火星电离层电子密度对太阳辐射变化的响应

太阳辐射是火星电离层变化的重要控制因素.利用火星全球勘探者号(Mars Global Surveyor,MGS)电离层掩星探测数据,并结合一个火星电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)经验模型,研究了火星北半球高纬地区电离层电子密度对太阳辐射变化的响应特性.在考虑了火星掩星数据中电离层电子密度对太阳天顶角的依赖关系后,发现随着太阳辐射增强,火星电离层M₂层峰值密度增大,但增长偏离线性趋势,而M₂层峰值高度和大气标高没有很明显的变化趋势.从100~200 km高度区域掩星电子密度剖面积分得到的TEC及底部和顶部TEC也随太阳辐射增大而增大,但增长率有所减小,表明火星电离层可能存在类似地球电离层的饱和特征.MGS掩星TEC及其底部和顶部剖面的TEC与经验模型TEC的比值均与太阳辐射强度变化呈反相关特性,表明在强太阳辐射情形下200 km以上电子含量在TEC中占比增大.这一特性意味着太阳活动增强,在火星顶部电离层区域,动力学过程对电离层的控制逐渐超过光化学过程.

     

火星电离层电子浓度昼夜变化特性研究

本文利用MAVEN卫星Langmuir Probe and Waves（LPW）仪器的在轨电子浓度探测数据,研究了火星电离层电子浓度随太阳天顶角（Solar Zenith Angle,SZA）的变化以及昼夜电子浓度变化的异同.基于2014年至2017年期间MAVEN的电子浓度数据,我们发现：在200 km以下,白天电离层电子浓度主要受光化学平衡控制,由于白天光电离过程使得昼夜电子浓度差异较大,此时电离层昼夜传输能影响到的最大范围约在SZA=110°;而在200 km以上,白天电离层受输运过程控制,此时昼夜电子浓度差别较小,电离层昼夜间电子浓度变化较为缓慢.通过研究MAVEN在deep-dip（低高度深入探测）期间的电子浓度数据,我们发现火星磁场会显著影响夜间200 km以下的电子浓度分布结构,强磁场中闭合磁力线对电子沉降过程的阻碍作用使得在夜间该区域的电子浓度小于相邻区域.同时,通过比较deep-dip期间昼夜电子浓度随高度的变化,发现夜间电子沉降作用的影响可能主要集中在160 km以下.

     

火星环境探测结果分析

本文对空间飞行器所观测取得的火星环境的资料进行了分析研究，并对有关火星磁层和电离层及其与太阳风机相互作用的研究结果进行了概述。     

金星的重力场与地壳厚度

利用Megellan号探测器确定的重力场和地形模型资料,进一步分析了金星重力场特征,并利用金星地幔对流模型建立了动力学模型的大地水准面地形比,即动力学模型导纳.然后利用该动力学模型导纳,基于2~40阶大地水准面是由与动力学过程相联系的岩石圈下密度异常产生的假定,在扣除重力场和地形的动力学影响的基础上,利用球面Parker公式反演了金星地壳的厚度.结果显示:金星重力场和地形受到金星地幔动力学过程的强烈影响;金星地壳也对地形产生显著影响;金星地壳厚度变化范围主要集中在28~70 km,Ishtar高原以及Aphrodite高原西部的Ovda和Thetis区域是金星地壳最厚的区域(大于50 km),该区的高地形主要与地壳均衡相关,这与其是古老陆地残留的推测一致.在Beta,Themis,Dione,Eistla,Bell和Lada区域地壳厚度较薄,且与地形无明显相关.特别是在Aphrodite高原东部的Atla和Imdr区域,地壳厚度与周围区域地壳厚度基本一致.这种特征与这些区域的高地形主要是由热柱的动力学过程引起的假定相一致.与包含动力学影响得到的金星地壳厚度相比,扣除动力学影响后得到的金星地壳厚度能更好地反映金星地壳的演化和内部动力学过程.     

电离层预报模型研究

当利用无线电电磁波进行远程通信、卫星导航时,传递信号要受到电离层的影响,因此,对电离层中电子含量的研究显得特别重要.虽然国际上有几种电离层的电子含量预报模型,但其预报只能精确到电子含量的50%～60%.本文提出了一种新的电离层电子含量预报方法:即用球谐函数对IGS(国际GPS服务)所给出的离地面450 km高的球面上的每一网点的电离层电子含量进行拟合,对不同的时间所得到的拟合系数所形成的时间序列用时间序列分析理论中的ARMA(p,q)模型进行预报,从而实现全球的电离层电子含量预报.利用本方法对2004年和2005年IGS所给电离层电子含量资料在地理框架中做了分析预报,5天内电子含量预报相对精度在90%左右.     

