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[硕士论文] 王慧姿
空间物理学 山东大学 2018(学位年度)
摘要:月球是地球唯一的天然卫星,通过对月球与地球磁层相互作用的研究,可以加深对非磁化太阳系天体与周围等离子体相互作用以及地月系统间相互作用的理解。在月球的轨道周期中,它大部分时间暴露于太阳风中,剩余约四分之一的时间位于地球磁层中。地球磁层屏蔽了大量的太阳风,但是在地球磁层内同时存在着来自太阳风和地球的成分(例如,H+、He+、O+、N2+、NO+、O2+),其粒子能量的范围较大,粒子通量通常比太阳风低,地球磁层内不同区域的等离子体能量和通量也各不相同。而月球无大气无固有磁场,等离子体可以直接作用于月球表面,故地球磁层与月球之间或多或少会产生影响。因此,本文将对月球与地球磁层之间的相互作用进行研究,包括地球磁层粒子对月球表面水的生成的影响,月球位于地球磁层内的不同区域对地球磁层磁场活动的影响。
  在第一章中,主要介绍了月球与等离子体相互作用的研究背景,包括不同天体与等离子体的相互作用机制;固体表面受等离子体轰击所产生的效应;月球空间的等离子体环境,其中包括月球与太阳风相互作用,月球与磁层相互作用的研究现状以及比较月球处于太阳风和磁层中时,等离子体环境的异同等。
  在第二章中,主要介绍了地球磁层粒子对月球表面水生成的影响。利用ARTEMIS卫星ESA仪器的数据,计算五年内的平均能谱,统计磁层内外能通量的差别;利用2009年1月26日-2月9日月船一号(Chandrayaan-1)月球矿物测绘仪(Moon Mineralogy Mapper,M3)的数据,通过计算波长在2.8微米附近的吸收深度来表征水含量,对月表水含量在空间分布及时间变化上进行了统计,尤其是磁层内外水含量的差异;利用了月亮女神(Kaguya)卫星磁场与等离子体实验仪器(MAP-PACE)的数据,通过磁场和粒子能通量的变化确定该月球周期内月球在地球磁层里的时间段。观测结果表明地球磁层内能量在1KeV(太阳风主要能量)的能通量降低约两个数量级,而月水含量在月球位于地球磁层内外时却没有量级上的差别。为了解释该现象,计算了月球进入地球磁层后太阳风H在月壤内的扩散损失,结果显示在月球高纬度地区H的扩散损失达一半以上,这说明磁层粒子产生的水使月球水含量在磁层内没有减少。通过统计太阳风和磁层平均能量-能通量分布,给出了太阳风和磁层内相同能量-能通量的两个交点,可以为实验室开展轰击实验提供依据。
  在第三章中,主要介绍了月球位于地球磁层内不同位置时对地磁活动的影响,利用ARTEMIS卫星的磁场、速度、密度、温度等5年的数据找出了月球位于磁层内的时间段,在此时间段内利用Beta值(热压/磁压)的大小区分出月球位于磁层的不同区域的时间(等离子体片、等离子体片边界层、尾瓣),统计月球位于磁层内的不同区域对地磁活动的影响并分析其物理机制,统计结果显示满月之前地磁活动减弱,满月之后地磁活动增强,利用高纬AE指数统计得到满月前后变化的幅度更加明显,这说明月球可能是通过磁尾调制地磁活动的;在磁层内三个区域统计结果显示,月球处于磁层内的不同位置对地磁活动的影响不同,月球在等离子体片及边界层内时,地磁活动在晨侧较强,而月球在尾瓣时,地磁活动在昏侧较强,并且满月前后变化的趋势与月球位于等离子体片的概率呈反相关关系,但这其中的物理机制还需进一步研究。
  综上所述,地球磁层等离子体对月球表面水的产生存在一定的贡献,月球对地磁活动也存在一定的影响,其中的物理机制有助于对地月系统相互作用的理解,为将来的探月和深空探测任务提供理论基础。
[博士论文] 曾炫云
空间物理 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:大气重力波在中高层大气中起着重要的作用,重力波的参数化是研究重力波的一个重要问题。大气重力波不仅作用于中高层大气较低的区域(例如平流层),甚至在某些情况下会对电离层造成一定的影响。例如作为电离层天气的重要组成部分的电离层行波扰动主要是由大气重力波引起的。虽然已经有很多针对特定事件研究电离层行波扰动的传播和可能的波源的研究。但由于观测数据在时间和空间覆盖范围的有限,导致如何使用卫星数据来提取和参数化重力波,以及从全球范围内提取电离层行扰变得很困难。
  我们使用了the Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere and Climate(COSMIC)系统的GPS卫星的掩星观测技术提供的温度廓线研究了青藏高原上空平流层中18-30公里高度上的重力波的势能从2007年至2015年八年的变化。我们发现,随着高度的增加,由对流引起的平流层重力波的势能会下降。该地区可能存在明显的地形激发产生的重力波。在以往被认为缺乏强的地形重力波活动的青藏高原地区,所有研究年份的春季和冬季都存在明显的重力波活动。在青藏高原所处的纬度带,重力波势能的大小与各个高海拔地区的地形高度有一定的对应关系。并且随着重力波向上传播到零风层区域,地形重力波的活动被风场迅速过滤。分析表明,在青藏高原地区存在明显的地形重力波的激发,并在向上传播至平流层顶部的过程中受到风场较大的影响。
  利用掩星观测数据可以很容易取得重力波的垂直参数,然而要获取更多重力波的信息,水平参数的提取是个非常大的难题。我们利用在COSMIC的卫星群发射后2006年至2007年间六颗卫星结伴飞行的有利条件,将the multichannel maximum entropy method(MMEM)分析方法应用于平流层温度数据,成功获得了比以前研究更加真实的水平波长。我们成功地提取了重力波的一系列参数,为平流层重力波的全球空间分布和季节变化提供了各种有价值的结果。我们与以前的研究结果比较表明,重力波参数的特征可能不太受数据和提取的模式方法的差异的影响。重力波的振幅,势能和动量通量表现出明显的季节变化特征,尤其在夏季的亚热带和冬半球的高纬度地区最大。重力波参数与北半球山地区域海拔高度的比较表明,除了已被大量研究的地形重力波的热点地区如安第斯山脉外,地形重力波在北半球的中高纬度地区表现也很活跃。
  在此基础上,我们将MMEM方法用于提取电离层电子浓度的波动信息,成功统计了电离层波动的全球空间分布和季节变化。据我们所知,这是该方法首次被应用于COSMIC掩星的TEC廓线研究电离层的波动。结果表明,低纬和高纬地区的电离层波动振幅增大,中纬度减小。电离层波动的垂直和水平波长在中纬度增加,在低纬度和高纬度减少。此外,北半球中纬度地区的电离层波动的振幅和垂直波长在冬季增加,在夏季减少,并且在海拔较高的区域其幅度也增加。
[硕士论文] 张学习
空间物理学 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:火星(Mars)是太阳系八大行星之一,对火星的探索也是目前人类航天活动的目标之一。通过研究火星的电离层有助于我们进一步了解火星所处的空间环境、大气结构以及太阳活动对火星的影响、与火星的相互作用等科学问题。本文利用MAVEN(Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN)卫星的火星电离层电子浓度数据,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、强磁场区域的对火星电子浓度的影响、白天和夜间电子浓度随高度的变化情况以及火星和地球电离层结构的异同。
