资源一号卫星星内粒子探测器对高能粒子辐射的观测

利用资源卫星上搭载的星内粒子探测器累计5 年左右的资料, 总结了在太阳同步轨道780 km高度上高能粒子通量的一般分布特征, 作为首次对卫星内部高能辐射环境的连续监测, 资料分析对比确认了卫星内外高能粒子辐射经过换算后的一致性, 测量到的通量变化与太阳活动和质子事件有直接的关联. 外辐射带高能电子辐射强度与Dst指数的变化对应很好, 相关性分析表明二者之间一般有3 d左右的延时, 而大的磁暴造成的高能粒子的注入则通常发生得很快, 与Dst指数变化可在同一天发生. 另外, 在宁静时极盖区很少出现高能电子和质子, 上述几年数据的统计表明, 只当太阳质子事件发生时, 高能质子和电子才出现在极盖区.     

TC-2/中性原子成像仪观测到等离子体片纵向振荡

2005年8月24日磁暴期间(Dst = -219 nT ), TC-2卫星上的中性原子成像仪(NUADU)观测到了绕近地等离子体片区磁力线作螺旋运动的全空间4π立体角离子通量分布. 在TC-2卫星历时34 min的多次穿越等离子体片过程中, 多个能量离子束事件均具有绕磁力线呈现两个对称环状离子通量分布特征. 在每一次穿越等离子体片过程中低频波探测器(LFEW/TC-2)都探测到了频率略高于低混杂波摸的哨声波摸合声的增强. 比较离子投掷角分布与磁场, 我们发现场向能量离子通量增强总伴随有等离子体片磁力线的尾向拉伸; 垂直磁力线方向的能量离子通量增强却伴随有等离子体片磁力线的地向压缩, 并出现总磁场强度的峰值. 由于平行和垂直磁力线的离子通量增强是间歇性地交替出现, 探测数据揭示了一种近地等离子体片磁力线的纵向振荡(磁力线的尾向拉伸和地向收缩)过程, 这有助于在近地等离子体片区域形成离子与场的相互作用区, 从而触发磁暴期间的连续极光亚暴.     

偶极化峰面附近离子通量消退现象

<正>偶极化锋面在观测统计以及个例分析中被广泛研究.它最主要的特征是北向磁场(GSM坐标系下的Bz分量)的突然增强,并且之前Bz会出现短暂的减小.观测结果显示偶极化锋面是一种地向传播、厚度只有离子回旋半径量级的结构,并且通常伴随着强的瞬态电场、波动以及电流.观测和模拟结果都表明当偶极化锋面通过卫星时,测得的粒子通量在某一能量阈值以下下降,而在该阈值以上的通量则上升.锋面附近电子和离子的加速一直是这     

内磁层中行星际激波激发的超低频波对“杀手”电子和能量离子的快速加速

辐射带中的能量电子与离子是首要的空间天气威胁. 理解这些粒子如何在辐射带中被 加速是空间物理学的主要挑战之一. 本文总结了行星际激波在内磁层激发的超低频(ULF)波 对“杀手”电子与能量离子的快速加速的最新进展. 甚低频(VLF)波-粒子相互作用被认为是电 子加速的主要机制之一, 这是因为电子回旋共振容易在VLF 波频率范围内发生. 最近, 运用4 颗Cluster 卫星的观测, 发现在行星际激波作用于地球磁层之后, 辐射带中的能量电子几乎立 即被加速, 并且加速过程持续数小时. 传统的加速机制是基于VLF 波粒相互作用加速电子至 相对论能量, 时间尺度长达数天, 因而无法解释我们的观测. 进一步发现行星际激波或太阳 风压强脉冲, 与更加小的动压变化, 对辐射带动力学起到无法忽视的作用. 行星际激波与地 球磁层相互作用会产生许多重要的空间物理学现象, 包括能量粒子加速. 由行星际激波作用 引起的辐射带能量电子的快速加速的机制包括3 个组成部分: (1) 由与激波相关的磁场剧烈压 缩引起的初始绝热加速; (2) 与不同L 壳层被激发的极向模ULF 波造成漂移-共振加速; (3) 与 ULF 波相关的快速衰减的电场引起的粒子加速. 粒子最终会获得净加速, 因为它们在上半个 周期获得的能量多于在下半个周期损失的能量. 本文得到的结果对理解在地球Van Allen 辐 射带中的能量粒子加速有了新的认识, 同样也可以被应用于行星际激波与其他行星的相互作 用, 例如水星、木星、土星、天王星和海王星, 以及其他有磁场存在的天体.     

如何理解高能伽玛射线暴?

