超低频波与带电粒子的非线性相互作用

超低频波在日地能量传输和磁层—电离层耦合过程中都扮演着十分重要的角色,其在调节整个太阳—地球系统的能量流方面的研究一直是空间物理领域最重要的研究方向之一.超低频波是带电粒子在内磁层辐射带中加速和扩散的主要原因之一,磁层中的带电粒子具有典型的垂直于磁场的漂移运动和平行于磁场的弹跳运动,超低频波的频率范围能够覆盖带电粒子的...     

超低频波粒相互作用分析器

地球磁层的超低频（ULF）波是导致能量带电粒子快速加速的主要原因,同时这些粒子又可以使ULF波发生阻尼,它们之间的相互作用的过程可以通过星载仪器来定量观测.作者根据波与粒子相互作用的原理,结合中高轨道三维空间电场测量系统DC和低频部分的频率响应特点,设计了一种针对ULF波的波-粒相互作用分析器,并进行了模拟实验和验证.该仪器具有快速、精确、结构简单的特点,在中高轨道卫星观测时能对ULF波与粒子的相互作用的过程进行实时的定量测量.

     

电离层人工调制激发的VLF波在磁层的传播特性及应用研究

电离层人工调制可以激发甚低频（VLF）波,其中向上传播进入磁层的VLF波,不但能够用来研究磁层中的各种物理现象,且具有人工沉降高能粒子,消除辐射带等实际用途.本文使用射线追踪方法,模拟电离层调制激发的VLF波在磁层的传播路径,分析激发纬度和调制频率对传播路径和传播特性的影响;并基于低频波的色散方程和波粒共振条件,分析VLF波传播路径上与磁层高能粒子的最低共振能及其分布.研究表明,VLF波通过在磁层来回反射向更高的L-shell传播,最终稳定在某一L-shell附近.以较低的调制频率或者从较高的纬度激发的VLF波能够传播到更高的L-shell,但是,当激发纬度过高时,低频波也可能不发生磁层反射而直接进入电离层和大气层.低频波在磁层的传播过程中,在较高的纬度或者较低的L-shell能够与较高能量的电子发生共振相互作用,在较高的L-shell并且低纬地区,能够与较低能量的电子发生共振相互作用.共振谐数越高,能发生波粒共振的电子能量越高.     

阿尔文涨落与地球磁层亚暴

本文讨论了一种地球磁层的亚暴机制。当行星际磁场有大的南向分量时,磁层的位形可由基本闭式转变为开式。磁鞘中的阿尔文波可以携带超过10~(18)尔格/秒的能流传入磁层尾部,并将能量耗散于等离子体片中。等离子体片中的粒子被加热和加速后,注入近地空间,产生环电流和极区亚暴。计算了剪切流场中阿尔文波的传播过程,以及磁层中阿尔文波的耗散。将本文的结算与[4]中的结果合在一起,可以说明当行星际磁场转向南时,容易发生地球磁层亚暴,但这两者并非一一对应的关系,行星际磁场没有南向分量时也可以发生地球磁层亚暴。     

太阳风湍流和磁层亚暴的一种机制

太阳风的动量涨落将通过磁层边界在磁尾激发磁流体力学波。快磁声波携带扰动能量传到等离子体片中,发展为激波,或者通过激波的相互作用而耗散能量,使等离子体加热。等离子体片中的随机费米加速机制,使麦克斯韦分布尾巴部分的高能量粒子被加速到更高能。在宁静态时,加热、加速与耗散过程平衡。当太阳风的动量或者其涨落较大时,整个加热和加速过程加剧,更多的高能粒子产生,并从等离子体片中逃逸,形成高速的等离子体流注入近地轨道和极区,表现为磁层亚暴过程。利用这种机制,可以解释地球磁层亚暴的定性特征。     

磁层顶边界层剪切流引起的MHD波模转化

采用非本征模方法（non modal analysis）研究了磁层顶边界层中剪切流导致的MHD波模转化及其与背景流场的能量交换过程.发现在分别代表磁层顶内、外边界层及过渡区的均匀剪切流场中,初始设定的Alfvén波扰动可部分转化为快、慢磁声波.而且,在不同区域,根据等离子体参数的不同,发生的波模转化过程也不相同.在外边界,Alfvén波主要转化为慢磁声波;在内边界,Alfvén波则主要转化为快磁声波;而在二者之间的过渡区中,Alfvén波可同时转化为两种类型的磁声波.我们还发现,含有较强快波分量的扰动可从磁层顶剪切流场中获得能量而得到线性放大.上述物理过程可能对解释磁鞘至磁层的能量及动量异常输运现象有所帮助.     

