对流输运在TOI断裂形成等离子体云块中的作用研究

极盖等离子体云块是极区电离层常见特征之一,其形成演化过程是当前重要研究课题.光电离高密度等离子体在对流输送作用下从日侧穿过极隙,通过极盖到达夜侧,已成为共识.日侧磁场重联作用下的极区对流输运过程,在舌状等离子体结构(TOI)"断裂"形成极盖等离子体云块中发挥重要作用.利用极区全域GPS/TEC观测数据,结合SuperDARN雷达实测的对流速度,对等离子体云块形成过程进行案例研究,重点分析两种TOI断裂形成等离子体云块的发生机制.研究结果显示,等离子体对流输运过程在TOI断裂形成等离子体云块过程中发挥关键性作用,对流形态或局部对流速度矢量急剧变化都可能导致TOI结构不稳定,使TOI结构断裂形成等离子体云块.     

对流输运在TOI断裂形成等离子体云块中的作用研究

极盖等离子体云块是极区电离层常见特征之一,其形成演化过程是当前重要研究课题.光电离高密度等离子体在对流输送作用下从日侧穿过极隙,通过极盖到达夜侧,已成为共识.日侧磁场重联作用下的极区对流输运过程,在舌状等离子体结构（TOI）"断裂"形成极盖等离子体云块中发挥重要作用.利用极区全域GPS/TEC观测数据,结合SuperDARN雷达实测的对流速度,对等离子体云块形成过程进行案例研究,重点分析两种TOI断裂形成等离子体云块的发生机制.研究结果显示,等离子体对流输运过程在TOI断裂形成等离子体云块过程中发挥关键性作用,对流形态或局部对流速度矢量急剧变化都可能导致TOI结构不稳定,使TOI结构断裂形成等离子体云块.     

数值模拟日侧磁场重联对极盖等离子体云块形成的影响

极盖等离子体云块是极区空间天气重要现象之一,其形成过程是当前重要研究课题.观测表明,日侧磁场重联对应的极区电离层高速流可能对舌状等离子体(TOI)形成"切割"作用,最终形成极盖等离子体云块.伴随磁场重联,同时存在极光粒子沉降,会引起F层等离子体密度的增大,阻碍"切割"效应.本文利用耦合极区电离层模型,模拟研究电场和软电子沉降共同作用下F层等离子体密度的演化.结果表明,在局部电离层电场大于一定数值(80 mV)的情况下,"切割"效应能有效发生.并详细分析了"切割"效应发生时等离子体各参量的演化过程,对"切割"效应的内在物理过程进行了探讨.     

曲靖非相干散射雷达观测研究进展与展望

本文介绍了我国曲靖非相干散射雷达的主要技术方案，结合实测数据分析表明该雷达具备了电离层电子密度与等离子体温度观测、空间碎片凝视探测与月球二维成像探测等能力，可用于研究电离层F层气候学特征、电子密度暴时变化与异常增强等天气事件、E-F谷区结构与变化、约3 cm以上尺寸空间碎片的分布特征与模型、月球不同区域的散射回波特性等.下一步将重点开展低电离层与北驼峰结构及演化过程、电离层暴时与扰动特性观测.     

磁暴期间极光椭圆与极盖区电离层效应比较研究——F区负暴

联合利用EISCAT和E-Svalbard非相干散射雷达数据,研究l997年5月强磁暴期间向阳侧极盖与极光椭圆区电离层F区负暴.发现在磁暴主相和恢复相初期,极光椭圆和极盖区电离层都在大约l90km高度出现类似F1的峰,F2主峰完全消失,F区电子密度大幅度下降.但离子温度的变化在两个区域很不相同,在极光椭圆区大幅度升高,而在极盖区没有显著变化,反映出引起F区负暴的主要机制在两个区域不尽相同.强对流电场引起大气焦耳加热与离子增温而使O+离子消失的化学反应速率增大所导致的电离损失,对极光椭圆区负暴起主要作用;而输运过程,特别是持续长达数小时的沿场上行离子流,对极盖区负暴起重要作用.磁暴主相期间,当EISCAT雷达位于等离子体对流涡旋转换区下方时,在无焦耳加热与离子摩擦增温的情况下,观测到由顶部电离层O+离子沿场高速外流引起的F区电子密度耗空.     

