基于Van Allen Probes EMFISIS波动仪器观测的内磁层下频带哨声合声波全球分布的统计分析

基于Van Allen Probes近三年的EMFISIS仪器波动观测数据,对内磁层下频带哨声模合声波幅度的全球分布特性对地磁活动水平的依赖性进行了详细的统计分析,着重研究下频带合声波平均场强幅度随磁壳值L、磁地方时、地磁纬度的分布特征及不同强度区间的合声波的发生概率.结果表明,下频带合声波的波动强度与地磁活动密切正相关,处于强磁扰期间的合声波具有更大的振幅,其发生率与地磁活动强度具有同样的正相关特性.下频带合声波主要发生于午夜至下午的磁地方时区间,其余的磁地方时时段下频带合声波较弱.赤道面附近的下频带合声波主要分布在夜侧至黎明这一时段内,随着磁纬度的增加逐步向日侧扩展.下频带合声波在午夜侧（21-03 MLT）主要出现在15°的磁纬范围内,在晨侧（03-09 MLT）可以到达15°磁纬甚至更高纬度.下频带合声波主要发生于L=~4.5的附近区域.随着地磁活动的增加,下频带合声波所覆盖的L-shell空间区域增大,趋势为向高、低L值区域同时扩展.建立的下频带哨声合声波的全球分布模型将有助于进一步深入理解该重要磁层波动对辐射带电子的波粒作用散射效应和对辐射带动力学过程的定量贡献.

     

哨声模波对高能电子槽区和外辐射带的调节作用

本文利用磁层哨声模嘶声和合声波的幅度分布模型、近赤道背景电子(能量在eV量级)的数密度分布模型和IGRF10磁场模型建立了一个高能电子(能量大于50 keV)准线性扩散模型.模型的数值结果表明,在不同的地磁条件下,等离子体层顶位置的变化改变了磁层背景电子数密度的空间分布,从而改变了哨声模嘶声对高能电子有效的投掷角扩散（损失）区域,同时也改变了哨声模合声波对高能电子有效的动量扩散（加速）区域.哨声模嘶声对电子投掷角扩散区域的变化和RRES卫星探测到的高能电子的槽区变化是一致的,而合声波对电子的动量扩散区域的变化和卫星探测到外辐射带的变化相同.这种对应关系说明：在不同的地磁条件下,哨声模波对高能电子扩散区域的变化是造成高能电子槽区和外辐射带的空间位置和大小变化的一个重要因素.在一些强磁暴期间,由于嘶声对部分能量范围电子的投掷角扩散作用消失,这些电子的槽区也随之消失,从而使内外辐射带连接在一起.     

基于JUNO卫星WAVES仪器波动数据的木星磁层哨声波分析研究

等离子体波的空间分布在木星磁层高能电子动力学过程中起着重要的作用.现有大多数对木星磁层哨声波的观测仅限于|λ|≤ 15°的磁纬范围内,但是最新的JUNO卫星WAVES仪器提供的波动数据使得更高纬度、更广区域范围内的等离子体波动分布研究成为可能.本文通过对JUNO卫星WAVES仪器数据进行分析处理,详细研究了木星磁层哨声波的空间分布特性.观测表明,存在位于高L_J、高磁纬的木星磁层哨声波,它们广泛分布于距木星中心距离35~75个木星半径、磁纬为|λ|≤ 30°的空间区域.分析研究发现,WAVES仪器观测的木星磁层哨声波幅度一般为几个pT,远小于地球磁层哨声波的强度.木星磁层哨声波幅会随着L_J的增大缓慢增加,也会随着磁纬的减小趋向平缓变化.基于以上观测事实,本文利用指数幂函数分别拟合得到木星磁层哨声波幅随L_J和磁纬变化的经验模型.该模型将有助于精确理解哨声波对木星磁层高能电子动力学过程的重要影响.

     

日侧伴随电子加速的离子上行事件的分布特征

本文基于2005年1月和7月DMSP F13卫星的观测数据, 研究了日侧伴随电子加速的顶部电离层离子整体上行事件的分布特征.结果表明, 离子上行主要发生在磁纬70°~80° MLAT范围内, 加速电子磁层源区对应低纬边界层和等离子体片边界层; 冬季上行存在明显的"晨昏不对称性", 主要发生在晨侧(06∶00—09∶00 MLT), 夏季上行主要发生在磁正午(09∶00—15∶00 MLT), 以磁正午为中心近似呈对称分布, 并且冬季离子上行发生率显著高于夏季; 离子上行发生率在中等地磁活动时期显著增强, 上行区域随着地磁活动的增强向低纬度方向扩展; 行星际磁场Bx>0时, 对应等离子体片边界层13∶00—18∶00 MLT和06∶00—09∶00 MLT区域内上行发生率增加, 行星际磁场By的方向会导致上行高发区以磁正午为中心发生反转, 行星际磁场南向时, 上行发生率增强; 冬季离子上行平均速度高于夏季.     