伽玛射线暴(简称伽玛暴或gamma ray burst,GRB)是来自宇宙深处的、短时标的伽玛射线突然增强的现象,是宇宙大爆炸之后最猛烈的爆发现象.伽玛暴可分为长暴(持续时间T_(90)2 s)和短暴(T_(90)2 s).观测发现,长暴起源于大质量恒星的塌缩,而短暴起源于双致密星的并合.除了瞬时伽玛辐射,伽玛暴分别在暴后周、月和年时间量级上还会产生X射线、光学和射电余辉.理论上,伽玛暴的瞬时辐射被认为产生于相对论喷流内部的能量耗散过程,而多波段的余辉则产生于相对论喷流与外部介质之间的相互碰撞引起的外激波.因此,伽玛暴是研究致密天体(恒星级质量黑洞和中子星)诞生、引力波辐射、相对论激波、极高能宇宙线、高能中微子等极端物理现象以及高精度检验基本物理原理的天文实验室,也是早期宇宙恒星形成和演化、高红移星系、高红移宇宙学的重要探针.伽玛暴的研究横跨当今天文学、宇宙学、物理学等学科,是当前国际竞争最激烈的自然科学基础研究领域之一.2017年8月17日,LIGO(laser interferometer gravitational wave observatory)/Virgo引力波天文台和Fermi卫星同时分别探测到引力波事件GW170817和短时标伽玛暴GRB170817A,开辟了多信使天文学的新时代.本文结合相关的关键科学问题评述了伽玛暴和引力波电磁对应体研究领域的最新研究进展,并基于伽玛暴学科领域的发展态势和我国现有的研究基础,讨论如何抓住机遇、布局跨学科的重大研究计划,促进国内与伽玛暴相关科学设备成果的最大化,全面提升我国在这个领域的国际影响力.     

2000年4月6日磁暴夜侧场向电流变化特征

利用全球地磁台站观测数据,研究了2000年4月6日超级磁暴期间北半球夜侧场向电流变化特征.结果表明,磁暴主相期间,北半球夜侧中纬地区呈现东向磁扰的主要特征,子夜后扇区东向磁扰强于子夜前扇区.这表明夜侧高纬电离层的场向电流以流出电离层为主,流出电离层的场向电流中心在子夜后扇区,靠近子夜,即Ⅱ区场向电流和部分环电流体系在磁暴主相期间向昏侧偏转.磁层亚暴对夜侧流出电离层的场向电流有一个先减弱后增强的效应.磁暴主相期间部分环电流和Ⅱ区场向电流的发展与子夜后-晨侧扇区的西向电集流增强相对应.     

南海北部孤立内波的现场观测

利用1998年5~6月期间CTD、温度链和ADCP现场定点连续观测的海温、海流时间序列等资料, 分析南海北部东沙岛附近孤立内波的特征. 结果表明: 在观测期间, 该观测点孤立内波的振幅可达100 m, 在深水区的传播方向为准西向, 波致流的最大流速达2 m/s, 周期介于10~20 min间, 船上雷达测到其西向传播速度可达2 m/s; 最强海洋孤立内波是在1998年5月14~16日出现, 与全日潮大潮发生的时间同步.     

磁尾等离子体片和地球同步轨道区域对行星际激波的响应

2004年7月22日, WIND飞船探测到一个典型的行星际激波, 激波前为持续较长时间的微弱南向磁场, 越过激波面, 磁场发生南向偏转并被压缩. 当激波作用于磁层时位于磁尾等离子体片不同位置的TC-1卫星和Cluster卫星都观测到等离子体对流迅速增强. Cluster上搭载的电场探测仪器可以直接观测到晨昏电场的增加. 位于磁尾等离子体片以及地球同步轨道不同位置的卫星观测到的磁场变化则不同: TC-1观测到磁场大小几乎不变但磁场仰角变小, 而离赤道较远的Cluster卫星则观测到磁场显著增强; 位于午夜侧附近的GOES-10卫星观测到磁场强度突然增加, 磁场仰角变小; 位于晨侧的GOES-12卫星的观测则表现出简单的磁场压缩, 即磁场强度及各分量都显著增加. 另外, 分布在各个磁地方时的LANL卫星观测的高能质子和高能电子通量都脉冲增强, 在向阳面粒子通量的变化比夜侧明显, 位于午夜侧的粒子通量响应则最弱. 文中还讨论了这些观测现象的可能的物理解释. 以上磁层响应是由动压脉冲结构以及磁场南向偏转共同作用的结果.     

极区电离层O+上行的时空分布: 平静期FAST卫星观测

分析FAST卫星能量离子测量数据, 首次得到2000~4200 km高度范围平静期电离层O+上行的时空分布图像. 结果表明, 磁正午前的极尖/极隙区是低能O+上行发生最频繁的区域; 黎明前等离子体对流的低纬边界区域是高能O+上行发生率最高区. 无论能量高低, 在平静极光椭圆边界之外的较低纬度宽阔时区上存在较频繁的O+上行. 午夜前21:00~22:00 MLT极光椭圆带的上行O+携有较强的能通量, 其中高能O+在靠近极盖边界处上行能通量特别强. 在所分析的2000~4200 km高度范围, 上行O+离子锥发生率显著高于离子束; 离子束在3000 km高度以下极少出现, 而离子锥较均匀地在各高度都有发生.     