  MAVEN卫星围绕火星对其进行实地探测,为研究火星的电离层提供了有力的数据基础,尤其是对火星夜侧电离层的研究。理论上MAVEN能探测到所有SZA和当地时间(Local Time,LT)范围内的数据,并且探测精度更高。通过分析32个月的MAVEN卫星LPW(Langmuir Probe and Waves,LPW)仪器的电子浓度探测数据,我们发现在200km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,使得白天和夜间电子浓度差异较大,此时电离层昼夜传输能影响到的最大范围约在SZA=110°;而在200km以上,白天电离层受输运过程控制,此时昼夜电子浓度差距较小,昼夜间电子浓度变化较为缓慢。
  MAVEN在飞行过程中,部分轨道能够达到比正常轨道更低的高度,进行低高度的深入探测(deep-dip),且每次deep-dip持续约一周。MAVEN在deep-dip期间能够探测到火星电离层电子浓度峰值高度附近的数据。通过研究deep-dip期间的数据,我们发现火星磁场会显著影响夜间200km以下的电子浓度分布。在火星的强磁场区域,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,我们还利用MAVEN4次deep-dip期间的数据,对比了白天和夜间电子浓度随高度变化的剖面图,发现主导夜间电子浓度大小的电子沉降作用所影响的高度范围约在160km以下。由于这个原因夜间电子浓度在峰值高度以上的快速减小持续到约160km,比白天低约40km。
  最后,基于MAVEN在6次deep-dip期间的电子浓度数据,对比分析对应的地球电离层E层的COSMIC数据和IRI模式计算电子浓度。结果显示,MAVEN观测白天M2层电子浓度峰值与IRI的E层电子浓度接近,地球E层与火星电离层的主峰值相比差异不大,且夜间的差异略大于白天。
[博士论文] 杨昶
空间物理学 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:范·艾伦辐射带包含大量被地球磁场捕获的高能电子,这些电子可造成多种卫星故障,甚至对在轨航天员的健康构成威胁。受多种加速、损失和输运过程的影响,辐射带电子通量经常发生剧烈变化。投掷角是描述带电粒子在磁场中运动的一个基本参数,研究电子投掷角分布对于理解辐射带动力学演化具有重要意义。辐射带中的等离子体波能够与电子发生共振相互作用,作用强度与投掷角相关,这些作用能够高效地改变电子投掷角分布。本论文主要研究波-粒相互作用对辐射带高能电子投掷角分布演化的影响。
  在本论文第一章,我们首先简要描述了地球内磁层的结构,然后介绍了带电粒子在地球磁场中的运动,继而叙述了电子投掷角分布的相关内容,包括投掷角分布按形态的分类,投掷角分布的数学描述方法,投掷角分布在空间上的分布特征以及空间天气条件对分布的影响。最后还介绍了哨声波和磁声波的特征及它们在辐射带中的分布。
  本论文第二章主要讨论哨声模合声波对外辐射带高能电子投掷角分布演化的作用。利用Van Allen Probes数据,我们研究了两个合声波与电子相互作用的观测事例。第一个事例中,电子投掷角分布在初始时刻呈高斯型,并在合声波的作用下逐渐演化为接近平顶型分布。第二个事例中,电子初始投掷角分布为蝴蝶型,并在一至数小时内转变为平顶型或高斯型,我们发现这种变化是合声波对大投掷角电子的加速作用导致。我们的研究充分说明了合声波对外辐射带高能电子演化的重要意义。
  本论文第三章主要研究辐射带槽区中的电子投掷角分布。前人的研究已经指出,槽区中能量为一百多keV至数百keV的电子投掷角分布经常呈现较浅的蝴蝶型,对于这种分布产生的原因此前尚不清楚。我们利用统计的方法对这个问题进行了研究。首先统计了槽区中电子蝴蝶型分布的空间特征;继而探讨了槽区电子蝴蝶型分布与地磁活动的关联;然后统计了槽区中磁声波和哨声波的分布以及它们对地磁活动的响应;最后我们还分析了槽区电子蝴蝶型投掷角分布与这两种等离子体波的相关性。我们发现磁声波的共振作用是产生槽区电子蝴蝶型分布的主导机制。
  综上所述,本论文主要研究辐射带电子投掷角分布的规律,并讨论波-粒相互作用对电子投掷角分布的影响。我们的研究,从一个新的角度证明了波-粒相互作用是决定辐射带动力学演化的关键因素。
[博士论文] 郭冬杰
空间物理学 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:地球热层是连接低层大气和外层空间的重要部分。热层大气的性质,特别是其密度变化,显著地影响低轨卫星定轨精度和寿命长短。同时,热层和电离层通过一系列物理化学过程耦合在一起。热层变化可以带来电离层扰动,进而影响无线电通信和卫星导航等人类活动。综上,研究热层大气具有重要的应用价值。热层大气变化,特别是其在高纬地区的变化,强烈地受到太阳风一磁层动量与能量输入的调制。本文的主题是热层大气对注入到地球极区的太阳风能量和动量的响应及相关的物理机制研究。本文以热层大气密度为核心,探讨了其对太阳风扇区极性反转和磁层对流等物理过程的响应。本论文的主要研究内容和取得的成果如下:
  1.揭示太阳风扇形结构对热层大气的影响。
  基于约5000个空间物体的两行轨道数据反演的1967-2007年间不同高度的的全球平均热层大气密度,统计分析了其对太阳风扇区极性反转的响应。结果表明,在三月份行星际磁场方向从背向太阳反转为面向太阳的过程中,400公里处的热层大气密度相对其11天的平均值最高增加23%;然而在太阳风扇区极性从面向太阳反转为背向太阳的过程中,密度最大减小仅12%。在九月份,相同的扇区极性反转过程引起的热层密度的增加或减少与三月份相反。在夏至或冬至日时节,扇区极性反转带来的热层密度变化较小。除去季节的影响,随着高度的增加和太阳活动水平降低,热层密度的相对扰动幅度增加。然而,在极低太阳活动条件下,400公里和550公里高度的大气密度的相对扰动接近,这可能是因为热层大气从氧原子主导向氦原子主导过渡的高度在太阳活动极低年下降。我们的研究还表明,太阳风中的共转相互作用区(GIR)与扇区极性反转大概率相继出现,这导致统计结果中太阳风扇区极性反转引起的密度增强有一部分是共转相互作用区的贡献。相应地,扇区极性反转引起的密度减小也被共转相互作用区削弱。
  2.研究极点热层密度的变化特性及其受太阳风扇形结构的调制。
  基于2002年至2010年的GRACE卫星的观测密度进行统计分析可得,南北极的热层大气密度均存在世界时(即磁地方时)变化。在9-11月份地球处于行星际磁场为背向太阳的扇区内(背向扇区)时,南极热层密度在约17:00UT(13:30MLT)达到最大值,比日平均值高约22%。而在6-8月份,当地球处于行星际磁场为面向太阳的扇区内(面向扇区)时,北极热层密度在06:00UT(12:30MLT)达到最大值,比日平均值高约13%。南极点的磁纬是-74°,其在15:30UT处于磁地方时正午,恰与极尖区位置重合。北极在5:30UT处于磁地方时正午,此时北极与极尖区位置最靠近。之前的研究表明极尖区热层密度比周围区域高。因此极点热层大气密度的磁地方时变化可能是其周期性靠近极尖区的结果。南北极热层密度的世界时变化分别在背向和面向扇区内更明显,这可能是与行星际磁场By分量对南北半球密度的不同影响有关。统计结果还表明,极点热层大气密度的磁地方时变化在冬季半球内不明显。这可能是由于在冬季半球,沉降于极尖区的粒子相比夏季半球少、沉降高度低,因而能量沉降所引起的热层上部的密度增强较小。
  3.研究热层高纬低密度胞状结构的高度变化。
  热层高纬的密度胞状结构指的是与临近区域相比局部的密度增强或减弱结构。之前的模拟结果表明密度胞状结构只存在于350公里之下。本工作利用全球电离层热层模式GITM来研究密度胞状结构在较高高度不明显的原因。结果显示在较低或较高的热层区域,离子对流均可以在磁极晨侧区域驱动中性的气旋结构,并在气旋结构的中心形成向下的对流,从而导致气旋中心的大气密度相对背景密度减小,并且密度减小的相对幅度随高度变化不大。在较低高度的热层,密度减小展现为一个明显的独立低密度胞状结构。然而,在较高的热层,背景大气密度在白天-夜间方向的梯度很强,离子对流引起的密度减小被掩盖。因此,独立的低密度胞状结构并没有在较高高度的热层凸显出来。