火星地震学与内部结构研究

目前世界多国掀起了第二次深空探测热潮.火星是人类重点关注甚至有移民愿望的行星.美国2018年发射了"洞察"号前往火星探测其内部结构,其科学目标是理解火星形成和演化过程.洞察号搭载了三套科学设备,其中火星地震仪是最为成功的,并取得了若干的研究进展.本文首先阐述火星地震学与内部结构研究进展,包括火星地震事件的识别过程、火星...     

中国地区电离层TEC暴扰动研究

电离层总电子含量(TEC)是空间天气研究和监测预报的重要参量.本文引入了电离层TEC扰动指数DI, 对青岛等6个台站的DI数据进行分析,选取DI>0.35(DI≤-0.30)作为正(负)相电离层TEC扰动的强度标准,并以连续6 h及以上的DI满足该值来判定电离层TEC暴扰动事件.对电离层TEC暴扰动事件的统计分析表明,在地方时日落后至子夜前为发生高峰时段,正(负)相暴扰动事件平均持续时间约为10.9 h(10.5 h),正相暴发生率以冬季为多,夏季为少,而负相暴则以夏季略高.发现位于赤道异常驼峰区的广州站和位于高中纬度的海拉尔站比典型中纬地区的北京站电离层TEC暴扰动更易发生,且低纬地区以正相暴扰动为主.分析表明,约有70%的电离层TEC暴扰动伴随着有地磁扰动,但是电离层TEC暴扰动并不完全由地磁扰动所引起,强烈气象活动等局地环境因素也可能对电离层TEC暴扰动有着重要影响.     

一次日食电离层效应模拟研究

用120°E经度链附近台站电离层垂测资料和一个二维低纬电离层理论模式探讨1995年10月24日日食电离层效应．在日食条件下只考虑日食区计算太阳EUV辐射减少．模式结果显示：（1）日食期间较低高度电离层光食效应显著,电子浓度跟随食分迅速变化,在食甚后浓度减少达到最大。较高高度电离层对日食响应延迟.（2）低纬地区日食日f0.F2比控制日低,而hmF2比控制日高．在低纬度地区日食带来的影响相对较大·（3）赤道附近hmF2食甚后有一突变,出现日食F1.5层。（4）食甚后海口纬度附近F层受日食影响持久,而f0F2在赤道附近出现第2次下降．最后对低纬日食电离层效应的动力学因素进行了初步的讨论．     

中国地区电离层TEC暴扰动研究

电离层总电子含量(TEC)是空间天气研究和监测预报的重要参量.本文引入了电离层TEC扰动指数DI, 对青岛等6个台站的DI数据进行分析,选取DI>0.35(DI≤-0.30)作为正(负)相电离层TEC扰动的强度标准,并以连续6 h及以上的DI满足该值来判定电离层TEC暴扰动事件.对电离层TEC暴扰动事件的统计分析表明,在地方时日落后至子夜前为发生高峰时段,正(负)相暴扰动事件平均持续时间约为10.9 h(10.5 h),正相暴发生率以冬季为多,夏季为少,而负相暴则以夏季略高.发现位于赤道异常驼峰区的广州站和位于高中纬度的海拉尔站比典型中纬地区的北京站电离层TEC暴扰动更易发生,且低纬地区以正相暴扰动为主.分析表明,约有70%的电离层TEC暴扰动伴随着有地磁扰动,但是电离层TEC暴扰动并不完全由地磁扰动所引起,强烈气象活动等局地环境因素也可能对电离层TEC暴扰动有着重要影响.     

一次日食电离层效应模拟研究

用120°E经度链附近台站电离层垂测资料和一个二维低纬电离层理论模式探讨1995年10月24日日食电离层效应．在日食条件下只考虑日食区计算太阳EUV辐射减少．模式结果显示：（1）日食期间较低高度电离层光食效应显著,电子浓度跟随食分迅速变化,在食甚后浓度减少达到最大。较高高度电离层对日食响应延迟.（2）低纬地区日食日f₀.F₂比控制日低,而h_mF₂比控制日高．在低纬度地区日食带来的影响相对较大·（3）赤道附近h_mF₂食甚后有一突变,出现日食F₁.5层。（4）食甚后海口纬度附近F层受日食影响持久,而f₀F₂在赤道附近出现第2次下降．最后对低纬日食电离层效应的动力学因素进行了初步的讨论．     

