日侧极光卵的可见光多波段观测特征——中国北极黄河站首次极光观测初步分析

中国在斯瓦尔巴特(Svalbard)群岛新奥尔松(Ny-Alesund)地区建立了一个永久性科学考察站--北极黄河站。北极黄河站(78．92°N,11．93 °E)的修正磁纬为76．24°。2003年11月黄河站建立了一套多波段(427．8nm,557．7nm,630．0nm)单色极光全天空CCD成像观测系统,并于2003年12月11日-2004年2月25日极夜期开展了首次极光越冬观测,获得了1200多小时的连续观测数据。利用这1200多小时观测数据制作了以时间为横轴的南北向极光活动图,对日侧极光卵的极光活动特征进行了研究。初步分析发现,沿日侧极光卵不论磁静日还是磁扰日,在三个波段上都同时观测到了四个重复出现的极光活动区,即0900MLT(磁地方时)附近的 A区、1330MLT的B区和1630MLT的C区以及1200MLT附近的G区。A区内的极光活动由低纬向高纬运动,强度逐渐变弱,形态由较宽的弧状极光向冕状极光演变;B区内的极光活动由高纬向低纬方向运动,形态呈现为冕状极光向较窄的极光弧的演变,极光强度逐渐增强;C区极光活动向高纬方向展宽,强度逐渐变弱,极光由单弧向多重弧演化;而在A与B之间存在一个纬度范围相对较窄的极光活动区G区,该区的极光呈现暗弱的冕状极光。日侧极光活动随时间从午前、正午到午后呈现出一个系统的光谱变化:绿色-红色-绿色。A区的位置出现在卫星探测的午前极光峰之中;而正午附近极光强度暗弱的G区,可部分地解释卫星观测的所谓“正午极光空白区”;卫星观测到的1500MLT附近的“极光热点”区在地面观测中可以区分为以红色极光为主的B区和以绿色极光为主的C区。     

南极中山站极光与地磁场扰动关系的分析

通过观测的极光与地磁扰动之间关系的分析,初步得出了南极中山站夜间（１１～２４ＵＴ左右）强、中、弱极光出现的频次在时间上的分布规律与地磁场扰动的关系,弱极光１０时开始出现, １５时左右频次达到高峰;中等极光１１时开始,１２到１９时出现的频次平稳, ２１到２２时频次达到高峰;强极光１６时开始, ２０到２１时极光频次达到高峰。各类极光出现的频次在时间上的分布与其所对应的地磁场扰动基本上是一致的,弱极光伴随着地磁场扰动幅度小;强极光伴随着地磁场扰动幅度大。极光的开始时间和地磁场扰动的时间不完全对应,这与极光的变化状态有关,这种变化状态受复杂的空间物理过程控制。     

Aurora morphology in the dayside

Day-side aurora phenomena are examined by using TV image data obtained at Ny-Alesund in Svalbard, Godhavn in Greenland and Zhongshan Station,Antarctica. Results are summarized as follows. During the quiet period, in the pre-and post-noon sectors. (1) Weak arc (Sun-aligned arc), (2) Corona aurora and (3) Band aurora are observed in these stations. During disturbed period,Corona aurora and Band aurora are also observed in the pre- and post-noon sectors. However. bright discrete aurora. instead of weak arc (Sun-aligned arc). develops from thc night side oval in the dawn and dusk sectors. Pre-noon corona and post-noon band aurora are observed in the lower latitude as compared with the location of those auroras during the quiet period.     