太阳风动量涨落激发磁层亚暴的机制

本文将太阳风涨落传输能量产生磁层亚暴的机制推广到无碰撞等离子体过程。太阳风的涨落在磁层顶激发压缩阿尔文波,并在磁尾的无碰撞等离子体中传播。尾瓣中满足条件β?1,而等离子体片中β≥1,其中β为等离子体压力与磁压之比。这样,快磁声波在尾瓣中几乎不衰减,而在等离子体片中很快衰减,将波动能量耗散在等离子体片中使等离子体加热或者粒子加速。这种机制还表明,磁尾等离子体片中的高能粒子可以由太阳风涨落动能耗散而被加速,不一定是直接源于太阳。     

地球磁层的磁场模型

1958年卫星探测发现了磁层,至今已有半个世纪,对磁层电场、电流体系、磁场、粒子分布和等离子体波的探测研究构成了空间物理的重要内容,其结果是各种磁层模型的出现.本文简要综述磁层磁场建模的基本原理、方法和发展历史,对十几种重要的磁层模型的特点、局限性和适用范围进行了对比分析,以Tyganenko模型为例,讨论了磁层模型发展的趋势.     

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...     

地球等离子体层研究进展

地球等离子体层作为内磁层的重要组成部分,在空间天气过程的发生和发展过程中都起着非常重要的作用.地球等离子体层是由上行电离层粒子被地球磁力线捕获而形成的圆环状冷的等离子体区域.等离子体层的外边界称为等离子体层顶,在该区域的等离子体层密度在0.5个地球半径内下降了1～2个数量级.地球等离子体层结构的动态变化特征是空间环境扰动状态的指示器,其结构形态和动力学过程受地磁场和电场控制,而地磁场短期变化源于太阳活动引起的日地扰动.地磁暴期间等离子体层的大规模结构演化影响等离子体层中波的产生和传播,从而影响波-粒子相互作用,导致内磁层中电子和离子的空间分布发生变化,进而影响其它磁层和电离层过程.对地球等离子体层进行进一步研究,对揭示太阳风-磁层-电离层耦合过程中的质量输运和能量转移、空间天气预报等方面都具有重要的意义.本文对等离子体层和地磁活动的关系、等离子体层中的波、顶部电离层及等离子体层电子含量的变化规律和等离子体层模型等方面的研究进展进行了介绍.最后,我们还对等离子体层研究方面一些亟待解决的问题进行了展望.     

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—06 MLT)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.     

Alfven行波涌浪携带的场向电场──极光粒子加速机制

提出一个剪切Ａｌｆｖｅｎ波加速极光粒子的新模式。频率远小于离子回旋频率的Ａｌｆｖｅｎ波由磁层向电离层传播会演化成孤波，当场向电流超过离子声不稳定性的临界电流时，激发离子声不稳定性，波与粒子的相互作用产生反常阻尼使Ａｌｆｖｅｎ波演化成行波涌浪。它携带一个方向向上的平行电场，加速极光电子形成分立极光。对等离子体密度、电场及其对应的电势进行了数值计算，结果发现满足磁层加速区条件形成Ａｌｆｖｎ行波涌浪，提供足够强的加速粒子的电场。     

基于Lg波识别判据的特性分析

Lg波是检测、识别地下核爆炸的重要震相.通常情况下,地下核爆炸的低频段Lg波能量相对较强,基于Lg波的识别判据在高频段表现较好.然而在低频范围内却表现出难以用球对称爆炸源模式解释的现象,如Lg/Pg判据在1 Hz附近失效等现象.本文利用理论地震图方法,分析了伴随层裂过程产生的重要辅助源——CLVD源对Lg波低频成分的调...     

磁重联与等离子体波动

磁场重联与等离子体波动之间存在显著的联系.其中准静态波动、激波和动力学阿尔芬波的本征模是磁重联结构的重要组成部分.而其它的高频波动,不仅能吸收粒子的自由能,还可以导致粒子的加热和反常电阻的产生.这些多尺度的波动过程揭示了磁重联中能量转换的多尺度性质.本文探讨了地球磁层磁重联过程中的各种等离子体波动,涵盖了动力学阿尔芬波、低混杂波、哨声波、静电孤波、离子声波以及电子尺度的高频静电波,并分析了它们在磁重联中的特性和作用.近期的研究成果表明,动力学阿尔芬波（kinetic Alfven wave, KAW）能够描述磁重联区域的微观结构,其中包括霍尔磁场、霍尔电场、平行电场、霍尔电流以及场向电流.在这一过程中,霍尔电场作用于离子,有助于提高重联速率.低混杂波主要在电流片的密度梯度较大处被激发,并对电子进行平行加热.而哨声波是由朗道共振和回旋共振机制驱动的.据当前研究所示,低混杂波和哨声波对于重联过程中的反常电阻效应的影响是次要的.静电孤波多在磁重联分界线区域出现,其对等离子体的加热效应仍需进一步研究.与此同时,关于高频静电波（例如高混杂波和电子伯恩斯坦波）的研究重点在于磁重联的扩散区,这些波被...     

