强震前空间天气变化与地磁活动指数存在的问题

地磁活动指数( Dst)不仅是监测空间天气活动的重要参数,也是地震电磁研究中作为排除来自空间天气的非震信号的重要参数(Le et al,2011).Dst指数计算简便,具有连续性和时序性较好的优势,但其物理意义复杂,不能完全反映磁暴过程,且存在计算误差以及数学意义不明确等问题.如台站和暴时变化双重因素,可能会对Ds...     

地磁活动指数的过去、现在和未来

地磁活动性是范围广、分量多、种类繁、形态异、频谱宽、原因复杂的时变过程.面对如此复杂的地磁活动性,除了分门别类逐一进行深入研究之外,根据实测资料,用简便易行的分类和简单明了的指标,对地磁活动性进行总体检阅和形态学描述也是非常必要的.于是,各种地磁活动指数应运而生.地磁指数不仅是表征地磁活动现象的重要参数,其应用范围逐渐扩展到日地能量耦合计算、电离层一磁层一太阳风空问环境状态描述、空间环境监测、空间天气预报等许多相关领域."地磁活动指数化"的思想正在向别的领域扩展,其构建原理和量算方法也在不断改进和完善.本文将现有的约50种地磁活动指数分两大类型,综述其提出背景和发展过程,分析其使用范围和优缺点,探讨地磁活动指数未来发展的趋势.     

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）.     

高纬日侧电离层离子上行的地磁活动依赖性研究

本文对比分析了太阳活动高、低年期间高纬日侧顶部电离层离子上行随地磁活动水平的变化特征.按地磁活动水平, 将DMSP卫星在太阳活动高年(2000-2002年, F13和F15)及太阳活动低年(2007-2009年, F13;2007-2010年, F15)期间的SSIES离子漂移速度观测数据分为三组:地磁平静期(Kp < 3), 中等地磁扰动期(3 ≤ Kp < 5)和强地磁活动期(Kp ≥ 5), 分别统计分析了高纬日侧顶部电离层离子上行特征的时空分布.对比分析发现:(1)太阳活动低年期间, 高纬日侧电离层离子上行发生率以及上行速度峰值均是太阳活动高年的2倍多, 而离子上行通量峰值只有高年的1/6-1/4;(2)在相同太阳活动条件下, 地磁活动水平对日侧电离层离子上行发生率峰值的影响并不明显, 但对离子上行发生率的空间分布有着显著的控制作用:电离层离子上行高发区随地磁活动向低纬度扩展, 并在强地磁活动期间呈现饱和的趋势; (3)日侧顶部电离层等离子体似乎存在两个效率相当的上行区域, 一个位于极尖/极隙区纬度附近, 离子可沿开放磁力线上行进入磁尾; 另一个位于晨侧亚极光区附近, 离子沿闭合磁力线上行, 有可能进入日侧等离子体层边界层.

     

基于GNSS观测的全球赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节依赖特征

赤道等离子体泡是在磁赤道和低纬地区一种通常发生在夜间的大尺度电离层不规则结构.本文利用2010—2021年全球低纬地区GNSS TEC监测仪长期观测数据,分析了赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节的依赖特征.结果表明,全球每个经度区赤道等离子体泡发生率与太阳活动都显著正相关,赤道等离子体泡的日发生率与F₁₀₇指数相关系数接近0.70.经度-60°~-30°在赤道等离子体泡高发月份的日落后发生率与F₁₀₇的相关关系有明显的饱和效应.在季节变化方面,经度-60°~-30°赤道等离子体泡主要发生在1—3月和10—12月,其他经度主要发生在分季.不同经度区赤道等离子体泡日落后发生率季节不对称性存在显著区别,在太阳活动上升期,经度-60°~-30°的10—12月发生率明显高于1—3月;在太阳活动下降期,0°~180°经度区3月分季高于9月分季.此外,地磁扰动对产生赤道等离子体泡主要是抑制作用,特别是在太阳活动高年、分季.

     

地磁感应电流研究综述

因太阳活动而引起的地磁扰动,会在地球表面感生出地电场,从而在地表附近的导体系统中产生地磁感应电流(GICs).太阳表面的异常活动而引起的磁暴会导致强烈的GICs,严重威胁电信设备、电网、油气管道和铁路运输网络等基础设施系统的安全运行,已经成为最严重的空间天气灾害之一.因此,对GICs进行深入研究以建立对其做出迅速预测的能力,在科学和应用方面都有重要意义.本文综述了GICs的研究进展,从引入空间天气的概念开始,将GICs作为从太阳活动到太阳风再到地球扰动的空间天气链的最终环节;重点阐述了GICs的计算中所涉及的三个步骤:地球表面地磁场重建、感应地电场的计算,以及地面导体系统中GICs计算;对每一步骤中主要方法的相关原理和应用做了简要介绍与评估;最后总结了当前GICs的研究现状,并对未来GICs的研究方向与挑战进行了展望.     