  4.揭示热层高纬低密度胞状结构的世界时/经度变化特征及其机制。
  GITM的模拟结果显示离子拖曳力驱动的南北半球热层高纬的中性气旋以及低密度胞状结构的强度均随着世界时/经度的变化而变化。而当模拟中的真实磁场被替换为偶极场时,中性气旋和密度胞状结构强度的世界时/经度变化随之消失。这显示了磁极与地理极的偏离在其中的决定性作用。本研究发现受日夜太阳辐射差异的影响,等离子体密度在日侧远大于夜侧。在地球自转的过程中,磁极周期性的处于地理的日侧和夜侧。当磁极处于日侧时,其背景等离子体密度大,这导致中性-离子碰撞频率和相应的离子拖曳力也比较大。因此离子拖曳力随地球自转发生周期性变化,这导致它所驱动的中性气旋和低密度胞状结构产生了世界时/经度变化。
[博士论文] 王庚
空间物理学 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:辐射带中各种波动对其中电子通量的变化起着至关重要的作用。暴时热离子的注入会形成不稳定的离子分布,激发两种低频波动。其一是电磁离子回旋波,它可以和相对论电子回旋共振,被认为是暴时相对论电子损失的重要因素。另一是磁声波,它可以和赤道附近的电子进行朗道共振,可以加速电子到极端相对论水平,也可以造成电子投掷角的蝶形分布。本文介绍了对这两种波的相关研究。
  第一章阐述辐射带的结构,简述基本的动力学过程,解释相关的背景理论模型,介绍所使用的观测数据,给出了论文研究思路。
  第二章针对斜传播电磁离子回旋波对高能电子的非线性散射进行了研究。电磁离子回旋波对高能电子的回旋共振散射被认为是辐射带高能电子快速沉降损失的重要因素。波幅较大时波与电子发生非线性散射,偏离经典的准线性预期。已有研究揭示了在平行的电磁离子回旋波中电子的非线性散射特征。但实际观测到的电磁离子回旋波可以有很大的法向角,在斜传播的波中电子的非线性散射行为还没有研究。利用试验粒子模拟和准线性理论计算,我们发现:斜电磁离子回旋波中,发生基频和谐频共振的电子都会出现显著的非线性效应,非线性电子损失的时间尺度比准线性的预期短。随着波法向角增长,准线性和试验粒子输运系数的偏差逐渐缩小,损失的时间尺度之间的偏差也缩小。这些结果有助于发展辐射带模型,使模型对电磁离子回旋波损失电子的预测更加准确。
  第三章利用范艾伦双星对磁声波进行了协同观测。磁声波是一种低频的哨声模波动,可以通过朗道共振,局地加速赤道附近的磁镜捕获粒子,造成电子的蝶形投掷角分布。之前的观测表明,磁声波辐射可以显著偏离当地质子回旋频率的整数倍,这些与局地激发理论产生矛盾的情况,可能是由磁声波传播所造成的。但是,受制于卫星观测条件和数据处理计算,很难验证这种猜测。我们利用具有高分辨率的频率—时间特征的范艾伦探针数据,进行了磁声波的协同观测。观测发现:在更高的L壳,亚暴注入的热质子激发了分立的磁声波辐射,辐射线在频率—时间谱上呈现出清晰的上升调特征;在更内部的L壳,亚暴热质子并未注入其中,但磁声波几乎在同一时间被观测到,且波信号呈现出一致的频率—时间特征。这些结果支持了磁声波局地激发理论和波传播的假设,有助于完善相关的磁声波模型,以便更准确地模拟辐射带中磁声波与电子的作用。
  第四章总结了本文关于电磁离子回旋波散射电子和磁声波传播的主要工作,并对将来的关于这些波的进一步工作进行展望。
[博士论文] 党童
空间物理 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:电离层热层系统是空间天气的重要组成部分,对通信、导航、卫星和航天飞机的空间活动等都会产生深远影响。这一区域既受到太阳风磁层活动的影响,也通过大气波动耦合与低层大气进行能量和动量的交换。同时在电离层和热层内部也存在着复杂的光化学、动力学和电动力学耦合过程。因此,对热层电离层耦合系统的研究具有重大的科学意义和应用价值。数值模拟是研究这一耦合系统的有效手段之一。本文基于全球电离层-热层-电动力学耦合模式,发展和完善了模式的诊断方法,进而研究电离层热层的耦合过程,探究电离层热层变化规律及其形成物理机制。同时,本文将模式的空间精度拓展至经纬度0.625°×0.625°,在目前同类模式具有较高精度,并以此为基础研究了磁暴和日食期间电离层和热层的响应特征,取得了一系列原创性发现。主要工作如下:
  一、完善数值模式诊断方法,探索电离层-热层耦合现象的物理机制
  (1)探究形成电离层赤道异常半球不对称性的物理机制
  赤道异常是低纬电离层的一种经典现象,过去研究发现赤道异常的全球分布存在明显的南北半球不对称性,但其产生的物理机制尚不清楚。本研究利用电离层热层耦合模式,结合模式诊断方法探究了6月份赤道异常南北半球不对称性的产生机理。研究发现,跨赤道中性风造成的夏季到冬季半球的等离子体输运过程是产生赤道异常半球差异的主要因素,光化学作用也有贡献。此外,本研究还发现这一半球不对称性存在显著的经度变化,这一变化由地理坐标和地磁坐标的偏离造成。通过对氧离子连续性方程的分析表明由坐标偏离导致的中性风经度变化是产生半球不对称性经度结构的主要原因,而电场漂移和光化学作用的贡献较小。
  (2)阐明电离层年异常现象的新机制
  电离层年异常指全球范围内12月份电离层电子密度大于6月份的现象。虽然年异常现象早有报道,但其形成机理至今尚不透彻。以前的研究认为,12月和6月的日地距离差异、地磁场位形以及低层大气潮汐上传都是造成电离层年异常现象的可能因素。然而。本研究结合电离层热层耦合模式,通过一系列控制变量模拟实验,探究了日地距离影响电离层年异常现象的物理机制。我们的研究发现,12月和6月的日地距离差异是产生电离层年异常现象的主导因素。具体地说,日地距离主要通过光化学过程和双极扩散引起6月和12月的电子浓度差异。在白天,日地距离效应导致原子氧电离和中性成分复合的差异,进而造成电离层年异常现象。而在中纬度区域,日地距离也能引起等离子体温度的年变化,从而通过双极扩散作用影响年异常现象。此外,在夜间,中性成分复合和扩散过程也受日地距离作用调制,造成夜间电离层的年异常现象。
  二、发展高精度的电离层热层耦合模式,探究电离层中尺度物理过程
  (1)实现高精度(0.625°×0.625°)的电离层-热层耦合模式
  中尺度的电离层热层变化是空间天气中的重要过程,然而常见的电离层热层模式无法达到模拟中尺度过程所需要的空间精度。高精度模式开发的挑战在于极区数值解的稳定和收敛问题。原有电离层热层模式在极区采用傅里叶滤波的方法,在极区每个纬度截断一定频率的高频振动,用以保持数值稳定。但是,该方法会造成极区的非物理结构,同时也会改变所模拟的真实物理过程的结构,而且不同纬度的截段频率需要通过大量的数值实验进行确定,导致模式精度难以提高。本研究在已有电离层-热层耦合模式的基础上,在极区引入分段抛物线重构的方法,避免原有傅里叶滤波引起的信息丢失和非物理结构,且不需要进行复杂的数值实验来确定傅里叶滤波的截止频率,保证数值计算的稳定和收敛。同时,基于该重构方法,实现经纬度1.25°×1.25°和0.625°×0.625°的高精度电离层热层耦合模式。
  (2)发现磁暴期间电离层双舌状等离子体结构
  地磁扰动期间,在极区对流电场作用下,中纬度地区日侧的高密度等离子体被进一步输运到极盖区,从而产生电离层舌状等离子体(Tongue of Ionization,TOI)结构。TOI结构是指在正午-午夜方向上从中纬延伸到高纬区域的狭长高等离子体密度区域。虽然TOI结构已经被广泛报道,但受观测覆盖范围和模拟精度的限制,TOI结构的精细演化过程却很少被研究。本文利用高精度(0.625°×0.625°)模式研究2013年3月17日磁暴期间的极区电离层变化特性。首次发现,在磁暴主相期间,两个舌状电离结构同时出现。两个舌状结构分别来自晨侧和下午侧的极区对流电场。双TOI结构的产生与极区对流结构和中纬等离子体源区的位形有关。
