磁暴期间环电流离子增长与磁尾离子注入的因果时序探测研究

TC-2卫星上的中性原子成像仪(NUADU)在2005年5月15日磁暴期间(并伴随有系列亚暴事件)记录了反映环电流离子连续变化的能量中性原子(ENA)图像探测数据.比较由中性原子图像反演的4 min时间分辨的环电流离子空间分布与地球同步轨道LANL系列卫星(环绕赤道面~6.6 RE)上同步轨道粒子分析仪(LANL-SOPA)原位离子通量探测数据,以及相同高度的同步系列卫星GOES的磁场数据,发现环电流区离子通量增长发生在磁力线尾向拉伸的亚暴增长相阶段,而不是发生在磁场偶极化之后.这一发现挑战了以往的环电流离子注入是磁场偶极化时由磁尾直接注入的概念,但仍需更多的观测实例进一步认证.     

地磁亚暴期间低高度ENA辐射事件的抵近观测与反演

2004年11月12日的系列地磁亚暴期间, TC-2卫星上的中性原子成像仪(NUADU)在飞临近地点附近的南、北极上空观测到低高度能量中性原子(ENA)辐射.通过对高时空分辨探测数据的反演,我们首次给出亚暴期间环电流能量离子沉降和注入过程的全球视场展示,展示的时间分辨率高达1min.探测结果表明,观测到的ENA辐射主要来自低高度、高纬极区.由于沉降能量离子沿磁力线运动,在该区域通过电荷交换产生ENA的几率更大.因此,利用低轨道卫星探测高时间和高空间分辨率的ENA成像数据是监测地磁活动期间环电流离子动力学过程演化的最佳方法.     

利用差分体像素CT由TWINS卫星ENA成像反演暴时环电流离子三维分布

本文将体像素CT方法应用于TWINS卫星高能中性原子立体成像数据,重建环电流离子通量强度三维分布.为了克服卫星ENA成像可能存在的仪器偏差造成反演误差增大甚至迭代发散无解的问题,发展了差分ENA体像素CT反演方法.采用环电流离子分布理论模型和实际卫星观测几何构形进行模拟检验,证明了该方法的可靠性和优越性.利用此方法分析2012年7月15日磁暴(min Dst=-133nT)主相期间TWINS两颗卫星的实测ENA数据(能量范围4keV~50keV),反演得到环电流离子微分通量随L值/纬度/地方时的三维分布与能谱.所得离子通量呈现显著不对称的部分环电流特征,主要分布在低纬-赤道区磁午夜前后至黎明前数小时,L值约为3.5~6.5的区域;将反演得到的磁午夜后赤道区环电流离子通量能谱,与THEMIS卫星当地测量得到的此区域同时的能谱作比较,两者符合得很好;证明本文发展的差分体像素CT是由多卫星ENA二维图像重建暴时环电流离子分布的有效方法.     

基于中性原子通量数据的磁暴期间环电流研究

本文通过分析两次大磁暴期间的中性原子(ENA)通量数据,试图揭示环电流离子通量的变化规律,进一步探讨环电流的形成和损失机制,以及磁暴和亚暴的关系.两次磁暴期间ENA通量的变化呈现出一些重要的特征:(1)通量随能量的增高而快速降低,磁暴主相期间高能端通量所占比重增大;(2)通量比例曲线的起伏远比通量曲线的起伏要平缓;(3)通量的起伏与AE指数之间没有简单的对应关系;(4)磁暴恢复相开始前,ENA通量出现短时间的猛烈增长,特别是低能端通量的增长异常迅速;(5)Dst/SYM-H指数快速恢复期间,ENA通量的变化表现为两个完全不同的阶段:先降低,后增大.忽略影响ENA通量的其他次要因素,ENA通量的上述特征直接反映了环电流的发展规律.环电流离子通量随能量的增高快速下降,磁暴主相期间可能由于高能O⁺的增加使得能谱有所变硬.离子主要受南向行星际磁场(IMF)所引起的对流电场的驱动注入到环电流区域,通量的变化大体上是无色散的.亚暴活动与环电流的增长没有直接的因果关系,但亚暴活动会引起环电流离子通量的短时间尺度波动.恢复相开始前,环电流离子在昏侧区域发生堆积,使得局部离子通量变大.这可能是由于屏蔽电场的形成削弱了内磁层对流电场,造成离子在磁层顶的逃逸损失过程减弱.在Dst/SYM-H指数的快速恢复期间,环电流离子通量的衰减速度也可能发生阶段性变化.这说明Dst/SYM-H指数并不能准确反映环电流的强度,环电流的衰减过程可能具有比先快后慢更为复杂的阶段性模式.     