磁宁静期核心等离子体层电子密度分布的统计研究

等离子体层已有数十年研究历史,但对其核心等离子体区域却一直没有一个相对准确的界限和模型定义.基于范阿伦辐射带卫星RBSP-A在2012年9月18日至2014年10月13日约两年的观测,我们统计研究了磁宁静期间核心等离子体层电子密度随磁地方时（MLT）及磁壳指数（L-value）的分布特征.发现了核心等离子体层电子密度在不同MLT条件下随L值的变化趋势几乎一致,但与以前的等离子体层经验模式计算的电子密度存在较大的偏差.在不同L值下电子密度随MLT的变化趋势也相差不大,而且随MLT存在明显的逐日和半日变化.最后我们获得了等离子体层电子密度随L值和MLT变化的经验公式.研究结果对空间等离子体层建模及研究具有重要的意义.

     

同步轨道磁场和地面磁场对太阳风动压变化事件的响应

本文对磁宁静时的123个动压变化事件(不包含激波事件)进行了统计研究.研究表明,在白天侧(9~15MLT)同步轨道磁场z分量对太阳风动压增大、减小事件具有较强的正响应,而在夜侧(21~3MLT)响应明显减弱,响应幅度具有明显的磁地方时分布.对动压增大事件的平均响应幅度在午前最大,而对动压减小事件的平均响应幅度在午后达到最大.在白天侧,同步轨道磁场z分量响应幅度与太阳风动压上下游均方差有较好的线性正相关,两者比值随磁地方时具有明显的分布变化;对于同样的动压变化白天侧响应明显强于夜侧.地磁指数SYM-H响应幅度对太阳风动压上下游均方差具有明显的依赖关系,统计结果显示磁层压缩较强时,两者相关性较好.在白天侧,地磁指数响应幅度与同步轨道磁场z分量响应幅度具有明显的线性相关,晨昏侧相关性减弱,夜侧无明显相关.     

基于张衡一号卫星波动观测的人工甚低频台站信号特征统计分析

地基人工甚低频(10~30 kHz)台站信号可以穿透电离层, 甚至泄露进地球磁层, 从而导致内辐射带高能电子的沉降.研究人工甚低频台站信号的特征对于研究辐射带电子的损失具有重要的科学意义.基于张衡一号卫星2019—2022年的电场观测数据, 本文对全球10个人工甚低频台站在电离层中的信号特征进行了研究, 统计分析了电离层中人工甚低频台站信号的昼夜差异、季变规律、对地磁活动水平的依赖性, 及其在地磁共轭区的分布特征.结果表明, 人工甚低频台站信号会传播至台站上空电离层及其共轭区, 信号辐射范围及强度与台站的发射功率呈正相关.电离层电子密度对甚低频信号的传播具有重要影响, 在夜侧和当地冬季, 电离层电子密度相对较小时, 泄露进入内磁层的人工甚低频台站信号较强, 而信号强度受地磁活动影响很弱.在台站上空, 信号增强区域以穿刺点为中心呈现近圆形分布, 并存在明显的波模干涉效应, 在共轭半球, 信号增强区域中心相对共轭穿刺点会发生极向漂移(L＜2的台站)或赤道向漂移(L＞2的台站), 但所有台站的电波能量都被限制在1/2赤道电子回旋频率磁壳以内的区域.这些统计观测特征表明, 发射台站位于较低L值(L＜1.4)的人工甚低频台站信号在内磁层中主要以非导管模式传播到共轭半球, 而发射台站位于较高L值(L＞2.6)的人工甚低频台站信号主要以导管模式传播.

     