电离层上行O+离子沿不同经度处的磁力线向磁层的传输

根据解析求解引导中心近似的动力学方程得到的离子分布函数 ,研究了不同Kp指数条件下起源于不同电离层区域的上行O⁺离子通量密度沿不同经度处的磁力线的定态分布 ,并研究了上行O⁺离子向不同磁层区域传输的特性 .主要结果为 :（ 1 ）起源于向阳面极光带外侧及更低纬区的电离层离子基本上传输到向阳面磁层区 ;起源于背阳面极光带及更低纬区的电离层离子基本上传输到背阳面磁尾等离子体片区和闭合磁力线区 ;起源于极盖区及向阳面极光带内侧的电离层离子基本上传输到等离子体幔区和磁瓣区 .（ 2 ）上行离子主要分布在近地空间 ,其通量密度相对于地心距离呈负梯度 .（ 3）地磁活动指数Kp 增高时上行离子进入磁层的概率增大 ,因而上行离子起动力学作用的地球空间范围增大 .所得结果可解释有关地顶的观测特征 ,理论估算的上行离子在磁尾的通量密度与观测结果相符合.     

大功率高频电波加热电离层的非线性物理过程

地基大功率电波加热电离层是通过地基大功率短波发射机向电离层发射无线电波,通过波-粒和波-波的相互作用将无线电波的能量注入电离层.通过这种有目的可操控的方式改变电离层电子密度和温度的分布,可以深入研究电离层中等离子体能量和物质的非线性演化过程,特别是电离层电子的非平衡态分布和加速问题.本文通过对电离层加热中几个比较重要物理过程的评述,对过去20年来我国研究学者在这一研究方向上取得的重要进展进行了介绍.     

EISCAT雷达观测到的极区电离层等离子体反常对流

综合分析EISCAT雷达与卫星当地测量数据,并利用磁层磁场模式对磁力线进行追踪,研究了发生在极光椭圆朝极盖边界附近电离层中,一例反常的背离太阳流动的强等离子体对流事件,及相关的太阳风-磁层-电离层耦合过程.结果表明,磁暴期间IMFBz指向南时观测到这一反常高速对流,及其相应的等离子体性态特征,很可能是向阳侧磁层顶磁重联过程在电离层中的印记.     

东亚赤道异常区电离层CT诊断──实验及初步结果

国际上第一个低纬电离层层析（ＣＴ）探测台链于１９９３年１１月建成，并开始数据采集．该ＣＴ台链沿１２０°Ｅ子午圈由６个卫星信标差分多普勒接收站组成，北起我国上海，南至菲律宾的马尼拉，纬度覆盖范围约２０°．该台链专为电高层赤道异常区电子密度大尺度结构ＣＴ成像而设计，其目的是监测研究赤道异常形态与动力学、电离层等离子体泡、行优以及暴时磁层－电离层－热层耦合过程等重要的赤道与低纬区电离层现象．本文介绍该低纬电离层ＣＴ实验的有关技术问题，包括接收台站布设、实验设备、数据采集软件和数据预处理方法．文中还给出利用ＣＴ技术，由实测斜电子含量数据反演电离层电子密度二维分布图像的几个实例．结果表明，利用低纬电离层ＣＴ台链可以有效地监测电离层赤道异常及其它低纬电高层电子密度大尺度结构的时空变化．     

曲靖非相干散射雷达功率剖面的初步观测与分析

介绍了非相干散射雷达功率剖面与电离层电子密度剖面之间的关系,给出了曲靖非相干散射雷达功率剖面的一些观测结果,结合电离层垂直探测数据,初步介绍了曲靖非相干散射雷达在夜间电离层波状扰动、低纬电离层异常区北驼峰位置、电离层电子密度日落增强和暴时变化等观测研究中的应用.本文结果丰富了对我国曲靖地区电离层空间天气特性的认识,显示了该雷达在我国低纬电离层空间天气观测研究中的良好应用前景.     