井中声电转换波场辐射能量定量分析

井中声激发极化效应研究是实现声激发极化测井实用化的技术基础,实质上是声波在双相孔隙介质中向电磁波的转化,其结果就是形成井中声电转换波场,最终表现为井中声场辐射能向电磁场能的转化.通过对双相孔隙介质中声激发极化过程声电转换波场能量的理论分析,研究了井中声电转换波场能量的总体构成,提出了井中低频声激发极化电场电能体密度的概念,并推导出具体表达式.通过采用实际地层参数模型进行井中低频声激发极化电场的模拟计算得到了井中低频声激发极化过程中电能体密度与声波频率与地层参数的相关关系.     

存在一种震前超低频密度-应力波的更多证据

笔者曾指出存在一种震前由孕震区发出的地下构造中的超低频密度-应力波,而且这种波的性质与国外学者提出的"热力学弹性回跳"理论符合得很好,并列举了天文时纬残差、地下深部物质视电阻率和震前地壳突变性形变3个方面的观测证据来证明这种波的存在.我们进一步发现,我国地震工作者在对地震的长期观测和监视工作中,实际上已经获得了支持存在这种震前超低频密度-应力波的很多实测结果.大量实测数据既是这种波存在的证据,又是研究这种波的性质的第一手资料.本文将与震前超低频密度-应力波的特征符合得较好的实测资料择要列出,并与该波的特征相比较.分析表明,这些测量所反映的很可能就是这种震前超低频密度-应力波,因此也就反映了这种波的波源-震前缓慢而剧烈的地下介质扰动.     

强地震前兆低频波的实验研究

声波透射实验表明，对于板状材料，声音的一部分能量可以透射到空气中。另一部分能量在板中产生简正波，使板产生较大的振幅，在空气中产生能被话筒接收到的声音信号，而信号的简正频率与板的尺寸有关。另外，破裂过程中的声发射实验证实：随着微破裂的集结和裂纹的扩展，所辐射波的频谱会逐渐向低频移动，而且当频率很低时，可以透射出岩石，被话筒接收到。根据尺度相似性原理，推广到野外，强地展前破裂集结可能会辐射出超低频波，这种超低频波不能被常规的地震仪记录到，但可以被超低频传感器或次声接收器记录到。在地震前，产生前兆的源非常复杂，大多数情况下可能并非脆性破裂，而是塑性蠕滑或者有流体的参与。而后两种情况产生的波的周期会更长，而且缺乏脆性破裂所固有的高频成分，这可能就是多数地震前缺乏前震的原因。     

土星千米波辐射源及磁层内磁力线弯曲

本文提出一个模型,通过此模型得到土星千米波辐射源（Saturn's Kilometric Radiation Source）的分布.这个模型就是：磁层顶的开尔文-亥姆霍兹不稳定性（Kelvin Helmholtz Instability）会导致阿尔芬波沿着弯曲的磁力线传播到土星极区附近,并在这个过程中使土星电离层附近（1Rs高度,Rs为土星半径)的粒子加速沉降,发生回旋不稳定性（Cyclotron Maser Instability）,进而产生R-X模式辐射的非寻常波（Extraordinary wave）.我们认为,极区发生回旋不稳定性的区域就是土星千米波辐射源的区域.本文求出了磁层顶附近开尔文-亥姆霍兹不稳定性发生在土星本地时（Saturn's Local Time）11 LT以前,得出了阿尔芬波沿磁力线传播到土星需要约383 min,求解出向阳面磁力线弯曲了约80°,最后得出土星千米波辐射源分布从黎明段的7～9 LT延伸到傍晚段的18 LT,并且黎明段分布的纬度比傍晚段低.     

太阳风参数对极光电集流中心纬度变化的影响

为了认识并了解磁层能量输入对极光电集流中心纬度变化的影响,本文使用1998-2006年的SuperMAG、OMNI以及EPI数据分别分析了西向和东向电集流中心纬度与行星际磁场Bz分量、太阳风速度、以及极光沉降粒子估算能量的变化特征.研究结果表明:(1)当Bz0时,磁场强度越大,西向和东西电集流中心纬度越低,西向电集流朝晨侧移动,东向电集流朝正午方向移动;(2)在Bz0时,电集流中心主要受太阳风速度控制,当太阳风速度较大时,电集流中心向低纬移动;(3)电集流中心纬度随其强度的变化特征与随EPI的变化特征一致.     

基于频率约束的能量置换面波压制技术

随着油气勘探工作的不断深化,地震资料处理中对地震低频信息重要性的认识越来越深入.低频面波在地震资料处理中作为一种干扰波,常规的区域滤波去除方法,在去除面波干扰的同时,面波区域内有效信号的低频信息也相应得到去除.本文提出的基于频率约束的能量置换面波压制技术,其基本思想是依据面波与有效信号在频率及能量两方面的差异,在面波频宽内对面波进行有效压制.这种方法不仅保证了面波的压制效果,而且几乎不损失面波区域内的低频有效信号,在实际资料的应用中得到了良好的应用效果.