近磁尾TC-1观测到伴随有高速流的ULF波及不稳定性分析

2004年8月3日近地TC-1卫星在磁尾X_GSM~－12R_E的等离子体片内,观测到了伴随着高速流的低于离子回旋频率的波,即超低频波(ULF,Ultra Low Frequency).该波垂直分量的振幅在高速流及其振荡减速期间大致相当;而平行分量振幅在高速流时明显大于其振荡减速时. 利用一个扰动双流模型对完全磁化离子横场漂移驱动的电磁不稳定性计算后,预测结果表明:(1)对于垂直分量来说,横场漂移速度与Alfvén速度的比值影响不稳定性增长率和激发波频率,随其比值增加,增长率变大,激发波频率从负值增加到正值.(2)对于平行分量来说,温度各向异性时等离子体热速度与Alfvén速度比值只影响不稳定性增长率和激发波频率,未改变不稳定性模类别;而温度各向同性时离子横场漂移速度与Alfvén速度比值既影响不稳定性模的种类及其分支,又影响激发波频率.进一步将卫星观测到的等离子体密度、温度、整体流速和磁场代入模型方程,进行数值计算与上述预测结果对比后发现:卫星观测中垂直分量的功率谱密度(PSD,Power Spectrum Density)增强时间和频段与理论模型中由β_//、β_⊥和v_⊥/V_A引起不稳定性激发的波一致;卫星观测中平行分量的功率谱密度增强时间与理论模型基本相符,但是前者的频率明显地低于后者.因此,除了需考虑平行磁场的离子整体流速对不稳定性激发波频率的可能影响,还需要统计上进一步核实伴随有高速流的ULF波与不稳定性的相关性.     

Ionospheric perturbations before Pu’er earthquake observed on DEMETER

A destructive shock with magnitude of 6.3 occurred on 2 June 2007 at 21h34min56s UT in Pu’er region (23.0°N, 101.1°E), Yunnan Province, China. The data from DEMETER satellite during the period from 23 May to 2 June, i.e., ten days before the earthquake and one day just on the day of earthquake occurrence, were analyzed. Among the 284 orbits of DEMETER during the period, 29 orbits with the trace passing through the region within 1 888 km from the epicenter were selected to be studied. Seven anomalous events were found on the dataset of the seven orbits among the 29 ones. There existed synchronous perturbations on the variations of the spectrogram of the electric field and the variations of the density and temperature of the ions and electron, in contrast with the variations of its surround- ing area. And five events appeared in the space within 1 888 km from the epicenter while the other two were out of the studied area. Electrostatic turbulences were also recorded with the synchronous perturbations with that in the electron density and ions density in plasma in the region near the epicenter in the five events, which seems to sug- gest that there be some physical relation between these events and the preparation processes of Pu’er earthquake.     

顶部电离层电子密度和温度的统计背景及其地磁活动变化

通过对DEMETER卫星从2004年11月7日至2005年11月30日期间探测到的710 km高度顶部电离层的电子数据进行网格化(纬度2°×经度4°)统计平均,本文分析了不同地磁条件下顶部电离层电子密度和温度的全球分布情况.不论是在地磁宁静还是地磁活动期间,顶部电离层电子密度的分布都存在着一个巨大的威德尔海异常(夜间电子密度高于白天的)区域(30°W~180°W和 30°S~75°S)、夜间中纬槽(35°N~60°N和35°S~60°S)和夜间南大西洋地磁负异常区域的低密度结构,而且电子密度在磁倾(dip)赤道附近最大,说明710 km高度的顶部电离层并不存在赤道异常.和电子密度的分布相反,电子温度在磁倾赤道附近最小,在等离子体层顶附近最大.在地磁活动期间,顶部电离层电子的密度普遍增加,同时电子密度的赤道峰值向中纬区扩宽.但是,地磁活动并没有明显地改变威德尔海异常区和夜间中纬槽的空间范围.另外,地磁活动对电子温度的影响并不明显,它仅造成了等离子体层顶附近的电子温度增大.     

太阳活动低年电离层磁场VLF波的观测特性研究

本文利用搭载在DEMETER卫星上的感应式磁力仪(Instrument Magnetometer Search-Coil, IMSC)探测数据分析了磁场甚低频(Very Low Frequency, VLF)波功率谱的空间分布.在排除地磁扰动影响(Dst≤-30 nT,Kp≥3,AE≥200 nT)的前提下,我们给出2007年不同季节,日侧和夜侧,磁场VLF波功率谱的全球分布的背景场探测和对应的统计误差分布.利用太阳活动低年的背景场探测统计分析了磁场VLF波功率谱的频谱特性和季节变化,以及对来自空间的地磁活动的响应特征.太阳同步高度卫星探测的磁场VLF波功率谱也可以观测到源于地球特定区域里的磁场异常所产生的频谱响应.12.5~17.5 kHz频段的磁场VLF波功率谱全球分布清楚地给出了南大西洋磁场异常区的分布轮廓.夜间百慕大地磁异常影响了磁场VLF波功率谱的多个频段,并显示出类似于高纬极区磁场的地磁活动响应的观测特征.卫星磁场VLF波功率谱探测背景研究表明,源于空间的地磁扰动和源于地球的局部地磁异常都会引起电离层磁场VLF波功率谱的变化.特别是在12.5~17.5 kHz频段,我们发现了沿板块边缘分布的电离层磁场VLF波功率谱增强带,这将为我们探寻由板块运动引起的地球突发事件的电离层响应增加探测依据,为定量甄别此类事件的电离层异常信号积累实用的背景参照.     

