基于LANL卫星的等离子体层顶位置模型改进

本文利用RBSP-A卫星在强磁暴和中等磁暴条件下测得的电子密度数据,对Goldstein等人在2019年构造的等离子体层顶位置动态解析模型进行了误差检验.发现在日侧区域,特别是羽状区的模型计算结果与观测数据存在较大误差,平均误差达到32.31%.为了改进模型的误差情况,我们利用LANL卫星数据对1998年到2006年间的14次中等磁暴情况下,日侧羽状区的等离子体层顶位置进行了统计.结果表明,随着磁暴时期（-12 h ≤ T_epoch ≤ 4 h）的变化,羽状区在接近磁暴峰值时会产生西漂,而在峰值之后迅速收缩并东漂.针对这种现象,我们分4个时段,对这一时期的模型进行了修改.改进后的模型在羽状区的平均误差从27.34%下降到20.2%,准确度提高了26%,得到的模型计算结果更符合卫星观测值.

     

地磁扰动期间等离子体层顶结构的模拟研究

本文选取2001年6月8-10日的一个亚暴事件,模拟了在这期间等离子体层的结构演化过程.选取Weimer(2001模式)电场和Tsyganenko(1996模式)磁场作为背景电磁场,基于E×B的漂移运动计算磁赤道面内的带电粒子分布,模拟磁扰期间的等离子体层变化.模拟了等离子体层顶的结构和形状,结果有羽状、肩状和通道状结构,与同一时间点的EUV/IMAGE探测结果一致.     

地球等离子体层研究进展

地球等离子体层作为内磁层的重要组成部分,在空间天气过程的发生和发展过程中都起着非常重要的作用.地球等离子体层是由上行电离层粒子被地球磁力线捕获而形成的圆环状冷的等离子体区域.等离子体层的外边界称为等离子体层顶,在该区域的等离子体层密度在0.5个地球半径内下降了1～2个数量级.地球等离子体层结构的动态变化特征是空间环境扰动状态的指示器,其结构形态和动力学过程受地磁场和电场控制,而地磁场短期变化源于太阳活动引起的日地扰动.地磁暴期间等离子体层的大规模结构演化影响等离子体层中波的产生和传播,从而影响波-粒子相互作用,导致内磁层中电子和离子的空间分布发生变化,进而影响其它磁层和电离层过程.对地球等离子体层进行进一步研究,对揭示太阳风-磁层-电离层耦合过程中的质量输运和能量转移、空间天气预报等方面都具有重要的意义.本文对等离子体层和地磁活动的关系、等离子体层中的波、顶部电离层及等离子体层电子含量的变化规律和等离子体层模型等方面的研究进展进行了介绍.最后,我们还对等离子体层研究方面一些亟待解决的问题进行了展望.     

基于THEMIS卫星数据的等离子体层顶位置模型

利用2010~2011年的THEMIS卫星观测的卫星电位数据反演电子密度,并用来确定等离子层顶的位置,研究其与地磁指数的关系.利用观测数据得到了一个THEMIS卫星等离子体层顶位置数据库.利用该数据库建立了新的等离子体层顶位置的磁地方时经验模型,并比较了其与现有的四个等离子体层顶位置经验模型的优劣.发现新建立的等离子体层顶位置模型明显优于其余四个经验模型.在模型的三种输入参数中,Kp指数和Dst指数模型的预测效果相当,并明显优于AE指数的模型,这说明磁层的大尺度对流强度是影响等离子体层顶位置最主要的因素.     

等离子体层顶附近的电子浓度分布

本文处理了GEOS-2号卫星RS探测器所测得的磁层冷等离子体电子浓度资料,给出了电子浓度小时平均值的日变化,并分析了其月均值及年均值特征。发现在平均值的日变曲线中,电子浓度的极大值出现在1600LT,表明等离子体层突起的位置处于下午扇区。这一事实有利于磁层大尺度对流电场并不总是晨—昏指向这一观点。文中对电子浓度小时平均值的年均值日变曲线进行了拟合,给出了近似表达式,并计算了同步轨道上的积分电子浓度,其量级为1011cm-2。通过月均值和积分浓度的分析,发现同步轨道上的电子浓度存在季节变化。     

地球等离子体层嘶声的内部源区

地球等离子体层是向阳侧中低纬度电离层沿着闭合磁力线向上的自然延伸,其中所出现的一类频率覆盖数十赫兹至数千赫兹的哨声模波动称为等离子体层嘶声.自发现以来,等离子体层嘶声就被广泛认为是沉降损失辐射带高能电子的主要等离子体波动之一.但是,等离子体层嘶声的起源一直没有定论.潜在的来源分成两类:一类为等离子体层内部背景等离子体噪...     

