地球等离子体层及EUV遥感测量技术

地球等离子体层位于地球电离层以上,延伸至4~6地球半径范围的环状等离子体区域,它在空间分布上与地球辐射带、环电流区域重合,是地球内磁层研究的重要内容。本文综述了地球等离子体层遥测技术的原理、发展,并总结和分析了EUV-CT的现有成果。      

地磁静日变化预测方法研究

地磁观测中及时了解地磁场日变化的扰动情况,可以帮助人们及时判断数据的可靠性,识别观测中的异常.研究地磁静日变化的预测方法在地磁观测数据分析处理中具有应用意义. 地磁日变化主要包含了地球外部空间电离层和磁层电流体系的变化信息,有静日变化和扰日变化之分.通常情况下人们利用每月中的5天静日变化的平均作为当月的Sq变化的估计.     

第一次天电哨声及地磁脉动学术讨论会

中国地球物理学会第一次天电哨声及地磁脉动学术讨论会于1984.9.10—9.14在北京举行,来自全国有关的十四个单位二十八名代表参加了会议。 哨声观测是从地面间接探测地球外层空间的手段之一,是空间等离子体的有效的诊断工具。天电哨声地磁脉动的研究,不仅在探索地球磁层结构、研究磁层电离层物理过程中有重要的学术意义;而且     

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.     

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.     

中国地磁台网观测与研究进展

引言从地心至磁层边界的空间范围内统称为地磁场,它能够灵敏地反映上至太阳,磁层,电离层,下至地球内部乃至地核的电磁信息及其变化的物理过程。因此,对地磁场的观测是进行地球物理和空间物理研究的重要基础。１９５７年苏联成功发射第一颗人造地球卫星是人类进入空间时代的里程碑。在太阳活动的直接影响下,经常引起磁扰等各种大气扰动,严重影响着高空和地面上的技术系统,同时危及人类的健康与生命,因而,监测、预报“空间天气”已成为科学家和工程师的攻坚目标。地磁观测对航天、航空、导航、通讯、矿产资源调查、供电、输油及地震…     

太阳平静期地磁场与电离层时空变化相互作用分析

作为地球空间环境的重要组成部分,地磁场和电离层是地球物理研究中的重要方向.新的观测数据和处理方法为人们更加深入地认识地磁场和电离层时空变化之间的相互作用发挥了巨大的促进作用.本文利用欧洲轨道测定中心(CODE)提供的全球电离层垂直总离子浓度地图(GIM)数据和Swarm卫星的观测数据,基于数据统计的方法,对太阳平静期不同纬度地区地磁场和电离层时空变化之间的相互作用进行了分析.从地磁场对电离层时空变化的作用来看,本文利用Swarm卫星数据发现电离层电子浓度在赤道地区呈"马鞍"形分布,在高纬度地区变化剧烈,验证了因地磁场对电离层时空变化影响导致的电离层赤道异常和极盖吸收等现象的存在,同时利用GIM数据通过张量秩-2分解和主成分析发现沿地磁场方向电离层的空间变化更加迅速,体现出地磁场对电离层时空变化的约束作用.从电离层对地磁场时空变化的作用来看,基于CHAOS-5模型对地磁内源场和磁层环电流磁场的预测,本文从Swarm卫星磁测数据中分离出电离层中电流体系的磁效应,其中包括赤道电集流、中纬度地区的Sq电流体系和极区电集流的磁效应,为进一步反演电离层电流体系奠定了基础.     

多卫星联合观测地基VLF电磁信号在磁层中的传播路径

正人工地基VLF电磁发射信号已经被很多近地卫星探测并研究。这些人工电磁波信号通过大气层,到达电离层和磁层,能够散射被束缚在地磁场中的高能电子,进而引起电子沉降到更低的大气层中,因此,能够帮助减轻粒子辐射对飞行器和宇航员的伤害。VLF电磁波在电离层、磁层中的传播模式分为两种:波导管传播(由于受等离子体密度不均匀分布的限制,近似沿着地磁场的场向传播,即ducted mode)和非波导管传播(不沿着地磁场     

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.     

对流电场、场向电流和极光区电集流变化的地磁响应

对流电场、场向电流和极光区电集流是磁层一电离层耦合的主要物理过程．它们的演化发展时间分别为几分钟至半小时的量级．本文用１００°Ｅ和３００°Ｅ的两个地磁经度链附近各１１个台站的１ｍｉｎ均值地磁Ｈ和Ｚ分量资料,分析了１９９４年４月１６-１７日磁暴期间磁层耦合过程对极光区和中低纬区电离层扰动的地磁特征．强磁暴开始时,台站所处的地方时位置不同,则观测到的电离层和地磁响应也完全不同．这是磁层对流和一、二区场向电流共同作用的结果．一般说,扰时极光区的西向电集流变化更为强烈．随着耦合的发展,极光区范围会向南北扩展,电集流中心带则向低纬侧移动．在中低纬区,二区场向电流的建立能屏蔽一区场向电流所产生的扰动,并引起反向的电流及地磁变化．由此,中低纬区夜间有可能出现短时间的东向电场,又可通过ＥＸＢ的垂直向上漂移作用抬升Ｆ层等离子体,并发生同一经度链附近的多站电离层ｈ＇Ｆ同时突增现象．另一方面,磁赤道附近的台站则更多地受内磁层赤道环电流和电离层赤道电集流的影响．     

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.     