DEMETER卫星观测到的云南普洱地震前的电离层扰动

北京时间2007年6月3日5时34分56秒（2007年6月2日21时34分56秒UT）在中国西南部的云南省普洱市宁洱县(23.0deg;N, 101.1deg;E)发生了MS6.4地震, 本文分析了DEMETER数据中心从此次地震前10天（5月23日）至地震当天共11天的数据, 寻找可能与此次地震有关的电离层前兆. DEMETER卫星在此期间有284个半轨,本文选择研究了飞过震中周围约1 888 km范围上空的29个半轨（在此范围内卫星到震中的最大距离为2 000 km）. 其中,在29个半轨中的7个半轨中发现了7次异常事件,它们的电场频谱、电子和离子的温度及密度与周围空间相比表现了同步的变化. 其中5次事件出现在研究的区域内,即震中周围1 888 km范围的空域中, 而另外两次事件则远离研究的区域. 分析表明这5次事件可能与普洱地震有关.      

3C 345和3C 273的光变分析

用结构函数法,对两个经典的blazar 3C 273和3C 345的22 GHz、37 GHz和光学波段的数据进行了周期分析.结果显示,3C 273的周期性比较明显,22 GHz经分析存在7.0年和14.7年的周期,37 GHz存在7.2年和14.5年的周期,同时它的光学波段可能存在0.7年和8.7年的周期.3C 345的37 GHz存在比较明显的8.8年的周期,22 GHz和光学波段分别存在不太明显的9.3年和10.2年的周期.     

等离子体片离子分界线的模拟研究

等离子体片离子向内磁层的渗透在亚暴和磁暴过程中都起到了重要作用.以往对于等离子体片离子向内磁层的渗透都是通过固定磁矩的磁层离子漂移轨道理论来进行的.本文将过去的(U,B)空间中固定磁矩的磁层离子漂移轨道理论扩展为固定能量的磁层离子漂移轨道理论,讨论了等离子体片质子在向地球输运过程中,不同能量的质子开放轨道和封闭轨道的分界线的特性,及其随Kp指数的变化.在高能端,随着能量的升高,等离子体片质子分界线地心距离逐渐增大,且分界线的晨侧地心距离远远大于昏侧的地心距离.在低能端,随着质子能量的降低,质子分界线地心距离逐渐增大,且其分界线的昏侧地心距离要大于晨侧的地心距离.模拟结果还显示随着Kp指数的增强,等离子体片中不同能量的质子分界线都向地球移动.但在低能端和高能端,质子分界线的行为是不一样的.在低能端,随着Kp指数的增大,质子内边界形状基本保持不变.但在高能端,随着Kp指数的增大,质子内边界形状也将发生变化.在E=20 keV,Kp=6和E=10 keV,Kp=3两种情况,质子分界线甚至出现了两个分离的区域,一个是环绕地球的封闭轨道区域,一个是晨侧孤立的锥型区域.等离子体片能量为E的质子的内边界就是具有不同磁矩的Alfven层上能量为E的点的连线.TC-1热离子谱仪对等离子体片离子内边界的观测显示模拟结果与观测结果符合得很好.     

太阳活动低年时太阳同步轨道电场高频(HF)波的观测特性研究

文章使用搭载在DEMETER卫星上的电场探测仪器(Instrument Champ Electrique,ICE)在太阳活动低年(2007年2月4日到2008年2月3日)所探测的数据,研究频率从10 kHz到3.33 MHz宽频段的高频(HF)电场波功率谱的空间分布特征.地磁宁静期间,从2.08 MHz到3.33 MHz的高频段,电场HF波功率谱密度随频率升高而升高,且电场HF波功率谱密度的全球分布比较均匀,基本上不随地球的经度和纬度变化.向阳面时,不同经纬度间HF波功率谱密度的差异小于背阳面的.电场HF波功率谱的季节变化主要表现为:向阳面1.25 MHz和1.66 MHz频段,在低纬度出现峰.地磁平静时期电场HF波功率谱密度的区域分布变化比较大的是0.42 MHz和1.66 MHz两个频段,尤其是在背阳面的北半球高纬度区域.地磁活动引起电场HF波功率谱扰动的非均匀性增强,主要表现在电场HF波的低频段(3.25~416 kHz),扰动响应区域发生在高纬度区.在赤道和低纬附近(纬度:~±40°之间),地磁活动的响应很小.在背阳面的磁尾方向,电场HF波功率谱表现出明显的磁暴增强.磁暴(DstAE>200 nT)和高纬磁扰动(Kp >3)期间,功率谱的最大增幅比地磁平静时期大一个数量级.考虑到亚暴和高纬磁扰期间,来自空间的扰动影响主要是高纬度区域,电场HF波功率谱的增强主要受空间物理过程的影响.鉴于本文使用的是在太阳活动低年的数据,观测到的磁暴基本上都是弱磁暴,最大的也只是中等磁暴;可以推测强磁暴、烈磁暴甚至巨磁暴发生时,电场HF波功率谱的增强应该更加显著.如果在地磁平静时期尤其是没有磁暴期间,地球的局部区域出现电场HF波功率谱(尤其是1.66 MHz以上的)异常增大,那么就要着重考虑是否为地球内部的异常现象(如地震)所导致的电离层响应.     

卫星观测数据与地震关系的统计分析

电磁波增长、等离子体密度、粒子通量的扰动与地震的关系已经被前人研究了二十年了。尽管不断有人提出新的震例分析试图说明它们之间存在关联,但是只有通过对大量数据进行详尽的统计分析才能得到令人信服的结论,才有可能将卫星数据用于地震预报。本文前一部分回顾了这些年比较有代表性的关于空间卫星观测电磁波与地震关系的统计分析文献,后一部分回顾了地震上空等离子体密度、粒子通量扰动与地震关系的文献。