外辐射带区域新建地磁场经验模型的定量研究

准确的磁场模型对于辐射带粒子环境研究至关重要.本文利用美国Van Allen Probes（VAP）在2012至2018年期间测量的磁场数据和GOES15在2011至2017年期间测量的磁场数据,定量地评估了三个较新的外磁场经验模型（TS05、TA15和TA16）对外辐射带区域（3~6.6R_E）磁场的描述性能.本文选择预测效率（Prediction Efficiency,PE）作为评估指标,定量分析各模型在不同空间范围（Lm值）、不同地磁活动水平（Kp）以及不同磁地方时（MLT）下的性能表现,并且计算了观测磁场与模型磁场的夹角θ,以评估模型的磁场方向预测能力.结果表明：PE随Lm值增大,随地磁扰动增强而下降;θ随Lm值增大,随地磁扰动增强而增大.在Lm=5~6.5R_E范围内,PE呈现晨昏不对称性,MLT=12-21时的PE值小于MLT=0-9时的值,说明三个磁场模型可以较好地描述晨侧磁场的强度,但它们并不能很好地反映下午至昏侧磁场的大小;在地球同步轨道附近（Lm~6.6R_E）,PE呈现昼夜不对称性,MLT=9-15时的PE值大于其他时区的值,说明三个磁场模型可以很好地反映昼侧磁场大小,但在夜侧可能存在较大的误差.θ在MLT=6-12时的值小于其他时区的值,呈现昼夜不对称性,说明三个磁场模型可以较好地描述昼侧磁力线的分布位型,但在夜侧存在较大的方向描述误差.在外辐射带3~6.5R_E内,TA16模型与VAP磁场观测数据最为接近,PE均大于0.7,θ均小于3°;在地球同步轨道高度（6.6R_E）,TS05模型与GOES15卫星磁场观测数据最为接近,PE约为0.75,θ约为7°.相关的研究结果可以为我国星载高能粒子探测器探测数据的在轨交叉定标、辐射带高能粒子动态模型研究和相关的磁层环境理论/应用研究提供地磁场模型选择方面的参考.     

外辐射带区域新建地磁场经验模型的定量研究

准确的磁场模型对于辐射带粒子环境研究至关重要.本文利用美国Van Allen Probes（VAP）在2012至2018年期间测量的磁场数据和GOES15在2011至2017年期间测量的磁场数据,定量地评估了三个较新的外磁场经验模型（TS05、TA15和TA16）对外辐射带区域（3~6.6R_E）磁场的描述性能.本文选择预测效率（Prediction Efficiency,PE）作为评估指标,定量分析各模型在不同空间范围（Lm值）、不同地磁活动水平（Kp）以及不同磁地方时（MLT）下的性能表现,并且计算了观测磁场与模型磁场的夹角θ,以评估模型的磁场方向预测能力.结果表明：PE随Lm值增大,随地磁扰动增强而下降;θ随Lm值增大,随地磁扰动增强而增大.在Lm=5~6.5R_E范围内,PE呈现晨昏不对称性,MLT=12-21时的PE值小于MLT=0-9时的值,说明三个磁场模型可以较好地描述晨侧磁场的强度,但它们并不能很好地反映下午至昏侧磁场的大小;在地球同步轨道附近（Lm~6.6R_E）,PE呈现昼夜不对称性,MLT=9-15时的PE值大于其他时区的值,说明三个磁场模型可以很好地反映昼侧磁场大小,但在夜侧可能存在较大的误差.θ在MLT=6-12时的值小于其他时区的值,呈现昼夜不对称性,说明三个磁场模型可以较好地描述昼侧磁力线的分布位型,但在夜侧存在较大的方向描述误差.在外辐射带3~6.5R_E内,TA16模型与VAP磁场观测数据最为接近,PE均大于0.7,θ均小于3°;在地球同步轨道高度（6.6R_E）,TS05模型与GOES15卫星磁场观测数据最为接近,PE约为0.75,θ约为7°.相关的研究结果可以为我国星载高能粒子探测器探测数据的在轨交叉定标、辐射带高能粒子动态模型研究和相关的磁层环境理论/应用研究提供地磁场模型选择方面的参考.

     

基于范阿伦双星EMFISIS观测数据的NWC和NAA人工甚低频台站信号的内磁层全球统计分布

地球表面的人工甚低频台站信号可以穿透电离层泄漏进地球磁层导致内辐射带电子沉降到两极大气.因此研究人工甚低频台站信号的空间全球分布特性对于分析辐射带电子的损失具有重要科学意义.本文使用范阿伦双星从2013年到2018年共计6年的高质量的波动观测数据,统计了 NWC(19.8 kHz)、NAA(24.0 kHz)两个人工VLF台站信号的全球分布,分析了台站信号的电场功率谱密度对地理经纬度、磁壳值L、磁地方时MLT、地磁活动水平的依赖性.结果表明,在内磁层中,人工台站VLF信号主要沿着台站位置对应的磁力线传播,夜侧强度高于日侧,冬季高于夏季.这种日夜和夏冬差异的形成是因为夜侧和冬季的日照强度较弱,电离层电子密度较低,VLF信号较容易穿透电离层进入磁层.此外人工VLF台站信号的全球分布受地磁活动的影响很弱.这些统计观测结果给出了 NWC和NAA两个重要人工VLF台站信号强度的全球分布特征,为进一步分析人工VLF台站信号与地球辐射带电子的波粒相互作用提供了关键信息.     