一次大磁暴主相期间ENA氧与氢的分离及分布特征——TWINS卫星观测

本文采用基于ENA(Energetic Neutral Atoms)次生电子起始脉冲高度分布,统计拟合分离中能段ENA两种主要成分氢和氧的方法,研发了实现ENA氢与氧分离的TWINS卫星原始数据处理软件;其中所需要的脉高分布模型,参照已有理论公式,利用TWINS(Two Wide-angle Imaging Neutral-atom Spectrometers)卫星标定数据进行拟合确定未知参数,再加以计算得到.将上述方法用于TWINS卫星实测数据,分离得到一次大磁暴主相期间ENA-H和ENA-O微分通量随观测视线的分布及其随主相增长的变化.分析发现:(1)ENA-H与ENA-O微分通量的强度和随观测视线的分布特征都有明显差别,从某种角度反映出ENA之源的O~+与H~+离子强度和分布之间的差异;(2)接近主相极大时,ENA-H有很强的低高度发射(LAE,Low Altitude Emission),出现在磁地方时午夜前极光和亚极光纬度区,意味着该区域较强的等离子片和环电流质子沉降,进入到外层基底以下较低高度大气层;而ENA-O则未有明显LAE产生;ENA-O强通量观测视线主要穿过广大环电流区,磁地方时主要在午夜之后以及黄昏前和黎明前后;(3)在磁暴主相快速增长期,ENA-O平均总通量持续增大,而ENA-H同步减小,ENA-O与ENA-H平均总通量的比率随环电流指数Dst绝对值的增大而大致成正比增长.     

2004年11月磁暴期间环电流的演化过程——TC-2卫星中性原子成像仪观测结果

本文通过对TC-2卫星上搭载的中性原子成像仪(NUADU)在2004年11月发生的一次大磁暴期间观测到的一系列中性原子(ENA)图像的分析,试图给出环电流在磁暴期间的演化模式.研究表明,南向的行星际磁场(IMF)分量在离子从磁尾向内磁层注入和随后的环电流增长过程中起着关键的作用.IMF转为北向后,离子注入随即很快停止.在离子注入增强期间,离子的漂移路径是开放的,以致大量环电流离子从黄昏侧注入后快速地损失在黄昏至正午的磁层顶.所以,环电流往往在离子漂移路径从开放变为封闭后才达到最大强度,而不是在这之前,尽管那时的离子注入强度更大.在该磁暴主相期间,离子注入发生在17∶00~22∶00 LT范围内,形成极其不对称的环电流分布形态.而在恢复相期间,由于受大的IMF B_y分量的影响,离子注入区的地方时分布范围东向扩张.对称环电流在磁尾对流减小、离子漂移路径变为封闭形态之后形成.在磁暴恢复相后期,从ENA图像看环电流基本衰减到平静时期的水平,而Dst指数仍然显示较强的磁扰动,这说明越尾电流对Dst指数有很重要的影响.     

地磁活动与太阳活动对环电流离子成分与位置的影响

根据CRRES卫星上MICS离子成分探测器的观测资料以及前人有关AMPTE卫星的观测数据，研究了地磁活动和太阳活动性对环电流成分以及各种环电流离子的最大通量位置的影响. 观测表明相对于地磁平静时期，在地磁活动的活跃时期，环电流中O+、He++和He+离子的数密度和能量密度占环电流总数密度和总能量密度的份额增加，相反H+离子所占的比例却明显减少. 太阳活动极大年时环电流中H+离子丰度比极小年时低，而O+和He++离子的丰度却比太阳活动极小年时高. 卫星数据观测还表明，在地球磁暴期间，环电流中O+离子和He+离子的最大通量位置会随着地磁的活动径向移动，平均来看太阳活动极大年的能量粒子最大数密度位置距离地球比极小年时约小0.5RE （RE 为地球半径）.     