  (3)揭示日全食期间的电离层-热层的全球响应
  日食期间,月球的阴影会扫过地球。通过影响太阳辐射和能量注入,日食会对电离层和热层系统产生显著影响。本文利用高精度(0.625°×0.625°)模式研究了2017年8月21日的日全食对电离层-热层系统的影响。研究发现电离层和热层对日食的响应不仅局限在月影的日食区内,而是有着全球的响应。通过动力学和电动力学的耦合过程,电离层电子浓度、漂移速度以及热层风场、成分都呈现显著的全球扰动。日食结束后,热层扰动以大尺度行进式扰动的形式向全球传播,造成全球热层电离层系统的扰动。同时,通过全球电动力学耦合过程,电离层电场在日食开始之初就呈现全球的响应。
  (4)首次报道日全食对极区电离层舌状等离子体结构的影响
  极区电离层是连接中高层大气和磁层的重要区域。然而,鲜有工作研究中低纬日食对极区电离层的影响。基于高精度(0.625°×0.625°)数值模式,本文探究了2017年8月21日的日全食对极区电离层的影响。研究发现,虽然此次日全食位于中纬度区域,但其对极区电离层也能产生显著的影响。由于中纬度源区电离层电子密度降低,极区电离层的舌状等离子体结构被明显抑制。GPS TEC观测结果也支持这一结果。此外,日食可以引起的极区电离层电导率变化,而后者在磁层动力学及磁层-电离层耦合中起重要作用。本文提出了日食对电离层-磁层耦合过程的潜在影响。
[博士论文] 迟雨田
空间物理 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:行星际日冕物质抛射(ICME)和流相互作用区(SIR)是行星际空间中的两种大尺度结构,是影响地球空间天气最重要的源头之一,有着许多不同于一般太阳风的特殊性质。因此分析ICME和SIR的局地特征和其地磁效应对于理解空间天气现象和空间天气预报具有重要的意义。本文利用WIND卫星和ACE卫星的局地观测数据和ICME、SIR的局地判定条件,建立了长时间的ICME、SIR列表。利用近20年的ICME、SIR局地列表,对ICME和SIR的局地特征和地磁效应进行了综合的分析。
  根据WIND卫星和ACE卫星的局地数据和ICME的局地判定条件,我们建立了1995-2015年长时间的ICME列表。研究区间包含完整的第23太阳活动周和第24太阳活动周的上升期。根据ICME列表,我们发现每年观测到ICME的数目与太阳黑子数呈正相关关系。根据ICME的磁场结构,我们将ICME分为具有磁云结构的磁云ICME和不具有磁云结构的非磁云ICME。通过对每年观测到的磁云ICME的数目进行统计,我们发现每年观测到的磁云ICME数目与太阳黑子数之间没有明显的相关性。但是通过分析每年观测到的磁云ICME占当年观测到的ICME数目的比例,我们可以发现在太阳活动高年,磁云ICME的比例比较低,而在太阳活动低年,磁云ICME的比例较高。这可能是由于在太阳活动高年,每天爆发的CME数目较多。CME从日面传播到地球附近时,更容易与行星际空间中的CME或其他行星际结构发生相互作用,从而导致局地观测到的ICME的磁场结构发生了变化。除此之外,我们对ICME内平均磁场和等离子体参数进行分析。我们发现每年ICME内部的磁场和等离子体参数也与太阳活动强度具有很好的相关性。在太阳高年,ICME具有更强的磁场和更快的传播速度。同时我们对比了磁云ICME和非磁云ICME的参数特征,我们发现磁云ICME相较于非磁云ICME具有更强的磁场强度。当ICME的传播速度相较于背景太阳风大于当地的快磁声波数时,在ICME的前部就可能会形成激波。利用WIND卫星的局地数据,我们发现近一半ICME事件在其前部引起了激波。对引起激波的ICME事件进行统计分析时,我们发现每年观测到的引起激波的ICME数目和引起激波的ICME数目占ICME总数的比例都与太阳黑子数呈正相关。这说明在太阳活动高年,ICME更容易引起激波。通过对引起和没有引起激波的ICME局地参数进行对比,我们发现引起激波的ICME具有更强的磁场和更快的速度。激波与ICME本体之间的区域又被称为鞘区。通过对比ICME本体及其鞘区的磁场和等离子体参数,我们从统计的角度证实了ICME本体的磁场和等离子体参数值都要略低于ICME鞘区。
  ICME是引起地磁暴,特别是强地磁暴的最重要的行星际源。根据ICME列表和Dst指数,我们仔细分析了1995-2014年的ICME的地磁效应。由于ICME在行星际传播过程中,可能与CME或其他行星际结构发生相互作用,在局地形成复杂结构,共同引起地磁暴。因此,在研究ICME的地磁效应时,我们将ICME分为三类,分别为1)独立ICME(Isolated ICME,简称I-ICME),其所对应的CME在行星际传播过程中,没有与其他CME及其相关结构发生相互作用。2)相互作用的ICME(multiple ICMEs,简称M-ICMEs),在局地观测到两个ICME事件,第一个ICME事件的结束时间与第二个ICME事件的开始时间的间隔小于6个小时,我们就认为这两个ICME事件为一组M-ICMEs。3)激波ICME相互作用事件(Shock-ICMEs,简称S-ICMEs),在局地观测到两个ICME事件,后一个ICME所引起的激波进入的前一个ICME事件的内部,我们就将这两个ICME事件称为一组S-ICMEs事件。其中M-ICMEs和S-ICMEs为复杂结构,内部可能包含两个及以上的ICME事件,因此我们用‘ICME组’来表示这三类不同的ICME事件。在1996-2014年间共有436个ICME事件,363组。其中I-ICME303组,M-ICMEs22组,S-ICMEs38组。通过对不同组的ICME的地磁效应进行分析,我们发现大约有58%组ICME事件可以引起地磁暴(Dstmin≤-30nT)。同时我们调查了1996-2014年所有的强地磁暴事件的行星际源,发现87%的强地磁暴都是由ICME所引起的。根据ICME列表,我们发现每年观测到的ICME组的数目,引起地磁暴的ICME组数目都与太阳黑子数有着良好的相关性。对比第23个太阳活动周和第24个太阳活动周ICME的数目和地磁效应,我们发现第24个太阳活动周的ICME的数目要少于第23个太阳活动周在同阶段观测到的ICME数目。除此之外,在第24个太阳活动周ICME组引起地磁暴的数目和比例都要明显小于其在第23个太阳活动周。通过分析ICME的参数和Dstmin的相关性,我们发现ICME的平均磁场,磁场南向分量,太阳风速度,晨昏向电场强度与Dstmin有很好的相关性。通过分析I-ICME,M-ICMEs,S-ICMEs的地磁效应,我们发现S-ICMEs相较于其他两组ICME更容易引起强地磁暴。根据S-ICMEs中引起地磁暴主相的区域不同,我们将S-ICMEs分为4类。引起地磁暴主相的区域分别为:1)激波压缩前一个ICME的磁场区域,2)两个ICME之间的相互作用区,3)前一个ICME未被压缩的区域,4)后一个ICME。通过讨论这4类S-ICMEs的地磁效应,我们发现由激波压缩前一个ICME的南向磁场所引起的地磁暴更容易为强地磁暴。
