极光沉降粒子在极区大气中传输的数值研究

从Boltzmann方程出发,根据带电粒子在中性大气中的传输理论,综合考虑弹性散射、激发、离化以及二次电子生成等重要物理过程,用数值方法求解沉降电子传输方程,获得随高度、能量和投掷角变化的微分沉降电子数通量．在单成分（N2）大气近似条件下,模式计算结果较好地描述了沉降电子通量谱在极区高层大气中的传输规律和特性;由沉降电子微分通量计算得到的中性成分电离率主要特征与已有经验模式较好地吻合．将FAST卫星飞越EISCAT雷达上空时观测到的沉降电子能谱作为模式输入,计算获得了与由雷达观测数据反演得到的中性大气电离率相一致的结果．     

多卫星联合观测磁暴时合声波驱动的外辐射带高能电子通量的增强

本文利用SAMPEX和GOES－10卫星的观测数据研究了2002年9月28日至10月8日强磁暴期间外辐射带高能电子通量的演化．两颗卫星的观测结果均显示，在磁暴恢复相期间，高能电子通量呈现出显著的增强，于10月6日达到最大值．SAMPEX卫星在L=3．5处观测到1．5～14MeV和2．5～14MeV两个能量通道的电子通量的最大值为6×10^2cm^-2s^-1sr^-1keV^-1和5×10^3cm^-2s^-1sr^-1keV^-1，分别比磁暴前上升了约10和8倍。而GOES－10卫星于同步轨道附近观测到的〉0．6MeV和〉2Mev的电子通量峰值为磁暴前的50倍和30倍．本文进一步利用ClusterC3卫星研究了磁暴期间背景等离子体参数和哨声模合声（chorus）波的活动现象．ClusterC3卫星于10月1日与10月4日两次穿过外辐射带区域，观测到高强度（10^-5-10^4nT^2Hz^-1）的合声波．数值计算表明观测到的合声波能够与外辐射带高能电子产生回旋共振作用．本文多卫星联合观测和数值模拟的结果为合声波驱动的外辐射带高能电子的回旋共振加速机制提供了新的证据．     

应用GNSS TEC技术观测行星际激波对等离子体层的压缩

2015年3月17日一个强太阳风激波到达地球,同时地面GPS接收机网络观测到TEC的突然变化,在Hao等人(2017)的工作中把TEC变化初步归因于激波对向阳面磁层的压缩,本文进一步分析北斗接收机和更高时间分辨率的GPS接收机的观测,并推断等离子体沿垂直地磁场磁力线的方向朝向地球运动,会在低纬赤道面附近形成一个等离子体汇聚的区域,所有穿过该区域的GPS和北斗卫星信号都会观测到TEC的变化.此外,本文考察了多个LEO卫星上搭载的GPS接收机观测,没有发现相关的TEC扰动,原因可能是事件发生的瞬间LEO卫星没有处于最佳的观测位置.通过考察上述多种观测数据,我们认为GNSS TEC技术可用于对激波压缩磁层过程的遥感观测,未来有望成为卫星实地探测技术的有效补充.     

磁暴期间外辐射带的1.5～6.0MeV电子通量变化

由于CME与CIR的太阳风/行星际磁场结构有所差别,所以在这两种太阳风/行星际结构触发的地球磁暴期间,太阳风等离子体与能量通过磁重联向地球内磁层的注入过程也不相同.因此对于CME引发的磁暴与CIR引发的磁暴,辐射带高能电子通量的变化有显著差异.通过SAMPAX卫星观测的数据,本文分别对54个CME触发的磁暴与26个CIR触发的重现性磁暴期间1.5～6.0MeV电子外辐射带的动态变化进行了研究.结果表明,在主相期间,对于CME磁暴,电子通量在6≤L≤7的区域出现了显著增强.在Dst指数（中值）达到最小值（-201nT）时,外边界的位置移动到L=4附近.对于CIR磁暴,主相期间,没有在6≤L≤7区域观察到通量的显著增强.而当Dst指数（中值）达最小值（-58nT）时,外边界的位置移动到L=5.5附近.在磁暴恢复相期间,对于CME磁暴,外辐射带的位置整体低于磁暴前,在6≤L≤7的区域也出现了电子通量的增强;对于CIR磁暴,外辐射带外边界的位置相比磁暴前有不明显的增高,并且在上述区域没有观察到通量的明显增强.我们发现在绝大多数情况下,1.5～6.0MeV电子的外辐射带电子通量对数衰减1/e截止廓线可以表示出外辐射带外边界的位置.在CME磁暴主相期间,对数衰减1/e截止纬度与Kp指数具有相关性（相关系数为-0.56）.对于CIR磁暴,对数衰减1/e截止纬度与Kp指数也有较好的相关性（相关系数为-0.58）.此外,CME磁暴主相期间,1.5～6.0MeV电子通量最大值的位置（L值）受到磁暴期间Dst指数最小值的控制;整体而言,对于上述两种磁暴,电子通量最大值的位置都随磁暴的增强而降低.多重磁暴是造成外辐射带相对论电子通量变化异常的重要原因之一.     