2011-2015年辐射带电子动态FY-3B卫星实测结果

FY-3B卫星为轨道高度约800 km,倾角98°的极轨气象卫星,星上高能电子探测器可开展宽能谱、高时间分辨的电子辐射长时间连续监测.20112015年极低太阳活动周期内,FY-3B卫星高能电子探测器对0.15～5.7 MeV不同能量高能电子在南大西洋异常区以外的辐射带区域的观测结果显示:在所有的辐射带区域,低能量的电子比高能量的电子更容易出现增强,填充槽区和进入到内带更低L区域的可能性更大.0.15～0.35 MeV的电子长期充斥于外辐射带和槽区,而1 MeV以上的电子大部分时间分布于外辐射带,在太阳风速度、地磁活动极弱的2014年呈现长时间极弱通量水平.2015年频繁增强的扰动导致电子通量水平整体升高,空间分布大范围扩散,1 MeV以上能量的电子在槽区位置也出现了分布.分析2014.5.10-7.30和2015.5.10-7.10两个典型时段内扰动参数对电子通量在不同区域动态分布的影响,结果表明:电子通量在外辐射带外边界区域动态与太阳风起伏变化关联显著.AE＜300 nT,Dst＞-30 nT,SW＜500 km·s-1的持续长时间低水平扰动条件下,电子通量分布内边界出现在不低于L～4的位置,通量峰值出现在靠近L～5的位置;而在太阳风速度和地磁活动显著活跃的时候,电子会穿越外辐射带深入到槽区,在外辐射带的通量峰值则出现在L约3.5～3.9的位置.2015年的3月和6月两起强磁暴使得电子向更低L注入,＞1 MeV以上的电子在低至L～2.8的槽区出现显著增长.在极低通量水平下,AE指数短时增加超过300 nT的亚暴活动会导致0.15～0.35 MeV电子超过1个量级的增长变化.上述结果对于准确认识辐射带电子不同时期的基本特性、发现能量电子动态潜在的基本物理过程,构建更准确的辐射带电子模型有着重要的参考意义.     

FY2G卫星新一代高能带电粒子探测器观测数据分析

风云二号系列卫星是我国开展动态空间天气事件和空间环境监测及预警业务的重要观测平台,各系列星上均安装有高能带电粒子探测仪器开展卫星轨道空间带电粒子辐射环境连续实时的动态监测.FY2G卫星于2015年1月发射,星上采用了全新的高能粒子探测器,包括:一台高能电子探测器可监测200keV-4 MeV的高能电子,一台高能质子重离子探测器可监测4~300 MeV的高能质子,从而实现对带电粒子更宽、更精细能谱的监测.本文给出了FY2G高能带电粒子探测器在2015年1月至2015年10月期间几起典型的带电粒子动态观测结果,结合太阳和地磁活动相关参数,对高能带电粒子通量在亚暴、磁暴和太阳爆发等扰动影响下细节变化过程和特征作出了较为详细的分析描述,展现了FY2G卫星高能带电粒子探测器对轨道空间粒子环境动态变化的准确响应能力,表明观测数据可开展更加精细的轨道粒子环境评估.针对FY2G高能带电粒子探测结果进一步开展了与GOES系列卫星同期观测的比对分析,结果反映出在较小的扰动条件下多星观测到的带电粒子响应和通量变化可基本趋于一致或保持相对稳定的偏差,而扰动条件的显著变化会加大多星观测带电粒子响应和通量变化的差异,这些结果可为今后开展多星数据同化应用提供参考,也为发展磁层对扰动响应的更加复杂的图像提供了新的可能.     

用AE-D卫星近地点上观测的n(He)估算湍流层顶高度

文分析了AE D极轨卫星近地点的变化及其相应的大气膨胀和密度分布情况. 在高度相同情况下, 中低纬区热层底部的大气密度比高纬区大, 卫星受阻也就更大, 从而卫星近地点的高度在中低纬区比高纬区要低、白天比夜间低. 采用近地点上的n(He)观测资料, 根据大气数密度在低层内均匀混合和高层内扩散分离的不同垂直分布特征, 粗略地估算出湍流层顶的高度Zt及其变化. 高纬区内Zt高低与纬度几乎无关, 但对磁暴的响应十分明显. 中低纬区内, Zt随纬度减小而增大; 白天地区Zt大于夜间, 而与磁暴的关系不大.     

地球空间双星探测计划

地球空间双星探测计划包括两颗小卫星,将分别运行于目前国际上地球空间探测卫星尚未覆盖的近地赤道区和近地极区.双星计划的主要科学目标是用高分辨率的仪器在近地空间的主要活动区探测场和粒子的时空变化;研究磁层亚暴、磁暴和磁层粒子暴的触发机制及磁层空间暴对太阳活动和行星际扰动的响应过程;建立地球空间环境的动态模式.为了实现科学目标,赤道卫星和极区卫星上各载有9台探测仪器.赤道卫星的轨道是:近地点550km,远地点60000km,倾角约2.5°;极区卫星轨道是:近地点350km,远地点25000km,倾角约90°左右.为了使双星计划与欧空局ClusterⅡ相配合,赤道卫星计划于2002年12月发射,极区卫星计划于2003年6月发射.双星计划与ClusterⅡ相配合,可形成地球空间6点探测计划,这将成为21世纪初国际上重要的地球空间探测计划.     