武汉大学IGS电离层分析中心全球电离层产品精度评估与分析

2016年2月,武汉大学卫星导航定位技术研究中心（Wuhan University,WHU）正式成为新的国际GNSS服务组织（International GNSS Services,IGS）电离层联合分析中心（Ionosphere Associate Analysis Center,IAAC）.本文首次系统地评估和分析了武汉大学IGS电离层分析中心自2016年日常化运行以来（2016年1月到2018年9月,太阳活动低年）的全球电离层产品的精度,并与其他六家IAACs（CODE、JPL、ESA、UPC、EMR和CAS）进行了比较分析.结果表明：WHU的全球电离层产品能够长期稳定且有效地监测全球电离层总电子含量（Total Electron Content,TEC）的时空变化;和IGS综合全球电离层产品比较,WHU的模型均方根误差和CODE、JPL相差不大,均值约为1.4 TECU,产品一致性优于其他IAACs;和GPS实测电离层TEC比较,WHU的模型内符合精度和CODE基本相当,均值约为1.4 TECU,且与电离层活动水平和地理纬度存在显著的相关性;和Jason-2测高卫星VTEC比较,WHU的全球电离层产品的系统性偏差均值约为-0.7 TECU,在不同纬度约为-3.0到1.0 TECU,且与地理纬度存在近似抛物线函数的关系;WHU的模型外符合精度和CODE、JPL以及CAS基本一致,均值约为2.9 TECU,且在中高纬度地区优于低纬度地区,北半球优于南半球.

     

近年来中国电离层物理研究进展

在梁百先等1994年评论的基础上，对最近几年来国内的电离层研究作了简单的回顾与评述侧重于电离层扰动及波动，电离层探测和资料分析方面的新发现，反演方法以及预报模式等方面．     

基于地震电离层现象研究结果的分析与总结

地震电离层现象作为地震事件在电离层中的物理表象,随着观测资料的积累不断地被发现和报道。大量研究结果表明,地震电离层现象复杂多样,难以捕捉和确认。本文针对主要的地震电离层现象进行简要介绍,并依据研究参量、地震事件的震级、异常出现的时间、异常的空间方位以及异常的正负等要素,对以往的地震电离层现象进行分类总结,尝试从现有研究结果中挖掘地震电离层异常出现在震前的天数与震级的关系、异常空间分布方位及频次、正负异常的震中距与震级的关系,探索地震电离层异常现象在时间上的变化特征和空间上的分布特征。     

金星:认识早期地球的窗口

无论在行星大小、质量还是轨道速度等方面,金星都是太阳系中与地球最相似的行星.自1960年代初期开始,金星一直是人类深空探测的重要目标.本文简要地回顾了人类探索金星的历史,总结了对金星已有的认识,梳理了金星的主要科学问题,最后介绍了未来的国际探测计划,并建议了我国的金星探测目标.早期对金星的探测以苏联的金星计划(Венера)和美国的水手系列(Mariner)为代表,后期的探测器以欧盟、日本等国家的“金星快车(Venus Express)”、“拂晓号(Akatsuki)”为代表.这些探测结果为我们认识金星大气成分、地表地形和内部结构提供了重要的数据.金星的大气组成以CO₂为主,含少量N2,与现在地球的大气组成显著不同,类似早期地球的大气组成.虽然金星地表目前没有液态水,但部分理论模拟工作表明金星地表可能曾经有液态水.一系列探测器对金星地表成分的分析表明,金星地表主要由玄武岩组成.在地形地貌方面,由于金星特殊的地表环境,金星表面风化作用对地表地貌影响很小.金星的地表主要受控于比较年轻的火山作用,发育了许多不同于地球的地貌特征,主要包括区域平原、盾状火山平原、冕状地形以及瓦片状地形等,其动力学机制可能是地幔柱—岩石圈相互作用或地幔对流,至今未发现与板块构造相关的地貌.现阶段金星没有太多大型的、活跃的火山热点,虽然无法估测准确的火山活动速率,但相比地球来说火山活动速率小很多.在内部结构方面,金星具有与地球类似的核幔壳结构.金星的内部组成也与地球类似,例如金星地幔很可能是与地球相似的橄榄岩成分.不存在内部磁场和缺乏板块构造是金星区别于地球的两个重要特征.关于金星为什么没有自身磁场,主流观点是金星地核缺乏对流,无法演化出磁场.而针对金星为什么没有演化出板块构造,目前认为主要有三个可能的原因:地表温度过高,没有软流圈,金星缺乏液态水,其中液态水的缺乏接受度最广.从大气组成、地表岩石组合、构造作用等角度来看,金星都与早期地球非常相似,是我们理解类地行星演化的天然实验室.研究金星和地球为什么会朝不同方向演化,是深入理解包括系外行星在内的行星的宜居性形成与演变的重要途径。因此,金星一直是优先级别最高的深空探测目标之一.近几年,美国、俄罗斯以及欧洲等国家和地区分别针对金星目前主要的科学问题,例如金星是否存在早期海洋、金星的宜居性以及结构和重力场等,先后提出各自的金星探测计划.我国在新的国际竞争中应该、也必然有所作为.     