磁暴时ULF波多卫星联合观测研究

利用Cluster C1,GOES10,12和Polar四颗卫星的观测数据,研究了在2003年10月31日21：00～23：00 UT磁暴恢复相期间,地球磁层内大尺度ULF波的全球分布特征.数据分析结果表明,位于磁层不同区域的卫星观测到的ULF波的幅度、周期等性质差别很大.对ULF波幅度的全球分布来说,ClusterC1观测到的环向模最强,这可以解释为Cluster C1所在区域内发生了磁力线共振：空腔共振的压缩波模将能量耦合传递给磁力线共振的剪切阿尔芬波,从而观测到了到的很强的环向模.对ULF波周期的全球分布来说,ClusterC1观测到的波的频谱峰值周期最短,同步轨道高度的GOES卫星观测到的峰值周期较长,而位于更远处的Polar卫星观测到的峰值周期最长.Cluster C1在L=11.7～5.3范围内观测到环向模的周期几乎相同.GOES10和Cluster C1的三种波模的平方小波相关分析表明磁力线共振区域在向日面磁层至少扩展了四个地方时的宽度范围.Polar卫星观测的环向模是驻波,而极向模是行波,这可能是开放的磁尾波导模作用的结果.由于在时段内的太阳风速度很高而动压变化不明显,因此推测观测到的ULF波是高速太阳风在磁层顶激发的Kelvin-Helmholtz不稳定性激发的.     

火星磁层中尾向磁场对O+离子分布的影响

在与地球对比的基础上,采用LB磁场模型,根据由动力学方程求解得到的分布函数,研究了火星磁层中不同尾向磁场条件下来自电离层的O⁺离子沿磁力线的分布。结果发现火星磁尾区O⁺离子通量密度受火星与太阳风相互作用而产生的感应型尾向磁场的影响：（i） 火星磁尾O+离子通量密度随尾向磁场的增强而增大,当尾向磁场由5 nT增大到20 nT时,磁尾2.8 Rm (Rm为火星半径)处O+离子通量密度可增大3倍左右;（ii）火星磁尾O+离子通量密度随内禀磁矩的增大而减小,当内禀磁矩增大半个量级时,磁尾2.8 Rm处O+离子通量密度可减小到25%左右. 根据实际观测得到的O⁺在不同火星磁层区的数据和本文的理论曲线,推测得火星的内禀磁矩约为2×1017 T·cm3,这与美国最新的火星探测飞船MGS观测结果一致.     

空间高能电子探测中的几何因子讨论

高能电子探测是空间环境探测的重要组成部分. 由于高能电子穿透本领很强, 常常采用厚探测器组成的粒子望远镜作为传感部件. 由于不同能量电子将穿透不同深度, 所以几何因子随入射电子能量变化. 结合AE8模型, 以中巴资源一号卫星01和02星的粒子监测器为例, 讨论电子探头的几何因子问题. 根据计算, 低能档(0.5~1.0 MeV)与高能档(≥2.0 MeV)几何因子不同, 分别为2.468和1.736 cm²·sr. 这与传统估算的几何因子为1.18 cm²·sr有较大出入. 伴随几何因子计算, 讨论了探头的方向响应函数, 可用来协助探头设计及方向测量分析.     