The causal sequence investigation of the ring current ion-flux increasing and the magnetotail ion injection during a major storm

Comprehensive records are available in ENA data of ring current activity recorded by the NUADU instrument aboard TC-2 on 15 May, 2005 during a major magnetic storm(which incorporated a series of substorms). Ion fluxes at 4-min temporal resolution derived from ENA data in the energy ranges 50–81 and 81–158 ke V are compared with in situ particle fluxes measured by the LANL-SOPA instruments aboard LANL-01, LANL-02, LANL-97, and LANL-84(a series of geostationary satellites that encircle the equatorial plane at ~6.6 R_E). Also, magnetic fields measured simultaneously by the magetometers aboard GOES-10 and GOES-12(which are also geostationary satellites) are compared with the particle data. It is demonstrated that ion fluxes in the ring current were enhanced during geomagnetic field tailward stretching in the growth phases of substorms rather than after Earthward directed dipolarization events. This observation, which challenges the existing concept that ring current particles are injected Earthward from the magnetotail following dipolarization events, requires further investigation using a large number of magnetic storm events.     

Close up observation and inversion of low-altitude ENA emissions during a substorm event

During a series of substorm events on November 12 2004, the Neutral Atom Detector Unit(NUADU) flying onboard the TC-2 spacecraft observed, close to perigee, bright low-altitude Energetic Neutral Atom(ENA) emissions from both north and south poles. Through utilizing high temporal and spatial resolution data inversion techniques we present here a global view the associated processes of energetic ion deposition and injection at the uniquely high temporal resolution of a few minutes. It is demonstrated that the ENA emissions observed came mainly from the, low-altitude, high magnetic latitude polar region. Since precipitating ions follow magnetic field lines and have more chance to produce ENA emissions through charge exchange there.Therefore, the employment of a low-orbit satellite to record at high temporal and spatial resolution ENA image data is inferred to be the best way to monitor those dynamic ring current variations that occur during geomagnetic activity.     

Relativistic electron enhancements,magnetic storms,and substorm activity

The relativistic electron fluxes of the Earth's outer radiation belt are subjected to strong temporal variations. The most prominent changes are initiated by fast solar wind streams impinging upon the magnetosphere, which often also cause enhanced substorm activity and magnetic storms. Using 4 years of data from the particle detector REM aboard the UK satellite Strv-1b in a GTO, we investigated the relation between these different appearances of geomagnetic activity. A typical sequence is that there is a drop in the relativistic electron intensity during the main phase of the magnetic storm and a successive enhancement during the recovery phase which sometimes leads to much higher than pre-storm fluxes. Whereas the flux drop is well correlated with the magnetic storm intensity and is mainly due to the deceleration and loss of particles caused by the ring-current-induced magnetic field changes, there is only a bad correlation between the post-storm electron flux and Dst. As we show here, it is much more the level of substorm activity during the whole event which determines the size of the flux enhancements.     

Modeling studies of the upper ocean response to a tropical cyclone

A coupled ocean and boundary layer flux numerical modeling system is used to study the upper ocean response to surface heat and momentum fluxes associated with a major hurricane, namely, Hurricane Dennis (July 2005) in the Gulf of Mexico. A suite of experiments is run using this modeling system, constructed by coupling a Navy Coastal Ocean Model simulation of the Gulf of Mexico to an atmospheric flux model. The modeling system is forced by wind fields produced from satellite scatterometer and atmospheric model wind data, and by numerical weather prediction air temperature data. The experiments are initialized from a data assimilative hindcast model run and then forced by surface fluxes with no assimilation for the time during which Hurricane Dennis impacted the region. Four experiments are run to aid in the analysis: one is forced by heat and momentum fluxes, one by only momentum fluxes, one by only heat fluxes, and one with no surface forcing. An equation describing the change in the upper ocean hurricane heat potential due to the storm is developed. Analysis of the model results show that surface heat fluxes are primarily responsible for widespread reduction (0.5°–1.5°C) of sea surface temperature over the inner West Florida Shelf 100–300 km away from the storm center. Momentum fluxes are responsible for stronger surface cooling (2°C) near the center of the storm. The upper ocean heat loss near the storm center of more than 200 MJ/m² is primarily due to the vertical flux of thermal energy between the surface layer and deep ocean. Heat loss to the atmosphere during the storm’s passage is approximately 100–150 MJ/m². The upper ocean cooling is enhanced where the preexisting mixed layer is shallow, e.g., within a cyclonic circulation feature, although the heat flux to the atmosphere in these locations is markedly reduced.