电离层对台风响应的全过程的特例研究

作为特例研究,本文对1988年和1990年两次强台风影响期间的电离层多普勒记录及相应的台风资料进行了细致的相关分析,目的是利用多普勒记录的连续性优点来了解电离层对登陆（或近海）强台风通过声重波响应的演化全过程.分析表明,在这两次台风影响期间,电离层形态中除有明显的波状扰动（中尺度声重波）出现外,还有一些值得注意的新现象：波动的时间演化表现出明显的幅度逐渐增加以及频率由高频向低频转变,在振幅很大的情况下日落后同时出现扩展F（Spread-F）现象,显示了声重波在激发电离层不规则结构方面的种子作用.这一演化过程与电离层中TIDs的线性传播理论一致,文中开展了对这一现象的非线性数值模拟,模拟结果基本上也与上述观测现象相吻合.     

金星的地幔对流、岩石圈演化和表面更新

金星在大小、轨道半径等方面与地球非常接近,但现今的观测显示金星在大气、表面温度、重力与地形特征等方面与地球非常不同.对固体金星而言,最显著特征是有火山活动但没有活动的板块构造运动、表面平均大约500±200 Ma的年龄显示金星发生过全球性表面快速更新、重力与地形强相关.本文在简要介绍已有工作的基础上,主要介绍我们基于这些观测特征开展的金星动力学研究,包括现今地幔的对流模式、相变对表面更新的影响、地壳厚度、岩石圈演化与表面更新等研究工作和取得的初步认识.

     

火星感应磁场模型及其磁力线分布

本文利用火星具有电离层而无内禀磁场的特点以及它与太阳风相互作用的性质,通过适当的假设,建立了火星感应磁场模型.此模型建立如下,利用电流连续的特性: Δ·j=0 (j为感应电流)以及对火星磁层中的电流体系分布的合理假设给出电流,并由毕奥—萨伐尔定理得到火星周围的磁场强度的表达式;利用我们自编的磁力线跟踪程序由求得的磁场强度得到火星周围的磁力线分布.我们发现:利用此火星磁场模型得到的火星周围的磁力线分布与卫星观测的结果以及其他方法得到的结果符合的很好.     

磁层-电离层电动耦合的中纬电离层效应

本文通过对1982年磁扰期间琼中、北京两站地磁X分量变化的分析,证实了磁层-电离层电动耦合对中纬电离层电流的影响.分析发现:磁静、磁扰条件下的平均日变化中,两站X分量变化在白天有反向的趋势.这表明它们分处于与动力效应对应的电离层发电机电流圈中心之南北两侧.在磁暴主相期间,X分量变化形态与之明显不同,两站地磁南北分量有同向变化,且变幅相近,甚至有时北京站△X更大.对环电流能量增长指数R小于—25nT/h的21次事件所作的时序叠加分析（以R最负时为零时）进一步证明,这种同向变化是普遍存在的.两站零时之△X大小相近,相关系数高达0.98.该同向变化与R指数突然变负密切相关. 以上对比表明,与发电机电流造成两站X分量反向变化不同,同向变化是磁层源高纬扰动电流向中低纬直接穿透的结果.本文对动力和电动耦合两种过程的不同进行了初步讨论.     

中国区域电离层扩展F发生率特征研究

本文利用2011年富克、厦门、南宁、克州、格尔木、西安、北京和漠河等电离层垂测站的电离层扩展F数据,统计了中国区域电离层扩展F发生率的日变化、季节变化和区域变化特征.除了漠河外,中国区域电离层扩展F发生率的日变化、季节变化特征比较一致,扩展F出现在夜间(18～08 LT),且午夜后多于午夜前,以6月为中心的夏季月份扩展F发生率高.电离层扩展F发生率的最大值随着纬度的增加而减少,发生率最大值出现的时间也随着纬度增加而延迟,具有明显的"纬度效应".漠河电离层扩展F与中国区域中其他地方相比较,在发生时间段、发生率数值和季节变化特征方面都具有明显的不同特征,这些情况表明漠河电离层扩展F的产生机制和影响因素可能是不同的.