  根据SIR的局地判定条件,我们将Jian,et al.(2010)的1995-2009的SIR列表扩展到2016年。1995-2016年,我们共识别了866个SIR事件。根据SIR列表,我们讨论了SIR的地磁效应。我们发现52%的SIR可以引起地磁暴,但只有3%(26)的SIR可以引起强地磁暴。在这26个强地磁暴中,我们发现其中有10个强地磁是由SIR与ICME相互作用形成的复杂结构所引起的。这种复杂结构中的ICME是镶嵌在SIR内部,位于快慢太阳风中间,受到后面快速太阳风的挤压。从统计上看SIR-ICME相互作用结构具有更强的地磁效应,其引起地磁暴的比例要远远大于单独的SIR或MCME引起地磁暴的比例。SIR-ICME引起地磁暴比例与S-ICMEs基本持平,但是对于引起强地磁暴的比例,SIR-ICME还是远小于S-ICMEs。除此之外,我们还对SIR地磁效应的周期性变化进行了讨论,发现在秋分日和春分日附近,SIR更容易引起地磁暴。
  ICME是引起地磁暴,特别是强地磁暴的主要行星际源。强地磁暴对人类的生存环境以及卫星所在的空间环境造成严重的影响。因此对ICME的预报就显得极其重要。朝向地球的CME通常在地球附近的日冕仪(SOHO/LASCO)中呈现全晕状或半晕状。但是依然有很多局地观测到的ICME事件在SOHO/LASCO日冕仪中找不到对应的CME。2011年5月28日ICME事件在SOHO/LASCO日冕仪中就找不到对应的晕状CME,但是在STEREO卫星的日冕仪中找到了两个可能与之相关的的朝向地球的CME。通过对2011年5月28日ICME事件的分析,我们认为两个原因导致SOHO/LASCO日冕仪中找不到对应的CME。1)由于投影效应和挡板效应,沿日地连线传播且尺度较小的CME在地球附近的日冕仪中的投影区域大部分在日冕仪的挡板之后。2)由于汤姆森散射效应,朝向地球的CME的亮度相对于边缘的CME的亮度较暗,而日冕仪的探测范围有限导致亮度较弱的CME不能够被观测到。
[硕士论文] 王超凡
电子与通信工程 河南师范大学 2018(学位年度)
摘要:太阳耀斑的爆发会喷射出大量带电粒子流,当带电粒子流到达地球表面时会引起电离层异常,产生电离层暴。电离层暴会影响短波通信质量,严重时会导致通信中断、对电子通信设备造成损坏,也会影响卫星信号传输,造成卫星通信中断、卫星导航错乱等。因此研究电离层暴的产生并提前做出预报是现如今重要研究课题之一。
  本文将利用甚低频信号传播方法预报电离层暴。甚低频信号的相位异常量跟电离层的等效反射高度密切相关,电离层的等效反射高度与X射线流量有着紧密的联系。太阳耀斑爆发时,辐射出大量的能量(主要是X射线)和喷射大量带电粒子流,X射线到达地球表面约用时8.3分钟,而带电粒子流到达地球表面约用时1-3天。X射线率先到达地球表面,导致电离层X射线流量突然增多,电子浓度增大,等效高度降低。由低电离层等效反射高度突然下降,引起VLF相位突然超前,可判断出太阳耀斑爆发,因此用甚低频信号传播方法可以提前1-3天预报电离层暴。一般情况下,VLF的相位变化量越大,太阳耀斑的级别越大,电离层暴的强度也越大。
  本文设计了一套实时远距离VLF数据传送预报电离层暴系统,并对甚低频观测数据显示软件和VLF数据FTP发送接收软件进行了设计和编程。VLF信号监测仪每3分钟获得的VLF数据通过串行口传送给VLF数据显示传输计算机,通过甚低频观测数据显示软件显示在屏幕上,并用VLF数据FTP发送接收软件通过网络发送到远程服务器上。远程服务器在收到VLF信号的数据后,利用甚低频观测数据显示软件显示在屏幕上。实现了两地同步显示的效果,既节约了成本又实现了数据的共享,方便两地工作人员共同研究,对电离层暴做出及时的预报。
[博士论文] 何鹏
空间物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:作为一颗行星,地球,人类唯一的家园,已经围绕着太阳在其轨道上持续运行了约46亿年。太阳居于太阳系的中心,是一个巨大的炙热的等离子体球,并且在其核心发生着剧烈的核聚变反应同时释放出大量的能量进入行星际空间。日冕是太阳大气的最外面一层,其温度可以被加热到百万度量级。由于日冕如此的高温,日冕和行星际空间之间的巨大压力差能够驱使日冕吹出大量的伴随着磁场的电离的太阳等离子体,这被称之为太阳风。空间观测中发现,一支大尺度的低频磁场扰动波模普遍存在于太阳风中。而且,上述这支低频磁场扰动波模称之为阿尔文波,它被看作为解释日冕加热和太阳风加速的可能候选者。这篇博士论文主要是关于,阿尔文非相干波谱的参量不稳定性以及在参量不稳定性演化过程中离子的加热。
  (1)虽然阿尔文波是理想不可压缩磁流体力学(MHD)方程组的精确解,但是它依然可以发生3种参量不稳定性,分别称作:衰变不稳定性,拍不稳定性,调制不稳定性。参量不稳定性涉及到非线性波-波相互作用,能够实现在不同波模之间传输能量,这给阿尔文波提供了一种耗散途径。在本篇博士论文的第一个工作中,使用一维(1-D)混合模拟模型在低beta的电子-质子等离子体系统中,我们研究了阿尔文非相干波谱的参量不稳定性并发现参量不稳定性的演化呈现两个阶段。在第1个阶段中,阿尔文泵波谱发生包络调制并产生出一系列低频密度模,随后这些新产生的密度模与阿尔文泵波谱发生耦合进一步产生新的高频磁场模。因此,更多的具有宽带谱结构的密度模和磁场模被激发出来。在第2个阶段中,来自于初始阿尔文泵波谱中的每一支单色阿尔文波分别地发生参量衰变。在阿尔文泵波谱参量不稳定性的饱和阶段,质子束流沿着背景磁场B0方向产生。
  (2)太阳日冕和太阳风中的重离子选择加热是一个长期以来的热点话题。在本篇博士论文的第二个工作中,同样使用1-D混合模拟模型在低beta的电子-质子-氦离子等离子体系统中,我们研究了平行传播的阿尔文非相干波谱的参量不稳定性过程中氦离子的加热。与前面介绍的第一个工作的结果相似,这里的参量不稳定性的演化(含有氦离子)也经历了两个阶段,分别对应于氦离子加热的两个阶段。在两个演化阶段中,氦离子在垂直于B0方向上均被有效加热,这来自于氦离子与高频磁场模的回旋共振。同时,氦离子与密度模之间的朗道共振引起氦离子平行方向上的加热。在整个参量不稳定性演化过程中,质子只有平行方向被加热,垂直方向没有加热。
  (3)为了进一步研究初始斜传阿尔文非相干波谱的参量不稳定性过程中氦离子的加热,在本篇博士论文的第三个工作中,我们将上面第二个工作推广到2-D混合模拟模型中,研究了离子加热和波谱(密度波谱和磁场波谱由参量不稳定性激发)演化之间的关系,并发现波-波耦合以及波-粒相互作用在离子加热中起到了关键作用。小斜传角度的初始阿尔文泵波谱(例如:θk0B0=15°,表示初始阿尔文泵波的波矢k0和背景磁场B0之间的倾斜角),比单色阿尔文泵波以及大斜传角度的阿尔文泵波谱,可以更有效地在垂直方向上加热氦离子。同时,在平行方向上质子和氦离子也都可以被小斜传角度的阿尔文泵波谱更有效地加热。此外,离子(质子、氦离子)束流在平行于B0方向上产生,不依赖于阿尔文泵波的初始斜传角度。离子束流的产生主要来自于离子和参量不稳定性激发的离子声波(ionacoustic wave,IAW)之间的朗道共振(在参量不稳定性演化后期阶段)。然而,氦离子垂直方向加热主要来自于氦离子和高频阿尔文波(Alfvén wave,AW)之间的回旋共振,这些高频AW模来自于参量不稳定性演化早期和后期两个阶段中的非线性波.波相互作用。第三个工作的研究还没有完全完成,目前的结果还需要进一步的改进。
[硕士论文] 仁艳秋
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:在磁暴期间,等离子体层外部的冷等离子体随磁层对流驱动而剥离,逐渐向向阳面磁层运动,形成等离子体层羽状结构(Plume)。羽状结构的形成和演化对地球电离层造成直接影响,常形成大尺度不均匀体贯穿电离层低纬至高纬众多区域,对人类的通信、导航、航天器等产生了很大影响。本文利用全球分布的GPS地面接收机获取的电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)数据实现了对磁层等离子体的空间和时间演化进行长时间连续的观测和统计分析。为开展上述观测和统计分析工作,本文首先从全球分布的GPS TEC数据中取出北半球磁正午(MLT=12)从地磁纬度20到90范围的连续观测数据,并将该数据沿地球磁场T96模型计算的磁力线投影到磁赤道面,进而获取以时间为横轴、以地心距离为纵轴和以颜色代表等离子体密度的二维时序伪彩图。该伪彩图及相应的数据,便可用于研究磁层等离子体的相应特征。