基于Swarm卫星GPS/TEC观测的顶部电离层三维电子密度分布的层析法研究

利用两颗伴飞的Swarm A/C卫星搭载的双频GPS接收机获取的TEC数据,在两个卫星轨道平面同时对顶部电离层电子密度进行层析成像,实现对顶部电离层电子密度的三维观测.为了能够重现扰动期间电离层电子密度的空间变化特征,在正则化求解过程中,我们引入了水平矩阵H和垂直矩阵V刻画电子密度的空间变化特征,引入整体约束矩阵C以调节不同空间对电子密度相对变化的权重.数值验证结果表明我们的算法对常见的观测误差具有较强的包容性,反演计算出的电子密度平均偏差优于10%.在不同地磁活动条件下,与第三方观测数据的对比,验证了本文反演算法的可靠性.实测数据反演结果表明我们的算法不仅能够较好地重现顶部电离层子午向百公里级别的不规则结构,还能有效分辨纬向相隔~150 km的两个卫星轨道平面的电子密度差异.     

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.     

极区电离层对IMF Bz 4次快速转向的响应——EISCAT/ESR雷达观测

利用EISCAT VHF和EISCAT Svalbard（ESR）雷达观测数据,对2003年2月12日IMF B_z分量4次快速方向转换期间,极区电离层,尤其是极尖/极隙区的响应特征进行了分析研究.随着IMF B_z方向的多次快速变化,地面雷达观测到极尖/极隙区所在位置随着开放-闭合磁力线边界在纬度方向上来回移动.在此期间,极区电离层等离子体水平对流多次反向,表现出与IMF B_z分量强的负相关性.进一步分析表明：极区磁层-电离层系统在日侧对IMF极性变化的平均响应时间约为3 min.     

极区电离层对IMF Bz 4次快速转向的响应——EISCAT/ESR雷达观测

利用EISCAT VHF和EISCAT Svalbard(ESR)雷达观测数据,对2003年2月12日IMF Bz分量4次快速方向转换期间,极区电离层,尤其是极尖/极隙区的响应特征进行了分析研究.随着IMF Bz方向的多次快速变化,地面雷达观测到极尖/极隙区所在位置随着开放-闭合磁力线边界在纬度方向上来回移动.在此期间,极区电离层等离子体水平对流多次反向,表现出与IMF Bz分量强的负相关性.进一步分析表明:极区磁层-电离层系统在日侧对IMF极性变化的平均响应时间约为3 min.     

顶部电离层和等离子体层电子密度分布——基于GRACE星载GPS信标测量的CT反演

本文利用两颗跟飞的GRACE卫星载GPS信标测量数据和基于差分相对TEC的层析算法,实现了全球范围的顶部电离层和等离子体层(450~5000 km) 层析成像.反演结果表明,利用低轨道卫星载GPS信标测量数据可以有效地重建顶部电离层和等离子体层的全球二维分布图像.对不同地磁活动条件下的天基层析反演结果表明,等离子体层电子密度随纬度的分布是不均匀的;在低纬赤道带,从顶部电离层向上延伸直到等离子体层,以及等离子体层中局地的电离增强云团,经常出现近似垂直于磁力线的电子密度柱状增强结构.     

基于选权拟合法的电离层电子密度层析重构

附加约束的电离层层析算法是解决电离层电子密度反演中不适定问题的主要方法,为避免此类方法中约束权阵的选取不当对电子密度分布重构产生的不良影响,本文将选权拟合法应用到电离层层析成像技术中.该方法特别设计了依据电子密度空间分布特性构造参数权矩阵的方案.新方法有明确的物理意义,挖掘了隐含的信息量,为解决电离层电子密度反演中由于观测数据的不足等因素引起的不适定问题提供了一种新途径,可以得到符合客观实际的结果.数值模拟实验和实测数据的反演结果证实了该算法有效性、可靠性和优越性.     