太阳宁静条件下“资源一号”卫星星内粒子探测器数据分析

在目前有关地球辐射带的背景知识和基本理论基础上, 对“资源一号”卫星星内粒子探测器对高能粒子的探测结果进行了分析. 证明探测结果基本反映了辐射带在近地空间的结构分布. 3年多的连续观测资料的统计分析表明, 在太阳及行星际条件相对平静的情况下, 在800 km高度的太阳同步轨道上, 高能粒子主要集中在3个区域: 南纬40°~80°之间的南极光带, 北纬40°~80°之间的北极光带和范围从东经20°至西经100°, 北纬10°到南纬60°的南大西洋地磁异常区, 这是就全球的地理纬度而言, 每个经度上高能粒子分布的纬度跨度并没有这么宽, 基本上沿地磁纬度60°分布. 在不同区域出现高能粒子的种类, 计数率的分布有所不同. 在南大西洋异常区可同时观测到高能电子和质子, 它们应当来源于内辐射带; 在两极极光带通常宁静条件下只观测到高能电子, 且其分布特征上具有南北两极记数率的不对称性和经度不对称性. 根据辐射带基本理论, 计算了同一个漂移壳上带电粒子在南北半球磁镜点的反射高度并且据此解释了高能粒子计数率南北两极不对称性和经度不对称性.     

我国地球空间探测的一个新台阶--"地球空间双星探测计划"

地球空间双星探测计划包括的两颗小卫星,分别运行于目前国际上地球空间探测卫星的尚未覆盖的近地赤道区和近地极区。双星计划的主要科学目标是：用高分辨率的仪器在近地空间的主要活动区（包括近地等离子体片及其边界层区、辐射带区、环电流区和极光加速区）探测场和粒子的时空变化;研究磁层亚暴、磁暴和磁层粒子暴的触发机制及磁层空间暴对太阳活动和行星际扰动的响应过程;建立地球空间环境的动态模式。为了实现科学目标,赤道卫     

TIME-IGGCAS模式与经验模式和观测数据的比较

TIME—IGGCAS（Theoretical Ionospheric Model of the Earth in Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences）模式是我们在前人工作的基础上完善的一个中低纬理论电离层模式．本文把该模式的结果与其他一些有代表性的经验模式和多种观测数据作了详细的对比．比较结果表明：TIME-IGGCAS模式模拟的电子浓度、电子离子温度在数量级上均与经验模型和观测符合得较好,在地方时变化、纬度变化、季节变化这些变化形态上也符合得较好,并且模式能很好地模拟出赤道异常、冬季异常和半年异常这些电离层异常,这为我们进一步开发电离层数据同化模式奠定了良好的基础．无论是与经验模式还是与观测相比,TIME—IGGCAS模式均低估了电子温度而高估了离子温度,模式在日出日落时段和在低高度模拟的偏差较大,这些结果为我们以后进一步完善模式、改善模式的模拟能力提供了参考．     

卫星辐射带高能带电粒子观测数据交叉定标-FY3和NOAA应用示例

卫星高能带电粒子观测数据交叉定标是实现多卫星观测数据综合应用的必要前提,同时也为单颗卫星高能带电粒子观测数据相对可靠性验证提供了参考方法．以我国自主观测卫星FY-3B卫星高能带电粒子观测数据与国外同类NOAA-17卫星高能带电粒子观测数据的交叉定标为例,给出了开展空间高能带电粒子观测数据交叉定标的一般方法及过程,经以NOAA-17卫星同期高能带电粒子观测为基准开展的交叉定标结果显示,FY-3B卫星带电粒子观测数据相对于NOAA17卫星观测具有较高的相关性（相关系数CC〉0．9）,可比对的通量数据在数量级上有很好的一致性（一致性系数趋近1．0）,表明对于空间同一现象交叉定标后的FY-3B卫星与NOAA-17卫星带电粒子观测具有相对一致的定性定量关系,FY-3B卫星观测数据可靠有效,可与NOAA-17数据综合开展应用,同时也说明采用的交叉定标方法可以实现去除两颗观测卫星之间系统偏差的目的,验证了方法的可行性．     