观测时间对地磁绝对观测值的空间相关性影响研究

应用FHD磁力仪的观测数据。对比了每日不同时间Z分量观测值组成的逐日变化序列的空间相关性,表明夜间观测数据的空间相关性低于白天,并分析了产生这一现象的原因。同时,通过对通化后的磁称Z分量不同观测时间的绝对值震磁相关异常分析,表明夜间观测数据更有利于提取空间相关异常。这对今后应用数字化地磁观测资料研究与地震有关的震磁相关异常有一定的指导意义。     

强烈地磁扰动的危害

本文给出了强烈地磁扰动可能对空间和地面技术系统、人类的生产和生活造成的危害,其中包括地磁扰动的直接危害和由于地磁感应电流造成的危害及伴随的其他空间环境扰动所造成的危害。     

高地磁活动与fmin

电离层垂直探测电离图上的最低频率fmin作为电离层吸收的衡量标准与突发电离层骚扰（SID）的识别“指示”,已为人所共知。然而,从最近作者对武昌（30.5°N,114.4°E;磁倾纬度26.4°N;L约为1.20）上空电离图及其分析资料的考查表明:通过对fmin与各种类型的Es-l的对比分析,发现可将fmin用于研究强吸收与高地磁活动的关系,从而为研究高地磁活动开辟了新的途径。     

短論——太阳活动对地磁場影响的南北不对称性

苏联Р.Γ.阿芬尼娜研究急始型磁暴的十一年出現頻数分布吋,发現1944—1959这两个太阳黑子活动周期內,急始型磁暴的頻数分布曲线与太阳北半球黑子面积的十一年变化曲线相似。     

On the prediction of relativistic electron fluence based on its relationship with geomagnetic activity over a solar cycle

A study has been carried out to determine the relationship between high energy relativistic (>2 MeV) electron fluence and auroral zone geomagnetic activity for a solar cycle. Data for 1987–1997, spanning Solar Cycle 22, were used in the study. The relativistic electron fluence data were based on fluxes observed by the GOES geosynchronous satellites. The geomagnetic data were the DRX indices derived from a Canadian magnetic observatory located in the auroral zone at Fort Churchill, near the footprint of field lines passing through geostationary satellites. This work, based on data from a solar cycle, confirms earlier findings using limited data from segments of a solar cycle of enhancement in fluence 2–3 days after increases in geomagnetic activity, and shows the cycle dependence of fluence with respect to geomagnetic activity. This study underlines the influence of recurrent coronal holes on fluence level as well as the possible role of Pc5 magnetic pulsations as an electron acceleration mechanism, and highlights the predictability of fluence from ground geomagnetic data. A fluence prediction algorithm can now solely be based on derived expressions relating fluence and DRX. Thus, a simple fluence prediction scheme can easily be implemented to provide a 2–3 day advance warning of space weather conditions hazardous to geosynchronous satellites, since during days of high fluence, the likelihood of internal charging in a satellite is high, with possible discharges that could result in satellite operational anomalies. For verification purpose, daily values of fluence for 1997–2000 and for January 1994 were postcast using the derived expressions. The postcast values were validated, and the results give credence to the fluence prediction scheme.     

磁暴期离子上行与太阳风及地磁活动水平的统计关系

利用FAST卫星ESA仪器第23太阳活动周上升相(1997-1998年)的观测数据,选取20个磁暴期间能量为4~300 eV的离子上行事件,研究不同磁暴相位电离层上行离子的能通量与太阳风、地磁活动以及电子沉降的统计关系.结果表明：(1)在磁暴初相、主相和恢复相离子上行平均能通量为6.08×10⁷eV/(cm²·s·sr·eV)、5.75×10⁷eV/(cm²·s·sr·eV)和3.91×10⁷eV/(cm²·s·sr·eV),初相期间上行离子能通量最大;(2)上行离子能通量与太阳风动压、行星际磁场B_Z分量存在相关关系,相关系数分别为0.47和-0.38;(3)在磁暴初相、主相和恢复相上行离子能通量与Sym-H的相关系数分别为0.74、-0.77和-0.54,与Kp的相关系数分别为0.53、0.75和0.65,整体上离子上行与Sym-H指数的相关性好于Kp指数;(4)在磁暴初相、主相和恢复相上行离子能通量和电子数通量的相关系数分别为0.74、0.52和0.32,表明磁暴期间软电子(< 1 keV)沉降可以显著提高电离层离子温度;F区的等离子体摩擦加热和双极电场是离子上行的重要获能机制.本文构建的上行离子能通量与Sym-H和电子数通量的经验关系显著,可用于磁流体模拟研究.

