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     

基于全天空极光图像方向能量表征方法的极光事件分类

针对基于全天空极光图像的极光事件自动分类问题,提出一种基于方向能量二元编码重组表征的自动分类方法。首先,通过对多个方向上能量分解来描述极光事件中的局部纹理和各个方向上的运动信息,并且结合分块策略获得极光事件的全局形态信息;然后,借鉴一种二元编码重组的方式对多个方向能量进行融合,从而使得极光事件的表征具有同时表征局部纹理、全局形态和运动信息的能力。该表征方法完全不依赖于极光事件的长度,可用于表征不同持续时间的极光事件,并且不需要复杂的训练过程。利用最近邻和支撑向量机分类器分别对从中国北极黄河站拍摄到的极光图像中挑选的特定极光事件进行自动分类,结果表明,与其他两种典型的动态纹理描述方法相比,本文所提出的表征方法结合最近邻分类器,得到了最好的分类效果,能有效用于极光事件的分析,为海量数据中的极光事件自动分类提供了一种新方法。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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...