  本研究主要内容包括:⑴分别选取有磁暴和非磁暴的一天投影数据开展深入分析,并通过磁层RBSP卫星和 Cluster卫星的实地协同观测,证实了本文所提出的投影方法是有效和可靠的。结果表明:在磁暴期间,GPS TEC数据展示了电离层出现了明显的暴时密度增强结构(Storm Enhanced Density,SED),该结构从北美洲中纬逐渐向高纬演化。因而,这里的投影数据中也出现了明显高密度等离子体羽状结构从等离子体层剥离后向阳运动逐渐抵达日侧磁层顶附近。在非磁暴期间,磁层中也出现了密度增强结构,但相对磁暴期间分布较为均匀,这种分布可能与等离子体层风(plasmaspheric wind)或热等离子体斗篷(warm plasma cloak)现象有关。⑵利用上述方法获取的长时间连续的GPS TEC投影数据,统计分析了等离子体层羽状结构出现的月变化、年变化以及气候学特征。统计结果表明,等离子体层羽状结构的出现具有明显的月变化、季节变化和年变化特征。一般均出现在下午到傍晚时分,在磁暴初始相期间最为明显。而一年中3-5月和10-12月这种结构最为明显,且密度较大,同时,该结构主要出现在太阳活动高年,且密度随着太阳活动的增强而增大。在此基础上,进一步分析了羽状结构的出现与太阳风参数及太阳风-磁层能量耦合函数之间的关系,结果发现羽状结构的密度变化随着Kan-Lee电场、ε参数、太阳风动压、AE指数的增加以及行星际磁场Bz分量的减小而增大。
[硕士论文] 郭文兴
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:电离层层析成像由于其本身耗费低、易于实现的优点,在电离层的探测研究中占据着重要的地位。低轨卫星信标所测得的全电子含量(Total Electron Content,TEC)资料是电离层层析成像的重要数据来源之一。气象、电离层及气候卫星观测系统(COSMIC)的成功发射,提升了卫星信号的来源,丰富了中国及其周边地区在中低纬区域的电离层 TEC资料,其上携带的三频信标也为高精度的电离层层析成像奠定了基础。
  与传统的双频信标技术相比,最新的三频信标技术通过将三个频率两两差分大大提高了TEC模糊系数,降低了相位积分常数在TEC求解中的计算误差,提升了电子密度重构的精度。本文利用三频信标所测得的TEC资料,进行了中低纬地区的高精度电子密度二维分布重构,并分析了磁暴事件对 TEC变化趋势的影响。主要研究内容如下:
  1、计算了平均电离层高度对绝对TEC计算精度的影响
  由于最新的COSMIC-Ⅱ卫星轨道较低,运行高度在520公里到550公里范围内,继续使用380Km作为平均电离层高度会导致较大的计算误差。本文利用NeQuick模型计算不同高度下的绝对TEC计算误差,比较得出了误差最小的平均电离层高度,此时相位积分常数的计算误差最大不超过1TECu。实测数据计算得到的垂直TEC也验证了其精度。
  2、基于TEC实测数据进行了高精度的电子密度重构
  本文以IRI模型为初始值,基于低纬电离层层析网所测TEC数据重构了中低纬地区的电离层电子密度,比较了乘法代数迭代法与代数迭代法在电子密度重构中的计算效率与计算精度,其重构得到的夜间TEC值误差在0.2TECu左右。利用重构的高精度电子密度二维分布分析了电子密度在不同时间段随纬度、高度的变化情况,以及赤道异常区在日夜期间的不同表现形式和变化情况。
  3、分析了磁暴事件对高精度TEC二维分布的影响
  利用地基GPS接收站台网,可以获得大量的垂直TEC数据。本文提出了一种高精度TEC地图重构方法,利用亚大地区60个GPS台站的实测数据,基于Kriging内插方法对各台站的垂直TEC数据进行插值处理,实现了亚大区域高分辨率TEC二维分布的重构,并与实测数据对比验证了本方法的精度和有效性。基于高分辨率的二维分布图,分析比较了区域TEC值在不同日期随时间、纬度的变化情况,重点对比分析了磁静日与磁暴日期间南北半球不同纬度的电离层 TEC值在磁暴期间的不同表现特征,并给出了磁暴期间不同纬度TEC的变化趋势所存在的差异及其解释,相关研究成果为区域高分辨率电离层监测系统的建立提供了方法支撑。
[硕士论文] 杜沛珩
空间天气学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:地球等离子体层位于内磁层中,是连接电离层和磁层的重要区域。在内磁层中环电流、辐射带、电离层上层相互作用,共同影响着等离子体层的结构变化,因而研究等离子体层的结构变化具有重要的科学意义。
  等离子体层He+30.4nm辐射机制简单,辐射强度强。利用IMAGE卫星EUV成像仪首次获得了等离子体层全局图像,并发现了等离子体层的特殊结构,如等离子体层肩、等离子体层尾、等离子体层顶等。这些特殊结构会随着地磁活动和上游太阳风参数发生变化,因而研究等离子体层与地磁活动和上游太阳风的关系是本文研究的重点。
  利用IMAGE卫星EUV成像仪获得的等离子体层全局图像,并采用最小L算法(L为等离子体层顶位置)反演磁赤道面等离子体层顶位置。选取了2000~2002年间的3579幅等离子体层图像并反演得到了间隔为1h的等离子体层顶位置数据库,包含48899个等离子体层顶位置数据。利用该数据库统计研究了等离子体层顶位形随地磁活动的变化特性。统计发现等离子体层顶与地磁指数Kp、Dst和AE均呈负相关,且等离子体层顶随地磁指数的变化趋势随磁地方时(MLT)有明显的变化;亚暴活动对等离子体层顶演化的贡献在不同地磁活动期间有所不同,磁暴期间亚暴活动的贡献小,而地磁平静期亚暴的贡献大。
  利用ACE卫星获得的上游太阳风数据,采用Shepherd提出的方法计算上游太阳风的传输时间。在消除时间延迟的影响后与IMAGE-EUV数据资料进行匹配,建立等离子体层顶与上游太阳风参数的数据库。发现太阳风各项参数与等离子体层顶位形具有很强的相关性,太阳风速度(Vsw)和行星际磁场南向分量(Bz)与太阳风-磁层耦合和内磁层动力学有着在重要的关系,太阳风数密度(Nsw)和等离子体层顶之间的关系会随磁地方时(MLT)的变化而变化。
  分析Vsw、Bz、和Nsw与等离子体层顶位形变化我们发现,等离子体层顶的位置与太阳风速度呈负相关,说明等离子体层顶会随着太阳风速度的增加而减小;拟合等离子体层顶与Bz发现,Bz的数值越小,等离子体层顶的位置离地球越近。行星际磁场南向分量与地球等离子体层顶呈正相关,太阳风参数与等离子体层顶的拟合线斜率随MLT呈单峰变化;太阳风参数NSW与等离子体层顶的拟合线斜率变化随MLT呈多峰结构。因此在建立等离子体层顶和上游太阳风参数关系的模型时,必须考虑MLT的影响。
  本文研究工作为后续建立等离子体层顶模型和了解等离子体层顶的动态结构提供了重要基础,并为等离子体层空间天气预报提供了重要依据。
[硕士论文] 王晨煜
空间物理学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:地球电子外辐射带的变化非常剧烈和复杂,尤其是地磁暴期间。外辐射带中的高能粒子可能会对卫星的正常运行造成严重危害,同时,辐射带也是太阳活动与全球气候变化的一个重要纽带,所以针对辐射带电子动态变化的研究一直是空间物理领域的一个热门方向。本论文关注辐射带电子动力学过程的三维模型的构建,并将其运用于一个具体事件,定量分析了各类物理机制在这一事件中的相对作用。