     

不同太阳活动及地磁条件下的电导率分布变化

电离层电导率在不同的太阳活动和地磁条件下会发生变化. 本文通过中性大气经验模式NRLMSISE_00（Neutral Atmosphere Empirical Model_2000,简称NRLMSISE_00）和电离层经验模式IRI_2001（International Reference Ionosphere_2001,简称IRI_2001）计算电离层的电子、离子碰撞频率以及电导率,并简要讨论了120 km和300 km高度上的电导率在不同季节、不同太阳活动和地磁指数下的经纬分布. 结果显示,电导率的分布与日照密切相关,且随太阳活动的变化而变化. 磁暴时电导率随地磁活动的变化相对于随太阳活动的变化要小,在120?km高度,磁暴期间电导率在低纬地区和高纬地区发生不同变化,且Pedersen电导率和Hall电导率变化趋势相反,向两极靠近,电导率变化幅度略有增长;在300?km高度上,磁暴对低纬地区和高纬地区电导率的影响要比120?km处大,Pedersen电导率和Hall电导率变化趋势相同,且越向两极靠近电导率的变化幅度越大.     

关于日地关系主要元素与各种指数——综述及展望

本文着眼于日地空间物理之间的因果联系,从源头即太阳发生扰动时输出的各种形式的能量如电磁辐射、粒子辐射和电磁场等到行星际空间的表现和演化.到地球空间环境包括：磁层-电离层-中高层大气等对太阳事件的响应变化,论述了日地关系中的主要物理、化学过程及其之间的相互关系.同时,对日地系统发生变化时的各种表征参量,包括地磁指数、太阳辐射指数和太阳风-磁层耦合函数等,以及各参量对整体的日地空间环境预报中可能的应用前景进行了综述和展望.     

地磁倒转与生物灭绝因果关系研究五十年

地磁场源于地球内部的地核发电机,经由近3000 km厚的地幔和地壳到达地面,穿过生物圈、大气层和电离层后延展至太空形成磁层.地磁场对生物圈有双重保护作用:阻挡了高能粒子向内入侵,也避免了氧和水等挥发性物质向外逃逸.尽管地磁场在几十亿年的时间里帮助维持了地球的宜居性,人们仍认为地磁倒转所导致的保护作用削弱会给生物圈带来深刻的负面影响,甚至是生物灭绝.本文梳理地磁倒转与生物灭绝因果关系研究的五十年发展历程,结合历史背景评介早期"一对一"假说的得与失,并着重阐述空间环境变化在最新提出的"多对一"假说中的重要作用.这些研究成果已经清晰地说明,从地核到磁层的地球各圈层是一个耦合的复杂系统,地球演化中的重大事件应当从地球系统科学的角度来看待,并借助比较行星学来研究和理解.     

典型的太阳质子事件峰值流量的一种预报方法

分析了1988~2006年中62个典型的太阳质子事件,发现其归一化后峰值流量变化具有很好的统计规律,根据该规律提出了一种对太阳质子事件峰值流量进行预报的方法.试验预报结果表明,太阳质子事件峰值流量的预报值和实测值都在同一个量级以内,平均相对误差为32％,预报误差在可接受范围内.本文方法对于日常预报业务而言是实用和可行的.     

基于Weimer模型的高纬地磁扰动预测

地磁扰动是空间天气中的重要现象,对地基技术系统具有重要的影响.准确预报地磁扰动可以有效避免重大灾害发生.本文基于Weimer电势和磁势模型发展了高纬地区地磁扰动的模拟方法,并与地面台站观测数据进行了比较.地表磁场扰动主要受电离层电流系统的影响,利用Weimer模式计算出电离层等效电流分布后,基于毕奥-萨伐尔定律推导了地磁扰动三分量与电流的关系,最终计算出地磁扰动量.模型的输入参数为太阳风速度、太阳风密度、行星际磁场和磁偶极倾角.模型计算结果与不同纬度和经度的地磁台站观测结果对比表明本文的计算方法能有效地模拟地磁暴期间地磁扰动特征.本文结果对今后发展高纬地区地磁场预报模型奠定了重要基础.

     

太阳X-EUV成像望远镜

太阳X_EUV成像望远镜用来监测和预报影响空间天气变化的太阳活动,专门服务于空间天气预报研究. 望远镜工作在4～100?的X射线波段和195?极紫外谱段,视场角45′,角度分辨5″,提供全日面、高分辨的成像观测. 文中分析了太阳X、EUV波段的成像观测应用,介绍了X_EUV望远镜的基本设计,分析了望远镜对不同温度日冕等离子体的敏感性、对不同太阳活动现象的响应及反演日冕等离子体参数过滤片的组合利用. 太阳X_EUV成像望远镜集成了掠入射望远镜和正入射望远镜两套系统,扩展了单一X射线望远镜的成像功能,能够观测更多的太阳爆发先兆现象或者伴生现象,是目前国际上同类仪器中最新的太阳成像监测仪器.     

A note on the statistics of the largest geomagnetic storms per solar cycle

This note points out a problem with the way in which extreme value distributions have been fit to the intensities of the largest geomagnetic storms per solar cycle. An alternative method is described. This method is applied to observations of the three largest geomagnetic storms in solar cycles 11–22.