一种面向下垫面不均一的森林碳通量监测方法

特定时刻内通量塔观测结果只能代表其上风向下垫面贡献区域的CO2通量值,当下垫面不均一时,通量塔观测结果是不能真实反映观测区域实际碳通量的.如何将通量观测塔的空间代表性进行有效的由点到面的扩展,亟需一种能够对观测区域采取多点同步精确观测的可行方法.完全的利用现有的无线传感器网络(WSN)技术虽然具有实时多点同步观测的优势,但精度不能满足通量观测的要求.本研究将利用通量塔观测数据对无线传感器接收数据进行校正,通过校正后数据计算观测区域内的通量值,力求解决下垫面不均一时通量塔观测结果不具代表性的问题.根据涡度相关技术和FSAM模型(fux-source area model),采用仿真数据分析方法,研究结果表明通过通量塔观测数据对WSN进行校正能够提高WSN观测精度;利用WSN多点同步监测的优势能够很好地解决下垫面不均一情景下通量塔观测结果不具代表性的问题.WSN结合通量塔进行陆地生态系统碳通量观测上具有很大的应用前景.     

ULF波及其与能量粒子相互作用研究进展

地球磁层中的超低频波（ultra low frequency wave,简称ULF波）的全球分布特性以及与能量粒子之间的相互作用,如ULF波和粒子之间的共振调制、对能量粒子的加速等问题一直是空间物理研究中的热门问题．深入研究这些问题对于理解太阳风和磁层之间的能量传输,能量粒子加速等机制问题有着很重要的意义．本文简要介绍有关ULF波的全球分布及其与能量粒子之间共振调制的最新观测研究进展,并对将来研究工作中的问题和方向做一个简单的总结和展望．     

用CBERS-02卫星和MODIS数据联合反演地表蒸散通量

用低分辨率遥感数据计算地表蒸散通量时, 如何减小空间尺度误差是需要考虑的重要问题. 在用MODIS数据计算蒸散时尝试加入高分辨率中巴资源卫星CBERS-02提供的地表分类图像, 根据此分类信息在每个MODIS 1 km像元内统计各种地表类型所占的面积比例, 并分别计算各亚像元的热量通量, 然后用面积权重平均的方法得到MODIS像元的热量通量. 结果表明, 将CBERS高分辨率地表分类数据和MODIS低分辨率遥感数据结合, MODIS 1 km混合像元的土壤热通量、显热通量和潜热通量都有所改变. 进一步分析这种变化产生的原因, 结合地面实验观测数据的验证, 作者推断, 经过处理以后, 混合像元的显热通量和潜热通量的误差都有所减小.     

磁尾电流片大尺度南向运动及晨昏方向拍动的观测研究

2001年8月7日23:10UT到8月8日06:10UT期间,Cluster卫星观测到中磁尾电流片一个较为罕见事例.在长达7h的时间间隔内,磁尾电流片一直在向南运动.位于磁尾等离子体片内的Cluster卫星反复穿越电流片,说明电流片在大时间尺度南向运动的过程中伴随着中小时间尺度拍动.我们利用最小方差分析方法(MVA)和多点卫星数据研究了电流片的法向,电流密度和磁场曲率等特性,发现在整个事件中,电流片在扁平电流片和倾斜电流片之间反复转换.在倾斜电流片中等离子体存在着强烈的晨昏方向的水平摆动,导致Cluster卫星在此期间反复穿越倾斜电流片.这个特性与以往观测到的kink不稳定性引起的电流片南北向拍动特性明显不同.电流片的拍动有两种类型:一种是伴随BBF的扁平电流片的南北方向拍动,一种是与BBF无关的倾斜电流片的晨昏方向拍动.所以在本文所研究的事件中电流片的拍动与BBF并没有必然的联系.     

利用火星低能电子能谱获取火星磁堆积边界

火星快车飞船（MarsExpress,MEX）搭载的低能电子谱仪可以测量火星附近小于20keV的电子通量数据．利用得到的96段连续测量结果,通过判断能谱拟合参数的方法确定了飞船穿越火星磁堆积层的位置,对这些穿越点进行圆锥曲线拟合后给出了火星磁堆积层（MagneticPileupBoundary,MPB）的大致形状及位置,所得结果与先前火星全球勘探者（MarsGlobalSurveyor,MGS）及Phobos-2飞船给出的结果基本吻合．此外,对获得的穿越点按照火星当地壳磁场强度分类,周围磁场强度较强（〉50nT）的穿越点拟合出的磁堆积层高度明显高于全部穿越点及周围磁场较弱（〈10nT）的穿越点拟合出的磁堆积层高度,很好地反映了火星壳磁场对火星大气与太阳风相互作用的影响．     