电离层加热实验中超强电子密度增强特征

2011年11月利用欧洲非相干散射雷达协会(EISCAT)的大功率加热设备和诊断设施开展了挪威高纬度地区电离层加热实验. 在此次加热实验中, UHF雷达探测到了十分明显的电子密度增强现象, 反射高度附近电子密度最大增幅可达269.3%, 而在远离谐振区的300~500 km及以上高度的增幅也可达30%~50%. 通过对加热前后离子线谱和数据残差的对比分析, 表明300~500 km的电子密度增强是真实可信的, 在如此大的空间范围出现增幅如此大的电子密度增强特征实属罕见. 另外通过对等离子体线谱的分析, 得到了等离子体线双谐振峰结构, 本文利用电子的速度分布函数和等离子体线谱之间的关系, 对加热实验中观测到的等离子体线谱进行了仿真, 提出了超热电子是引起本次电子密度增强的可能机制. 并利用仿真中所使用的超热电子速度参数对超热电子的电离能力、横向和纵向自由程进行了计算, 最终验证了所提出的物理机制的合理性.     

三维电离层等离子体环流

对DE2航天器测量的离子漂移速度矢量的检验揭示了高纬度区垂直和平行于磁场的电离层流动的意义.在行星际磁场南向期间,垂直于磁场的两涡对流图案伴随着电离层等离子体的场向运动,这种运动在昼侧极光带和极隙区的主要是向上的,在极盖区主要是向下的.对流通过中性大气产生的摩擦加热和能粒子沉降产生的加热确信是导致等离子体总体向上流动和随后等离子的冷却造成的向下流动的原因.一部分向上流动的等离子体看来是在约800km以上高度中获得逃逸能量的,在400km高度处通过整个高纬度区的平均离子流是向外的.它可与DEI在远高于400km的高度上观侧到的向外的能离子流相比拟。     

基于Swarm卫星GPS/TEC观测的顶部电离层三维电子密度分布的层析法研究

利用两颗伴飞的Swarm A/C卫星搭载的双频GPS接收机获取的TEC数据,在两个卫星轨道平面同时对顶部电离层电子密度进行层析成像,实现对顶部电离层电子密度的三维观测.为了能够重现扰动期间电离层电子密度的空间变化特征,在正则化求解过程中,我们引入了水平矩阵H和垂直矩阵V刻画电子密度的空间变化特征,引入整体约束矩阵C以调节不同空间对电子密度相对变化的权重.数值验证结果表明我们的算法对常见的观测误差具有较强的包容性,反演计算出的电子密度平均偏差优于10%.在不同地磁活动条件下,与第三方观测数据的对比,验证了本文反演算法的可靠性.实测数据反演结果表明我们的算法不仅能够较好地重现顶部电离层子午向百公里级别的不规则结构,还能有效分辨纬向相隔～150 km的两个卫星轨道平面的电子密度差异.     

基于等离子体GCPM模型对电离层薄壳模型高度的仿真研究

在基于GPS数据提取电离层总电子含量(TEC)的过程中,电离层薄壳高度的选择对解算电离层垂直TEC的精度有很大的影响.但由于不可能获得一个真实的从电离层D层到GPS卫星高度的电子密度剖面,关于电离层薄壳高度的选择一直是基于GPS数据解算电离层TEC方法中关注的一个问题.本文利用等离子体GCPM模型,对太阳活动高年(2002)和太阳活动低年(2008)情况下电离层有效薄壳高度的选择进行了仿真计算.结果表明,最佳的薄壳高度在2002年为560 km,而在2008年为695 km.通过对全球八个具有代表性地点的仿真计算,揭示了有效薄壳高度更复杂的变化特点.在白天,最佳薄壳的高度变化不大(500 km至750 km);但在夜晚,最佳薄壳高度变化范围很大,甚至可以超过2000 km.此外,本文还对不同卫星仰角的情况下斜向TEC转换为垂直TEC的误差进行了分析,结果表明:随着卫星仰角的增加,薄壳模型带来的转换误差基本上是单调减少的.因而,在实际应用中,尽可能地采用大仰角的卫星数据有助于提高解算的电离层垂直TEC的精度.最后,对全球不同地点的电离层TEC的仿真研究表明,在电子密度水平梯度较大的地区,应用电离层薄壳模型时会导致电子密度较高处的TEC被高估,而电子密度较低处的TEC被低估,在分析基于GPS数据提取的电离层TEC空间变化时要认识到这一点.