等离子体层顶附近的电子浓度分布

本文处理了GEOS-2号卫星RS探测器所测得的磁层冷等离子体电子浓度资料,给出了电子浓度小时平均值的日变化,并分析了其月均值及年均值特征。发现在平均值的日变曲线中,电子浓度的极大值出现在1600LT,表明等离子体层突起的位置处于下午扇区。这一事实有利于磁层大尺度对流电场并不总是晨-昏指向这一观点。文中对电子浓度小时平均值的年均值日变曲线进行了拟合,给出了近似表达式,并计算了同步轨道上的积分电子浓度,其量级为10¹¹cm^-2。通过月均值和积分浓度的分析,发现同步轨道上的电子浓度存在季节变化。     

基于VAP卫星的等离子体层顶电子密度波动统计分析

基于范艾伦辐射带探测卫星的观测数据（2012年9月至2015年11月）,收集了584个等离子体层顶密度波动事件,研究了这些事件分布随磁地方时、磁壳值以及地磁活动的变化关系,并使用快速傅里叶变换分析了全部事件平均功率谱.统计结果表明,等离子体层顶密度波动事件主要发生在磁地方时黄昏扇区,其分布与磁地方时和地磁活动具有明显的相关性.等离子体层顶密度波动在1~100 mHz区间内具有接近-5/3的功率谱斜率,表明存在二维磁流体动力学湍流.本文统计结果将有助于进一步深入理解等离子体层顶密度波动在内磁层中能量传输的具体作用,并且将促进对等离子体层顶波动的激发、增强与传播过程的进一步研究.

     

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.

     

遗传算法反演地球等离子体层离子密度分布

本文介绍了采用一维遗传算法从地球等离子体层极紫外图像反演地球等离子体层He+密度的原理.首先采用通量管近似和磁偶极近似将三维问题转化为一维问题.通过引入权矩阵,将极紫外光强积分离散为求和函数,再采用一维实数编码遗传算法反演得到磁赤道面等离子体层He+密度,最后通过磁力线追迹得到三维密度分布.算法采用动态全球核心等离子体模式模拟的密度和光强分布作为初始输入参数,并通过遗传算法得到相应密度分布.反演结果表明,等离子体层密度相对误差在8%以内,光强相对误差趋于0,算法有效可行.本文研究为中国探月二期工程中月基极紫外图像反演奠定了基础.     

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.

     

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.     

地球辐射带能量电子通量在不同地磁活动下的统计分析

利用大约15个月的CRRES卫星MEA能量电子观测数据,分别在地磁活动平静(0≤Kp)、中等(3≤Kp≤6)及强烈(6)的条件下,选取电子能量为148 keV, 509 keV, 1090 keV, 1581 keV的辐射带能量电子通量进行统计分析,得到了不同地磁活动条件下地球辐射带高能电子通量在(L, MLT)空间的全球分布模型.结果表明,在2的磁层区域,高能电子通量分布在不同的地磁活动指数Kp条件下差别明显;在12~18 MLT时段内高能电子的通量明显增大.     

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.     

地磁活动对气候要素影响的研究进展

地磁活动是太阳爆发现象引起地球近地空间磁场扰动的重要空间天气过程之一.地球磁场的变化具有多种时间尺度,其中从数十年到数世纪的长时间地磁场变化主要是由地核磁场引起的,而从数秒到数年的短时间地磁变化与太阳活动有关.近年来,越来越多的统计研究表明,地磁活动与太阳活动和地球气候变化之间存在着显著的相关性.地球磁场和地球大气系统的耦合现象驱动着人们探索地磁活动对地球天气和气候系统影响的研究.本文的目的就是综述国内外地磁变化对气候影响的研究进展,介绍我们最新的研究成果,探索地磁活动对气候要素的影响特征和可能机理过程,为深入研究地磁活动对地球天气和气候的影响提供基础和依据,以期对地磁活动和气候要素关系有进一步的认识.     

1683-1949年中国地磁测量、地磁图和地磁模型的总考评与研究

本文全面系统回顾考察了新中国成立前中国的地磁测量、地磁图和地磁模型研究概况:主要介绍中国人独立进行的地磁测量;评述了1932年山东半岛地磁图,1915.0和1936.0年中国(部分地区)地磁图;1945.0年东亚地磁图;1946.1年四川北碚地区地磁图以及1946.1年四川北碚地区地磁场泰勒多项式模型.并根据1936年地磁数据计算研究了1936.0年中国地磁场的球冠谐模型和曲面Spline模型,以及1900.0-1940.0年5个年代的中国地磁数据集、地磁模型和地磁图.对今后我国地磁测量研究工作给出了几点建议.     

电离层Alfven谐振器对地面观测到的地磁信号的影响初步研究

本文研究了0.1~10 Hz频率范围内的ULF波从磁层到地面的传播,得到了解析解,分析了电离层Alfven谐振器、磁倾角、电离层电导率、以及波频率对地面观测到的地磁信号的影响.数值结果表明:在磁层中剪切波在竖直方向有明显的谐振结构;地面观测到的信号在IAR谐振频率出现极大值,其谐振频率随磁倾角的增大而增大;电离层电导率的变化可以改变IAR的谐振频率,并能改变波的透射,从而影响地面地磁信号的频谱.     

利用地磁脉动预报地球同步轨道相对论电子通量的方法研究

本文利用低纬地磁台站的Pi1、Pi2地磁脉动（Pi1-2）资料和地球同步轨道的Pc5地磁脉动资料,对2004年1月到2006年12月38个磁暴事件的地磁脉动参数进行了统计分析.在此基础上,考虑相对论电子的局部加速机制,并加入损失机制,建立了一个初步的磁暴期间地球同步轨道相对论电子通量对数值的预报模型.利用该模型,我们对上述38个磁暴事件进行预报试验,最优化结果是：相对论电子通量对数值的预测值和观测值之间的线性相关系数为0.82,预报效率为0.67.这说明该模式具有较好的预报效果,也表明利用地磁脉动参数进行相对论电子通量预报是可行的.