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。     

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。     

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...     

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。     

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...     

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,...     

南北极冬季F2层电离层特性对比研究

利用南极中山站和北极Tromso站1996、1997、1998及2002年的测高仪观测数据,对中山站(6月份)和Tromso站(12月份)上空冬季foF2的日变化特性进行了对比研究,结合数值模拟结果,分析了中山站和Tromso站F2层电离层的极区特征,进一步揭示了极区电离层特征的形成机理。结果表明,中山站和Tromso站虽然地理纬度接近,foF2日变化形成机理不完全相同。由于地磁纬度的差异,极区对流与日侧光致电离的相互作用造成了两站日侧电离层的不同变化形态,中山站foF2日变化主峰出现在磁地方时中午附近,而Tromso站foF2日变化主峰出现在地方时正午附近;两站日侧foF2受太阳辐射流量影响较大,极光沉降粒子电离在太阳活动低年对中山站foF2日变化形态影响显著。     

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     

极光区电离层扰动的两种类型

本文从ＥＬＩＳＣＡＴ探测资料确认，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等高度范围完全不同，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）     

前言

<正>极区在空间环境和天文学观测研究中具有非常独特的科学价值。由于地磁场的保护作用,地球除极区外的其他大部分地区都不会受太阳风暴的直接影响;而在极区受到汇聚和近乎垂直进出的地球磁力线位形,使其成为一扇地球开向太空的窗口。太阳风能量粒子进入地球磁层后沿着磁力线沉降到南北极区电离层和中高层大气,产生一系列重要的地球物理现象,诸如极光、亚暴、电离层暴、极盖吸收及对中层大气加热和电离等。这些空间天气过程最先在极区发生,且最为强烈,然后逐步向中低纬地区传播,因此,在地球上也只能在极区开展空间天气探源式观测。在探测宇宙方面,中国南极昆仑站(以下简称昆仑站)的特殊自然环境为人类提供了地球表面观察地外最清晰的视野,尤其在观测红外和太赫兹波段独具优势。我国是世界上拥有最古老极光记录的国家。但也由于远离南北极,我国的极区空间物理观测研究起步较晚,随着我国极地考察事业的发展,经过一代代人的努力,我国已经在南北极建立了自主的空间环境观测系统,     

Post-noon ionospheric absorption observed by the imaging riometers at polar cusp/cap conjugate stations

An example of post-noon ionospheric absorption observed by the imaging riometers at Ny-Alesund / Danmarkshavn in the arctic region and Zhongshan Station in Antarctic is presented. The post-noon absorption observed simultaneously between the hemispherical stations was a spike-type with weak intensity (<1 dB) during the high solar wind dynamic pressure. The absorption spikes might be caused by precipitation of highrenergy electrons (30 - 300 keV) in the closed dayside magnetosphere. It should be noted that the precipitation region of the absorption spike associated with the steep pressure increase (~ 13 nPa) was localized and shifted equatorward.     

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。     

The extremely intense CNA events observed at Zhongshan Station in July, 2000

Using the ground observation data at Zhongshan Station of Antarctica during July 13 to 17, 2000, the intense absorption events associated with the activities of the solar active region R9077 are analyzed. It was shown that an intense polar cap absorption event lasted more than 3 days, which was caused by the solar proton event associated with the X5/3B major flare at 1024 UT on July 13. The polar cap event started at about 1040 UT on July 14, and lasted to about 1940 UT on July 17, with a typical day night variation. At the same time, the intense solar activities extremely disturbed the magnetosphere, therefore aurora substorms occurred frequently. The energetic particle precipitation from the magnetosphere caused several absorption spikes superposing on the background of polar cap absorption. One distinct event is the absorption enhancement that started at about 0300 UT on July 15, reached its peak of 26 dB at about 0645 UT and recovered at about 1110 UT on the same day, which was the strongest absorption event observed at Zhongshan Station since the imaging riometer installed in February, 1997. Another outstanding absorption spike with pulsation occurred at about 1753 UT on 14th, its peak reached to 6 dB.     

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。     

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。     

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。     

极区电离层与磁层-电离层耦合

本文利用欧洲空间局设在北极区的非相干散射雷达系统EISCAT的观测资料讨论磁层-电离层耦合。磁静日和磁暴期间的观测样本比较表明,磁层基本过程对极区电离层有重要影响。这不仅说明极区电离层可看作这些过程的“全景屏幕”,也表明在南、北极区(特别是磁共轭点)进行同时观测的重要意义。文中还对进一步的南极研究课题提出了一些建议。