The 4-emission-core structure of dayside aurora oval observed by all-sky imager at 557.7 nm in Ny-Ålesund,Svalbard

A survey of dayside aurora excitation at 557.7 nm, which was acquired from an all-sky imager at Yellow River Station in Ny-Ålesund, Svalbard, shows that there are 4 intense emission maxima in the dayside oval, centered near 0630/76, 0830/76, 1400/75, and 1600/75 (unit: MLT/MLAT), respectively. Tracing the magnetospheric sources of these cores along geomagnetic field lines, the 0830- and 1400-MLT cores correspond with the prenoon and postnoon magnetospheric boundary layers (MBLs), and the 0630- and 1600-MLT cores are located at the dusk and dawn MBLs, respectively. The potential solar wind-magnetosphere dynamic processes resulting in these auroral features are discussed.     

Intermittency in midlatitude Pi2 pulsations observed during magnetospheric substorms and in the absence of these phenomena

The results of studying the distribution character of the amplitudes and time intervals between wave packets of Pi2 geomagnetic pulsations, observed during the nighttime development of magnetospheric substorms and in the absence of these phenomena, have been presented. The analog records from the midlatitude Borok Geophysical Observatory (geographic coordinates φ = 58.03°; λ = 38.97°) for 1995 and 1997 have been used to analyze Pi2 pulsations. Three groups of pulsations have been analyzed: Pi2 observed during sub-storms related to the external impact on the magnetosphere, Pi2 spontaneously originating during substorms, and Pi2 observed in the absence of substorms on the nightside of the magnetosphere. Interplanetary magnetic field B _y and B _z components and the solar wind dynamic pressure (ρV ²) have been considered as possible triggers of magnetospheric substorms. It has been indicated that the distributions of the amplitude and the duration of time intervals between Pi2 bursts are approximated by the power and exponential functions, respectively, which is typical of intermittent processes. The hypothesis that the processes of magnetospheric plasma turbulization can be among the Pi2 pulsation burst sources has been put forward. It is assumed that the obtained characteristic values can be used to qualitatively estimate the degree of plasma turbulence on the nightside of the magnetosphere when a sequence of Pi2 wave packets is excited.     

External impact on wind in the mesosphere/lower thermosphere region

Regular measurements of the velocity and direction of the horizontal wind in the mesosphere/lower thermosphere (MLT) region at a height of ∼95 km have been conducted since 1975 over Eastern Siberia (Badary observatory near Irkutsk), using the spaced-diversity reception method in the LF range. The accumulated database of measurement results (for more than 20 years, from 1974 to 1996) makes it possible to get information on the impact on wind in the MLT region from both below (stratospheric warmings) and above (geomagnetic storms as a consequence of magnetospheric disturbances) with sufficient statistical reliability. Effects of stratospheric warmings and strong geomagnetic storms in the prevailing wind and amplitude of the semidiurnal tide are evaluated by the superposed epoch method. It is shown that the effects of stratospheric warmings depend on the type (intensity) of stratospheric warming and on the phase of quasi-biennial oscillations of the wind in the equatorial stratosphere at the 30 hPa level. The response of MLT winds to external impacts is different for the 21st and 22nd cycles of solar activity. Effects of geomagnetic storms (A _p > 100) are manifested in the decrease in the eastward prevailing wind and increase in the semidiurnal tide amplitude.     

太阳活动低年电离层磁场VLF波的观测特性研究

本文利用搭载在DEMETER卫星上的感应式磁力仪(Instrument Magnetometer Search-Coil, IMSC)探测数据分析了磁场甚低频(Very Low Frequency, VLF)波功率谱的空间分布.在排除地磁扰动影响(Dst≤-30 nT,Kp≥3,AE≥200 nT)的前提下,我们给出2007年不同季节,日侧和夜侧,磁场VLF波功率谱的全球分布的背景场探测和对应的统计误差分布.利用太阳活动低年的背景场探测统计分析了磁场VLF波功率谱的频谱特性和季节变化,以及对来自空间的地磁活动的响应特征.太阳同步高度卫星探测的磁场VLF波功率谱也可以观测到源于地球特定区域里的磁场异常所产生的频谱响应.12.5~17.5 kHz频段的磁场VLF波功率谱全球分布清楚地给出了南大西洋磁场异常区的分布轮廓.夜间百慕大地磁异常影响了磁场VLF波功率谱的多个频段,并显示出类似于高纬极区磁场的地磁活动响应的观测特征.卫星磁场VLF波功率谱探测背景研究表明,源于空间的地磁扰动和源于地球的局部地磁异常都会引起电离层磁场VLF波功率谱的变化.特别是在12.5~17.5 kHz频段,我们发现了沿板块边缘分布的电离层磁场VLF波功率谱增强带,这将为我们探寻由板块运动引起的地球突发事件的电离层响应增加探测依据,为定量甄别此类事件的电离层异常信号积累实用的背景参照.