  使用最新发表的layer method方法,我们将其推广到三维,并开发了一个三维的扩散程序以模拟辐射带电子动力学过程。这一程序可以保证即使在混合扩散项存在的情况下求解结果依然不会出现负值。与大多数已经开发出的程序不同,我们的三维程序可以直接在赤道投掷角(α0)、动量(p)、磁壳数(L shell)上进行求解,而不需要在(α0,p)坐标系和绝热不变量坐标系之间进行来回插值转换。直接使用(α0,p,L)坐标系也可以方便模拟结果与卫星数据的比较。我们使用不同的数值测试验证了程序的正确性。我们将三维layer method程序用于模拟2013年3月17号地磁暴事件中的电子通量快速增长现象,这也是一个GEM Focus Group列出的挑战事件。在模拟中,我们使用了一个基于本次事件的全球合声波模型,一个与地磁AL指数相关的等离子体层嘶声波的最新统计模型,以及一个新发表的基于Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms (THEMIS)卫星统计数据的径向扩散模型。我们的模拟结果与卫星观测数据有很好的一致性,表明这一事件中辐射带电子通量的快速增强源自于由径向扩散导致的种子电子通量的增强以及之后的合声波的加速作用。我们的模拟结果证明,layer method可以用于进行辐射带全球动态变化的三维模拟。
[硕士论文] 商文赛
空间天气学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:磁尾等离子体片中高速流的刹车过程和与高速流产生机制相关的动力学过程对于磁层内粒子的加速、亚暴电流楔的形成、磁场的堆积和磁通量的输运以及磁尾电流系统的形成都具有重要意义。磁层顶的位型是太阳风-磁层耦合系统中一个非常重要的参数。本论文围绕着磁尾高速流的减速区、远磁尾磁层顶对极端行星际和太阳风条件的响应以及低纬边界层的高能离子的产生机制进行探索和研究,获得了一些新的成果和解释。主要内容和成果如下:
  本文首先利用THEMIS计划的2颗卫星(THA和THE)在空间中经常具有相近的X_gsm和Y_gsm坐标,但在Z方向上相差较远这一特殊位型对地向高速流的空间结构和时间演化过程展开研究,并基于匀减速模型与突然减速模型假设,分析出高速流在近磁尾地向传播减速/刹车过程的特征。通过对THA和THE卫星联合观测的高速流进行统计分析,发现在距离中性片较远的卫星先观测到高速流,且卫星所探测到高速流X分量的速度最大值要比在等离子片中心探测到的高速流数值更大。分别利用匀减速模型与突然减速模型进行统计分析,发现高速流减速起始的位置大部分位于距离近磁尾X=-15 RE的区域,这与中磁尾重联发生区域比较接近。
  然后,利用位于远磁尾午夜区域的ARTEMIS卫星和位于近磁尾晨侧区域的THEMIS卫星探讨了一下磁层对于2012年3月8日倾斜的行星际激波的响应。我们发现在激波过后,P1和P2卫星均观测到高密度高速且持续稳定的磁鞘流。磁流体力学模拟的结果和ARTMIES卫星观测结果一致。我们还在磁流体力学模拟中改变激波的法向使行星际激波正面冲击磁层,结果显示远磁尾的磁层顶仍发生大幅度的偏转,这说明由于激波下游昏向太阳风速度的变化导致了远磁尾的大幅度偏转和摆动。P1和P2卫星观测结果和磁流体力学模拟结果显示在本次事件中远磁尾的摆动时间尺度大约在15分钟左右,之后磁层就趋于稳定。这一结果为进一步建立包含太阳风VY效应的磁层顶模型提供了有力的观测证据,尤其是远磁尾磁层顶对极端行星际和太阳风条件的响应。此外,我们发现位于远磁尾的低纬边界层中存在着高能离子和低能离子的混合,这些高能离子一部分是由于行星际磁场和北半球高纬尾瓣磁鞘发生磁场重联而产生的,另一部分是由于晨昏两侧的开尔文-亥姆霍兹不稳定性产生的涡旋致使磁鞘中的成分卷入到磁层顶内侧并向磁尾传播被P1卫星观测到。
[硕士论文] 唐影
空间天气学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:电磁离子回旋(EMIC)波是地球磁层的自然等离子体辐射,能快速地引起辐射带电子投掷角散射损失,因而在磁层中扮演非常重要的角色。重离子在很大程度上影响EMIC波特性和激发,但是关于重离子对EMIC波的作用仍缺乏一个完整的认识。
  本论文较为详细地研究了地球空间H+-He+-O+等离子体中EMIC波的特性和激发,特别关注He+和O+重离子对EMIC波特性的影响。首先,基于多流体理论,给出了四成分冷等离子体中波的色散和偏振的完整解析表达式,在此基础上分析了不同传播角下EMIC波的特征。其次,通过热多流体模型给出了平行EMIC波色散关系和特征频率的解析表达式,再结合等离子体动理论,分析了热压对平行EMIC波特性和激发的影响。最后,基于热多流体模型,研究了H+、He+和O+带中斜EMIC波的特征。
  本论文主要结果有:
  (1)在冷H+-He+-O+等离子体中,He+和O+离子使得EMIC波的色散呈现多频带结构,出现两个左旋波不能传播的禁带,在两个交叉频率附近,波的偏振极性发生反转,线偏振的波数范围随着传播角增大。
  (2)在冷H+-He+-O-等离子体中,色散结构出现两个禁带,但只出现一个交叉频率,且右旋波的禁带位于He+带截止频率和O-带共振频率间,左旋波的禁带位于H+带截止频率和He+带共振频率之间。
  (3)各向异性的热重离子会完全抑制He+带EMIC波的增长。对于H+带波来说,无论重离子是热还是冷,波都增长。当O+离子浓度较大时,各向异性热质子和重离子的出现会使O+带波强增长。
  (4)重离子各向异性热压会导致EMIC波的共振频率比冷流体理论结果大,使禁带变窄。离子各向异性热压导致与EMIC波相互作用的电子最小共振能量出现在冷流体理论预测更高的频率处。
[硕士论文] 李欣欣
空间物理学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:波粒相互作用在辐射带高能电子动态变化中扮演着重要作用。以前的研究主要关注回旋共振和漂移共振,本课题研究磁声波与电子的弹跳共振。我们推导了电子和磁声波弹跳共振的理论扩散系数,并用测试粒子模拟的方法验证了这套扩散系数。这套扩散系数也适用于波谱在频率和传播角均有分布的波模。使用以往发表的磁声波模型,我们分析了波动模型参数变化对弹跳共振扩散系数的影响,并对其做了理论解释。通过计算磁声波和电子弹跳共振的扩散系数,以及弹跳共振下电子的通量变化,我们证明了磁声波可以通过弹跳共振造成高能电子的加速和投掷角散射,而且这种机制也能够有效散射投掷角90°附近的电子。我们得出电子和磁声波的弹跳共振可以在辐射带高能电子动态变化中起重要作用。
  
[硕士论文] 马新
空间天气学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:太阳风-磁层耦合过程是日地空间物理的重要研究内容之一。弓激波和磁层顶则是太阳风-磁层耦合过程中十分重要的两个界面。来自太阳的太阳风等离子体穿越弓激波后各项参数会发生显著变化,而磁层顶作为地球磁层的外边界把太阳风与地球磁层分隔开。上游太阳风条件的变化会导致磁层位型变化,从而对地球磁场内部产生影响。
  本硕士论文利用卫星观测数据,研究了上游太阳风各参数对弓激波位型的影响,在此基础上,构建了一个包含偶极倾角参数的三维不对称弓激波新模型;并利用1998年6月5日太阳风事件的全球磁流体力学(MHD)模型模拟结果,研究了磁层顶压力平衡情况。本论文主要研究内容为:
  1)采用多颗卫星的弓激波穿越事件数据,分析了行星际磁场Z分量,太阳风动压,磁声波马赫数,等离子体β值以及地球偶极倾角对弓激波位型参数的影响。构建了包含以上5个影响因子的全球三维不对称弓激波模型。该模型与已有的两个代表性弓激波模型进行了对比,验证了新模型的可靠性。以往的模型大多是对称模型,都不包含偶极倾角的影响,而新模型不仅能描述弓激波旋转不对称和南北半球不对称,还能反映弓激波位型随偶极倾角变化的情况。我们发现,北半球弓激波尾部张角随偶极倾角正向增大而增大,随偶极倾角负向增大几乎不变;且偶极倾角为正时,北半球弓激波旋转不对称性大于南半球。南半球弓激波尾部张角和旋转不对称性变化情况则相反。
  2)利用MHD模型对1998年6月5日的太阳风事件的数值模拟结果,研究了不同行星际磁场(IMF)条件下日地连线上动压、热压和磁压的压力平衡情况以及三者之间的转换关系。日地连线上,磁层顶附近热压在南向IMF下占主导,磁压在北向IMF下占主导。由于南向IMF条件下磁层顶日下点附近易发生磁场重联,从而引起紧靠磁层顶内侧磁压减小。而这一因素在南向IMF下磁层顶向地球方向移动中起了重要作用。紧靠磁层顶外侧热压增加的因素也对其有一定作用,特别是在较小的IMF条件下。
[硕士论文] 金德君
数学与应用数学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:电离层作为日地空间环境重要组成部分,其参数变化对很多无线电系统具有重要影响.为了更好地利用电离层,为相关应用服务,开展电离层参数的预报研究是十分必要的.本文基于中国及周边地区观测的电离层TEC的短期预报研究,主要工作如下:
  1.改进现有的线性预报方法——自相关分析法,考虑电离层TEC及其变化量作为预报参数,采用迭代的方法(称为间接预报,分等间隔和非等间隔两种方式)对原方法(称为直接预报)进行改进.在有效提高预报精度的前提下,结合克里格插值法,从而完成对原有的适用于中国地区的电离层TEC预报方法的改进.结果表明:间接预报方法在提前1小时预报电离层TEC时,单站预报误差为1TECu,较原有的直接预报误差2.3TECu,降低了1.3TECu;区域重构后,重构预报误差为1.8TECu,较原方案降低了0.2TECu;整体预报误差为1.8TECu,较原有结果2.7TECu,降低0.9TECu.单站预报精度的提高有利于整体预报精度的改善.
  2.引入距离相关系数,开展电离层TEC的非线性预报.现有方法仅通过实验方式确定预报因子的重要性,而本文基于距离相关系数(DC)方法,对影响电离层TEC非线性预报精度的预报因子进行了变量重要性的排序研究,从中选取相对重要的10个预报因子,再分别与支持向量机(SVM)和神经网络(BP)结合,建立DC-SVM和DC-BP非线性预报模型.结果表明:引入DC之后的DC-SVM和DC-BP模型,较原SVM和BP预报方法的精度要高,且提高了0.4个百分点.
[硕士论文] 王官志鹏
空间物理学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:太阳风是来自太阳的等离子体流,是影响近地空间环境的重要媒介之一。自1962年宇宙飞船“水手2号”发现太阳风之后,太阳风的来源、初始太阳风的加热和加速机制总是被太阳物理和空间科学领域所讨论。通常将太阳风分为高低速两类,但是并不能单单凭借速度来描述太阳风。在宁静区、活动区和冕洞区等存在的大尺度日冕结构,他们的等离子体的性质和磁场的位型有着明显的区别,而上述差异对不同来源的太阳风会产生何种影响是值得研究的问题。本文主要致力于把近地获得的太阳风特性与其源区类型结合起来,研究其特性的源区依赖及其随其活动的演化特征。该工作可以为不同的太阳风模型提供检验和约束,增进对太阳风来源及初始太阳风的加热和加速机制这一重要问题的理解。
  我们使用标准的“两步法”(Neugebauer et al.1998,2002),借助于PFSS(PotentialField Source Surface)磁场模型将局地探测的太阳风回溯到太阳表面。然后结合太阳极紫外图像和光球磁场观测数据将足点所处区域分为冕洞区、活动区和宁静区三类(用ch、ar、qs表示)(Fu et al.2015),由此将太阳风划为冕洞风、活动风和宁静风。在上述工作的基础上,本文主要在两个方面开展工作,一是分源区对第22/23和23/24两个太阳活动极小期近地太阳风的性质进行了对比;二是分三个阶段对第23太阳活动周太阳风性质与源区类型的之间的联系进行了研究。
  已有的研究表明第23/24太阳活动极小期是一个特殊的极小期,此时太阳黑子数目和极区磁通量均明显小于最近的几个极小期(Giuliana et al.2009)。Ulysses卫星的观测表明,第23/24极小期高纬度太阳风性质与22/23极小期存在显著的差异,第22/23太阳活动极小期高纬度太阳风速度、密度、动压均显著的大于第23/24太阳活动周的极小期。我们分源区对黄道面太阳风的研究发现,两个极小期参数的对比与极区存在差异。第23/24极小期冕洞区、宁静区和活动区的太阳风速度均显著大于第22/23极小期,在23/24太阳活动极小期三类太阳风平均速度分别为524±109 km/s、427±112km/s和459±110 km/s,而在22/23太阳活动极小期期分别为393±66km/s、366±62km/s和378±47km/s。第23/24极小期近地太阳风密度显著的小于第22/23极小期,第23/24极小期三类太阳风中平均密度分别为5.0±4.3cm-3、2.7±3.2cm-3和3.5±2.7cm-3,而22/23极小期为10.3±6.3cm-3、10.3±5.8cm-3和7.7±3.6cm-3。两个极小期太阳风中平均磁场相近,冕洞太阳风平均磁场强度最高,较活动区和宁静区太阳风高10%-20%。尤其值得注意的是,两个阶段其来源存在极大的差异,在第22/23太阳活动极小期近地太阳风大部分冕洞区,来自三大区域(ch、ar、qs)太阳风的比例分别是50.3%,13.2和36.5%。而在第23/24活动极小期近地风大部分来源于宁静区,其比例达到69.5%,此时来自其它两大区域(ch、ar)的近地风比例分别是15.9%和14.6%。上述结果表明三类源区的近地太阳风性质在第22/23和23/24太阳活动极小期均存在显著的差异。在第22活动周的极小期有一半以上近地风来自冕洞区域,而第23活动周来自宁静区的风占很大比重(69.5%)。我们认为这与第23太阳活动周太阳表面磁场整体较弱,导致太阳大尺度磁场位型在两个太阳活动极小期存在显著的差异有关。
  通过分析第23太阳活动周太阳风性质与源区类型的关系,我们发现不同源区太阳风速度、07+/06+和Fe/0的分布存在显著的差异,但是它们分布的区间有有很大一部分是重合的,所以如果仅凭近地太阳风中速度、07+/06+和Fe/0等参数是无法对太阳风进行很好的判别。冕洞风的风速有着双峰分布的现象,其中高速风的峰值和低速风的峰值分别为600km/s和400km/s左右,而这两部分风即高速风和低速风可能来自冕洞的边缘和中心区域。三类太阳风中,其速度和07+/06+都存在反比关系。Fe/0一般反映低第一电离势的效应,而它的分布一般有四个特征:冕洞风Fe/0的均值明显比活动区风小;随着风速的增加,Fe/0的分布范围和平均值会随之减小;活动区风中Fe/0的分布范围(0.06-0.40,对应的FIP bias为1-7)较冕洞区(0.06-0.20,对应的FIP bias为1-3)大;在这些太阳风中它们的Fe/0的最小是基本都是0.06,FIP bias大约为1,太阳风速度变化时,并不随之改变。以上统计结果可以发现,不同源区初始太阳风加速加热机制十分相似,而不同源区太阳风性质存在差异可能主要由于不同源区磁场强度和磁场位型存在不同。
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