南极中山站极光形态的统计特征

利用极光全天空摄象机１９９５年和１９９７年在南极中山站观测的极光数据,对中山站上空极光的出现情况进行了统计分析。在南极中山站,午后（磁地方时１４００～１８００ＭＬＴ）和子夜前后（２２００～０３００ＭＬＴ）出现极光的情况比较多,在傍晚（１８００～２２００ＭＬＴ）出现极光的情况要少一些;较强的极光主要也出现在午后和子夜附近。冕状极光主要出现在子夜附近和午后的极向侧和天顶,在傍晚出现很少;带状极光主要出现在午后和赤道侧的傍晚与子夜;极光浪涌主要出现在子夜前后;向日极光弧则主要出现在子夜前后,子夜前比子夜后多,极向和天顶比赤道侧多。除向日极光弧外,其它形态的极光在中山站的出现情况与Ｋｐ指数相关。中山站进入极光带的时间通常在午后,具体时间也与Ｋｐ指数有关     

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。     

基于北极黄河站观测的日侧极光研究新进展

回顾了基于中国黄河站全天空极光观测对日侧弥散极光与喉区极光研究的最新进展。首先,利用黄河站极光观测,对日侧弥散极光展开系统性分类与统计研究,对这一重要空间物理现象取得新认识,指出日侧弥散极光对研究日侧外磁层冷等离子体的分布、形成及磁鞘粒子进入磁层都具有重要启示作用;同时发现并定义了一种新型分立极光结构——喉区极光,并推断其可能对应磁层顶的局地变形。喉区极光是指发生在电离层对流喉区附近、从极光卵赤道侧向低纬方向延伸出来的分立极光结构。全天空极光观测表明喉区极光走向大致与电离层对流方向一致。之后,观测验证了喉区极光对应磁层顶局地内陷式变形的推测;统计发现喉区极光是一种非常高发的现象,对应的磁层顶变形尺度可达2—3 Re,并指出这种变形最可能由磁鞘高速流冲击磁层顶产生;发现在喉区极光产生过程中还可能触发磁重联;证实伴随喉区极光的产生,磁鞘粒子会进入磁层并诱发产生一种新型弥散极光。通过喉区极光研究,可以将已有的磁鞘瞬态过程研究和触发式磁重联研究有机地结合在一起,对太阳风-磁层耦合过程形成一种新的认识,即:在磁鞘中局地产生(而不是存在于太阳风中)的瞬态过程可以在日下点附近频繁地导致磁层顶局地变形、触发重联、引发系列地球空间效应,可能对太阳风-磁层耦合具有不可忽略的重要性。以此为基础,讨论了日侧极光研究引出的新课题。     

Observations of Acoustic Aurora in the 1–16 Hz Range

Summary Acoustic aurora have been heard by long-term residents of the artic. They have also been recorded on microbarographs. Acoustic events associated with aurora are now reported in the near infrasonic range (1–16 Hz) at Barrow, Alaska. These observations were made with the aid of a resonant detector achieving a high signal-to-noise ratio similar to that used in extending the rocket-grenade technique to 109km. Over 100 impulsive events of a quasi-repetitive nature were recorded on a patrol basis during January 1970. Acoustic events were correlated with disturbed magnetic conditions and optical aurora but uncorrelated with lower-frequency auroral microbarograph events at College or Inuvik.
It is hoped that these initial observations will persuade interested parties to a more complete study of this phenomena and encourage an explanation of the generation mechanism for auroral infrasonic waves.     

东南极内陆地区和乌鲁木齐河源1号冰川表层雪内NO^—3沉积后过程差异

酸性气体成分（如ＮＯ－３）的强挥发性导致其在雪面沉降后,具有沉积后气／雪交换作用,即其在表层雪内是“可逆”沉降的。通过比较东南极内陆雪坑的ＮＯ－３剖面和乌鲁木齐河源１号冰川表层雪内ＮＯ－３的浓度变化,认为沉积后气／雪交换作用在东南极内陆较显著,而在乌鲁木齐河源１号冰川则不然。表层雪内ＮＯ－３存在方式的不同和沉降机制的差异应是导致两地ＮＯ－３沉积后过程差异的原因所在。     

The Auroral Station in Adventdalen, Svalbard

This paper describes the Auroral Station in Adventdalen near Longyearbyen, Svalbard (78°N, 15°E). The main instruments at the site are for optical observation of aurora and airglow, but magnetic and radar observations are also carried out. Emission spectra show the difference between the dayside and nightside optical aurora. A newly compiled mesospheric temperature series from the station is also presented, derived through 20 years of spectral measurements of the hydroxyl airglow layer.     

