同可压缩MHD近似一样,CGL等离子体也存在下、上两个临界速度v_c和v_u。不稳定性仅当v_c<₀ cosα<_u时才能激发,v₀为磁鞘等离子体流速,α为v₀和切向波矢k_t间的夹角。在向阳面低纬区,时间增长率ε和空间增长率κ与可压缩MHD的相应值相近。当v₀ cosα≥v_u时,不稳定表面波转化为稳定的体波。各向异性对K-H不稳定性有显著影响。在近日点低纬处,若磁鞘各向异性参数S₂接近水龙带不稳定性的阈值,很小的v₀便能激发不稳定表面波。S₂低于极小值S₂^min时,不稳定性不可能产生。所谓Overstability现象是不存在的。     

太阳活动高年上电离层中O+-H+离子过渡高度的特征

本文用日本电离层探测卫星ISS-b的资料,假设F₂层峰顶以上电离层中各类离子随高度呈扩散平衡分布,得到了太阳活动高年（1978年8月-1979年8月）确定顶外电离层电子密度剖面形状的一个重要参数,即O⁺-H⁺离子过渡高度h_T的一些变化特征.指出h_T的日变化特性主要受电离层中O⁺离子的产生与复合作用的控制.太阳活动高年在不同纬度和所有经度区域,平均说来日间h_T为大约1500-2500km变化,而夜间位于800-1400km,冬夜甚至接近中性氢、氧原子的化学平衡高度.过渡高度也表现出明显的纬度关系,在接近±20°的磁赤道地区,h_T基本上不随纬度变化;但在大于±30°磁纬区域h_T随纬度很快增加.义中还就h_T随时间和地磁（或地理）纬度变化的机制作了简要讨论.     

基于范阿伦双星EMFISIS观测数据的NWC和NAA人工甚低频台站信号的内磁层全球统计分布

地球表面的人工甚低频台站信号可以穿透电离层泄漏进地球磁层导致内辐射带电子沉降到两极大气.因此研究人工甚低频台站信号的空间全球分布特性对于分析辐射带电子的损失具有重要科学意义.本文使用范阿伦双星从2013年到2018年共计6年的高质量的波动观测数据,统计了 NWC(19.8 kHz)、NAA(24.0 kHz)两个人工VLF台站信号的全球分布,分析了台站信号的电场功率谱密度对地理经纬度、磁壳值L、磁地方时MLT、地磁活动水平的依赖性.结果表明,在内磁层中,人工台站VLF信号主要沿着台站位置对应的磁力线传播,夜侧强度高于日侧,冬季高于夏季.这种日夜和夏冬差异的形成是因为夜侧和冬季的日照强度较弱,电离层电子密度较低,VLF信号较容易穿透电离层进入磁层.此外人工VLF台站信号的全球分布受地磁活动的影响很弱.这些统计观测结果给出了 NWC和NAA两个重要人工VLF台站信号强度的全球分布特征,为进一步分析人工VLF台站信号与地球辐射带电子的波粒相互作用提供了关键信息.     

上行离子密度分布特性的理论研究

采用动力学方程，求解了定态情况下磁层中上行离子沿磁力线的分布函数，针对不同的Ｋ_ｐ指数，分别对北半球极光带区起源的上行离子Ｏ_＋、Ｈ_＋和Ｈｅ_＋在子午面内沿磁力线的密度分布及其特性进行了研究．结果表明：１．沿磁力线向外，上行离子密度在近地空间呈急剧下降趋势，在远地空间呈缓慢下降趋势；２．重离子或初始能量较小的离子，其密度沿磁力线向外下降较快；３．Ｋ_ｐ指数越大，离子进入磁层的空间范围越大；４．离子的投掷角分布对密度分布的影响甚小；５．离子密度沿磁力线的下降程度随到Ｘ轴距离的增大而呈增大趋势；６．在典型参数条件下，求得上行离子Ｏ_＋在等离子体片边界附近的密度为１０^－３－１０^－２个ｃｍ^－３，这与观测结果相一致．     

旋转地球流体的一个非线性奇异孤立波精确解

本文求出了旋转地球流体的f平面浅水波方程组的一个非线性精确解.这是一个处处连续、分片光滑的凹形孤立波,在波谷处为一尖点（奇异点）,其移速比长波速度gh^1/2略小,为（1+a/h）（gh（1+a/h））^1/2,其中a<0.其水平尺度与水深几乎无关.