太阳风正负动压脉冲激发磁层ULF波的数值模拟

磁层中的超低频波动（Ultra Low Frequency Wave,简称ULF波）通常被认为是由外界太阳风／行星际磁场扰动或者磁层内部的等离子体不稳定性激发的．当太阳风动压脉冲作用于磁层顶时,可能在磁层内部激发ULF波,从而将太阳风能量输运到地球磁层中．本文利用磁流体力学（MHD）数值模拟研究不同形式的太阳风动压脉冲作用下,在磁层中激发的ULF波的性质．我们主要关注地球磁层对太阳风动压正／负脉冲以及太阳风动压正．负脉冲对的响应．模拟结果表明,幅度和周期均相同的太阳风动压正脉冲和负脉冲,在磁层中所激发的ULF波幅度,周期均相同,然而相位相差180°．另外,对一个太阳风动压正一负脉冲对作用于偶极磁层的情况,在地球磁层内的某些特定区域仍可观察到磁力线共振（FLRs）现象,磁力线共振的区域分布和动压脉冲的周期以及动压脉冲对之间的时间间隔有关．同时模拟计算结果还表明,与单一脉冲相比较而言,在动压脉冲对的作用下,太阳风能量可以传递到地球磁层中更低纬度的区域．因此本文结果可以帮助我们更好地理解太阳风能量通过ULF波形式输运到地球磁层的机制;同时,还可以为研究有关内磁层中能量粒子对不同的行星际激波的响应方式提供线索．     

三维Hall MHD数值模拟中初始载流子对场向电流分布的影响

用Hall MHD数值模拟的方法研究了Hall等离子体中不同初始粒子载流情形下磁场拓扑形态结构的改变以及场向电流与Alfven波的产生．在考虑了初始离子载流子的影响后,模拟结果中磁场的拓扑形态结构更加复杂．模拟结果中除了传统的By四极结构以外,还出现了一个与传统By四极结构相反的反四极结构,这种结构的出现使Hall MHD理论能解释完全电子载流情形下不能解释的观测现象,作为事例给出了Cluster卫星观测事例．同时还得出以下几个非常有意义的结果：1）受Hall效应影响的区域（空间变化尺度小于或相当离子回旋半径的区域）电子与离子分离．在非Hall效应影响的大部分区域,受初始离子＋y方向运动的影响整个磁结构向＋y方向偏移;而在受Hall影响的较小区域,受电子运动影响磁力线向-y方向弯曲．随之,By产生;2）由于By的出现,场向电流（FACs）产生．与完全电子载流的情形相比,结果中场向电流分布的中心随离子载流比例的增加向＋y方向偏移,场向电流主要分布在y〉0的区域;3）模拟结果中Ae≈0．76,Ai≈1．36,Ae×Ai≈1．03,完全符合Hall等离子体中的瓦伦关系,证实了Alfven波的存在．     

三维磁重联观测研究进展

磁重联是等离子体中最主要的能量转换过程, 在耀斑、CME和磁层亚暴等空间等离子体物理和空间天气学过程以及磁约束核聚变的磁流体力学稳定性研究中起着关键作用, 是等离子体物理的一个基本问题. 除周期性边界条件, 如环形磁约束核聚变装置外, 一般情况下三维磁重联都发生在以磁零点为基点的磁场拓扑分形面上. 本文简要介绍三维磁重联中磁零点的理论和卫星观测进展, 并对今后的发展作一简要分析.     

利用电子放射源测试小孔成像结构的角度响应

能量粒子的投掷角分布测量对于磁暴、粒子加速机制等空间物理理论研究和空间天气的准确现报和预报具有非常重要的意义．利用小孔成像技术和位置灵敏探测器构建的小孔成像探测器可用于测量能量粒子的投掷角分布．小孔成像探测器的角度响应标定一般需要特殊的设备，如专门设计的粒子加速器．这种粒子加速器必须具备如下特点：出射粒子能量在中能范围；粒子在测量时间内均匀出射；粒子出射方向一致；单位面积束斑内粒子数量足够低．介绍利用带准直器的90Sr／90Y电子放射源测量小孔成像探测器角度响应的方法，并利用Geant4软件进行了仿真计算．试验结果表明电子放射源标定实验结果与Geant4仿真计算结果符合度良好，验证了上述方法的有效性．