地球磁层中超低频波与低能粒子的相互作用

太阳风—磁层耦合过程会产生各种等离子体波,其中超低频波的频率最低(1 mHz～1 Hz)、波长最长(与内磁层磁力线长度相当)、能量密度最大.超低频波在磁层粒子加速、物质输运和能量转化中起着重要作用.以往的研究主要关注超低频波的全球性传播和分布特征以及这些波动与磁层能量粒子(辐射带电子和环电流离子)的相互作用过程.最近几...     

空间和地下电流体系演化与地磁低点位移关系的研究

地磁场"日变化"是地球变化磁场的重要组成部分,是地球物理学地磁观测中的基本规律之一.起源于太阳辐射在电离层中产生的电流体系的影响,其中静日变化的规律性最强,它包含着空间和地球内部各种电磁过程丰富的信息.     

电离密度分布对中低纬非导管哨声波传播的影响

本文在偶极子地磁模型和各种电离密度分布模型中,对中低纬非导管哨声波的传播特性进行了射线追踪研究。结果表明,地磁场位形及其引起的磁层等离子体的各向异性是决定哨声射线几何特征及速度结构的主要因素,而电离密度仅在一定程度上改变上述特征;电离层是形成哨声射线聚焦的主要原因;赤道异常和电离层显著地影响哨声波的到达纬度;哨声群时延和色散值主要决定于电离密度;中低纬非导管哨声近似符合Eckersley定律;电离层是决定波法线角能否满足透射条件的主要因素。     

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LJ、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LJ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LJ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.     

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.     

基于CARISMA地磁台链观测的IPDP事件的统计分析

亚暴期间磁尾等离子体片离子注入内磁层能够激发电磁离子回旋(EMIC)波.对应于这种EMIC波,地面磁力仪可观测到周期逐渐减小的地磁脉动(IPDP).利用GOES卫星数据,地磁指数和加拿大CARISMA地磁台站的数据,我们研究了IPDP事件的产生与亚暴磁尾注入的关系.同时利用CARISMA地磁台链中的MCMU和MSTK两个台站,从2005年4月到2014年5月期间的观测数据,统计分析了亚暴期间的IPDP事件,研究了IPDP事件的出现率关于季节和磁地方时的分布特征.我们总共获得128个两个台站同时观测的IPDP事件.该类事件关于季节分布的发生率,冬季最小,为13.28%,春季最大,为32.81%,结果表明IPDP事件关于季节分布的发生率受到电离层电导率及亚暴发生率的影响.两个台站同时观测到的IPDP事件最大出现率出现在15—18 MLT(磁地方时),结果表明IPDP事件主要由亚暴期间产生的能量离子注入内磁层,西向漂移遇到等离子体层羽状结构(Plume)区的高密度等离子体所激发.     

电离层人工调制激发的VLF波在磁层的传播特性及应用研究

电离层人工调制可以激发甚低频（VLF）波,其中向上传播进入磁层的VLF波,不但能够用来研究磁层中的各种物理现象,且具有人工沉降高能粒子,消除辐射带等实际用途.本文使用射线追踪方法,模拟电离层调制激发的VLF波在磁层的传播路径,分析激发纬度和调制频率对传播路径和传播特性的影响;并基于低频波的色散方程和波粒共振条件,分析VLF波传播路径上与磁层高能粒子的最低共振能及其分布.研究表明,VLF波通过在磁层来回反射向更高的L-shell传播,最终稳定在某一L-shell附近.以较低的调制频率或者从较高的纬度激发的VLF波能够传播到更高的L-shell,但是,当激发纬度过高时,低频波也可能不发生磁层反射而直接进入电离层和大气层.低频波在磁层的传播过程中,在较高的纬度或者较低的L-shell能够与较高能量的电子发生共振相互作用,在较高的L-shell并且低纬地区,能够与较低能量的电子发生共振相互作用.共振谐数越高,能发生波粒共振的电子能量越高.     

利用中国GPS站网对地震波引发的大尺度电离层扰动的观测

地震瑞利波在沿地表传输时衰减很慢,其能量在远离震中的区域仍然能够激发大气和电离层扰动.本文利用中国境内的GPS接收机网络观测电离层总电子含量(total electron content,TEC),分析了 2011年日本地震后在中国区域上空产生的电离层扰动.研究发现,瑞利波的能量从地面经大气耦合传输到电离层高度,导致在中国区域上空电离层出现与瑞利波传播同步的TEC扰动.利用中东部的稠密接收机网络,还揭示了扰动的大尺度二维空间结构:瑞利波经过后产生的TEC扰动呈条带状,在中纬度地区沿西北—东南方向排列,而在低纬度大致为东西方向.条带的转向可能与地磁场作用下的中性-离子耦合过程有关,大气波动导致的等离子扰动倾向于沿磁力线方向(向南)传播,从而形成垂直磁力线方向(东西)的波前结构.这是首次在远离震中的区域使用GPS站网研究地震波耦合电离层扰动的大尺度二维空间结构.     

高纬电离层特性的实例研究

本文利用EISCAT雷达资料讨论磁层-电离层耦合的高纬电离层效应。研究表明,即使在夏季极昼情况下,磁扰期间的磁层过程对高纬电离层形态的影响也远大于太阳紫外辐射的作用。高能粒子沉降使电离层E层的电子密度大大增加;而磁层对流速度变大会使F层内电离复合加强。因而,磁扰时经常出现n_e（E层）>_e（F层）的情况。此现象不仅与宁静时完全相反,而且与中低纬电离层形态变化也有很大差别。