The auroral occurrence over Zhongshan Station, Antarctica

The auroral data observed by all sky TV camera during 1995 and 1997 at Zhongshan Station of Antarctica are used to analyze the statistic characteristics of the aurora over Zhongshan Station. Around postnoon (1200 - 1600UT ) and midnight (2000 - 0100 UT ), the aurora appears more frequently and stronger than those in evening (1600- 2000UT ). The corona type auroras mainly occur at poleward and overhead of Zhongshan Station during postnoon and around midnight. The hand type auroras mainly appear during postnoon. while during evening and around midnight only appear at equatorward. The active surges mostly appear around midnight,while the transpolar arcs mainly occur after midnight. Except for the transpolar arcs. the occurrences of the other three type auroras are related with Kp index. Usually Zhongshan Station enters the auroral oval at postnoon,the exact time depends on Kp index.     

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。     

午后多重极光弧观测研究

本文利用2001-2003年南极中山站175天全天空摄像机观测,对午后多重极光弧的出现率及其与Kp指数的关系进行了统计分析,结果表明午后多重极光弧出现率呈一单峰分布,最大发生率出现在1445UT(1645MLT),其位置在1500MLT极光热点(1300-1700MLT)近夜侧的部分。与地磁活动指数Kp的相关统计分析表明,Kp值为2-3之间时多重极光弧有较大的出现率,这说明中等地磁活动情形下午后多重极光弧有较高的出现率。事件分析表明多重极光弧的强度变化与地磁Pc5脉动具有较高的相关性,并且有类似的频谱特征,这说明午后多重极光弧可能与同时出现的Pc5地磁脉动有关。     

极尖纬度午后极光嘶声的极大发生率

极尖纬度午后区是一个异常等离子体过程区，已发现该区在低地磁扰动条件下，多种空间物理现象活动强度极大（相对邻区）：强的向上场向电流，向下低能电子流极大，向上离子通量极大，Ｆ层电子密度极大等等。导致该区异常的根本原因尚不清楚。本文利用南极点站（磁纬约７５°）的极光嘶声的电场强度进行统计分析，发现该区３１－３８ｋＨｚ波段极光嘶声的发生率极大。本文还分析了该区极光嘶声发生率与地磁活动指数Ａｐ的关系，结果表明，它们之间有明显的相关关系。     

Determination of apparent bulk velocity of auroral images

In this paper we use a correlation analysis technique of random pattern to calculation of shift velocity of auroral image. The velocity thus obtained is a kind of apparent "average" velocity of whole image. instead of the velocity of some certain points or parts in the auroral pattern. The technique is used to an example of aurora australis recorded at Zhongshang Station of Antarctica in 1997. The typical velocity of the auroral pattern for the studied cases is about 3 km/s.     

Prospect of China' s Auroral Fine-structure Imaging System(CAFIS) at Zhongshan station in Antarctica

A new auroral imaging system is reported which is planned to be deployed at Zhongshan Station in Antarctica in the end of 2009.The system will focus on study of optical auroras in small scales and be called China' s Auroral Fine-structure Imaging System(CAFIS).The project of CAFIS is carried out by support of 'the tenth five-year plan for capacity building' of China.CAFIS will be a powerful ground-based platform for aurora observational experiments.Composing and advantages of CAFIS are introduced in this brief report.Some potential study topics involved CAFIS are also considered.     

基于聚类的极光形态分类的探索性研究

极光形态为研究日地物理过程提供了显著、直观和具有可识别性的特征。合理分类对研究各类极光现象与磁层动力学过程之间的关系尤为重要。极光形态分类机制的选择问题是极光有监督分类研究被主要诟病的问题之一。有监督分类实验中人工标记的工作量非常浩大,而且不能保证标记的准确性。更重要的是,高分类正确率只能说明自动分类符合人的认识,有监督分类结果无法验证分类机制的正确性。现有的分类机制是否为极光数据空间的真实划分,是否存在更为合理的分类机制都是我们应该探讨的问题。针对该问题,基于已有的全天空极光图像表征方法,引入聚类算法探究极光特征空间的结构,利用了9种聚类有效性函数选择适合极光数据的聚类个数。实验结果表明,对于从2003—2004年北极黄河站观测的全天空极光数据中随机选取的6 000幅极光图像,两类和四类的划分方式最为合适。两类的划分可以看作是分离度较好的极光类型,并且根据两类分布曲线呈现午前-午后双峰的分布特点,这一类极光可能是弧状极光。对于四类的情况,虽然通过肉眼观察无法用一幅典型的极光图像代表每一类,但是这些由聚类得出的极光类型具有各自的时间分布特点,这一结果从无监督的角度证明了极光类型在形态上是可分的。     

基于卷积神经网络的极光图像分类

极光是由带电粒子经磁层—电离层碰撞大气而产生的。面对形态各异、演变过程复杂的极光图像,对其合理分类为进一步探究日地电磁活动和能量耦合等空间物理问题奠定了基础。针对该问题,引入深度学习的方法,通过卷积神经网络模型自主表征极光特征并实现极光图像分类。该方法对2003年北极黄河站越冬观测的38 044幅和8 001幅典型极光图像分类正确率达93.17%和91.5%;自动识别2004—2009年观测数据的极光形态,4类极光时间分布规律与三波段激发谱能量分布基本一致。实验结果表明,基于卷积神经网络的极光表征方法,能有效实现极光图像的自动分类。     

南极中山站极区空间环境观测系统

中国南极中山站位于极隙区纬度,可以观测到丰富的日地能量传输过程的电离层征兆和极光现象,非常适合开展极区空间环境观测研究。自1989年开始建设以来,中山站极区空间环境观测系统经历了观测设备的不断完善和发展,现已建立了涵盖地面极光、电离层和地磁观测多要素、多手段的自主观测体系,实现了极区空间环境的连续监测并建立了数据库。所有观测设备的运行状态可实时监控,地磁、宇宙噪声吸收等数据实现了准实时远程传输。最后展望中国极区空间环境观测研究的发展前景。     

中山站成像式宇宙噪声接收机观测结果的初步分析

介绍了成像式宇宙噪声接收机在中山站的部署,分析了首批观测数据,得出中山站区宇宙噪声静日曲线。分析表明,观测期间中山站区的宇宙噪声吸收事件夜间与白天显著不同。在夜间,吸收事件呈脉冲式,持续时间为数分钟,吸收区域常在站区北侧出现,沿东西方向伸展;在磁中午附近,吸收事件持续时间在１小时以上,吸收区域南北侧较强,中央较弱。可以认为,夜间吸收区域对应着极光带,其吸收由极光粒子沉降引起;在磁中午,吸收区域对应着极隙区,其吸收可能与极隙区粒子沉降和对流有关。     

南极中山站DPS-4电离层测高仪的中层夏季回波统计分析

The vertical temperature profiles of snow and sea ice have been measured in the Arctic during the 2nd Chinese National Arctic Research Expedition in 2003(CHINARE2003).The high-resolution temperature profile in snow is solved by one-dimensional heat transfer equation.The effective heat diffusivity,internal heat sources are identified.The internal heat source refers to the penetrated solar radiation which usually warms the lower part of the snow layer in summer.By temperature gradient analysis,the zero level can be clarified quantitatively as the boundary of the dry and wet snow.According to the in situ time series of vertical temperature profile,the time series of water content in snow is obtained based on an evaluation method of snow water content associated with the snow and ice physical parameters.The relationship of snow water content and snow temperature and temporal-spatial distribution of snow water content are presented