不同时期地球低阶重力场系数J2变化的特性分析

基于1984年1月至2010年12月共27年的Lageos1和1992年10月至2010年12月共18年的Lageos2激光卫星最新观测数据,应用高精度的卫星观测拟合卫星统计动力学轨道方法反演地球低阶重力场系数2J的变化,分析其不同时期的季节和长期变化特性.结果表明2J变化包含明显的周年、半周年和长期变化信号.通过采用不同数据段拟合得到的2J变化周年和半周年振幅和相位结果较稳定,利用全部数据段得到的2J周年振幅以及相位分别为2.51010,127°,半周年振幅和相位分别为0.941010,213°.对于长期变化,全部数据段拟合得到的长期变化为2.21011a1,然而不同数据段得到的结果因为受到几年尺度的异常变化影响会有所不同,例如"1998异常".最新的数据分析表明2007~2010年期间又可能有明显的异常变化,虽然对应这一变化的地球物理解释目前尚不清楚,但从实测角度监测地球"胖瘦"提供观测约束具有重要意义.     

三参数冰相云微物理方案的构建及在单柱大气模式中的应用

云微物理的参数化对天气及气候的准确模拟至关重要,其中云粒子谱分布特征通过改变云演化发展和云辐射效应,必然进一步影响气候模拟.目前广泛使用的双参数云微物理方案,无法预报云粒子谱分布的谱形参数,阻碍了气候模式对云物理过程的准确描述.鉴于此,本文在单柱大气模式SCAM5.3(Single Column Atmosphere Model,Version 5.3)中增加雷达反射率因子的预报方程,构建了三参数冰相云微物理方案,实现了冰晶粒子谱分布谱形参数的预报.利用该模式,模拟了大气辐射观测计划在1997年夏季实施的为期29 d的观测个例(ARM97),分析了双、三参数方案对云量和辐射的模拟差异.结果表明:首先,三参数方案预报的冰晶粒子谱的谱形参数主要集中在0～4,峰值在2左右,至少有85%的μ都大于默认的0.其次,与双参数方案相比,三参数方案对云量的模拟更接近观测;利用辐射通量密度的观测值进行评估,发现无论是短波还是长波辐射通量密度,三参数方案的误差都比双参数方案小.最后,揭示了三参数方案对云量和辐射模拟效果的改进机理:主要是因为三参数方案减弱了冰晶到雪的自动转化过程,增强了冰晶凝华增长过程,从...     

2004年印度尼西亚9级大地震前的潜热通量异常

研究了2004年12月26日印度尼西亚苏门答腊岛西海岸发生的9级大地震前后地球表面潜热通量的时空演化过程, 发现如下几个现象: (1) 在印尼9级大地震前, 在震中及其附近地区, 出现了显著的潜热通量异常; (2) 地震前最大的潜热通量异常出现于缅甸小板块中段俯冲带上, 这里正是地震破裂带的中部, 也是余震集中的区域; (3) 异常发展具有由弱到强、由零散到集中的过程, 异常开始出现在缅甸小板块张性东边界及其东侧海盆, 然后向压性西边界(即海沟俯冲带)和印度洋发展, 地震后潜热通量异常消失. 震源系统是一个耗散系统, 地震前应力增强使系统与外界的物质和能量交换加激, 提高了海面和大气之间水热交换的速率, 这可能是导致潜热通量异常的原因.     

2011年春季北极地区臭氧低值事件的卫星遥感监测

利用FY-3B SBUS 和NOAA SBUV/2 观测资料, 监测2011 年3 月1 日~4 月5 日北极地区臭氧低值事件发生发展全过程. 臭氧低值区臭氧总量在200~250 DU, 局部极低值在200DU 左右, 达到臭氧洞水平, 比通常水平低100~200 DU. 此次北极臭氧低值事件开始于3 月1日, 结束于4 月5 日, 期间经历扩展-消亡、围绕极地自西向东方向旋转、由极区沿经线向中纬度扩散等多个发展变化过程. 这次非常罕见的北极地区臭氧低值事件影响范围除极区外,还波及从欧洲到俄罗斯中部的广大人口密集地区, 导致这些地区地表紫外线强度的急剧增强, 对人类身体健康和环境造成重要影响, 应该引起高度关注.     

毛乌素沙地的粉尘释放通量观测及DPM模型的野外验证

目前关于中国粉尘源区的释放通量观测数据很少, 被经常使用的DPM粉尘释放模型在中国源区的可靠性还没有得到验证. 2002年春季在毛乌素沙地开展了野外观测实验, 分别观测了跃移通量、< 10 μm的粉尘释放通量、温度和风速梯度. 观测期间平均摩阻风速在0.26~0.35 m·s-1之间, 实测的跃移通量约在0.07~8.00 g·m^-1·s^-1之间, 实测和模拟的跃移通量较为一致, 跃移通量方程经验系数取2.61比较合适; 在3次局地的粉尘释放过程中, 实测的粉尘释放通量约在1~3 mg·m^-2·s^-1之间, 模拟的粉尘释放通量偏高, 说明该模型在低风速条件下还需要校正. 通过与前人数据的比较, 发现松散的砂质土的跃移通量大于具有物理结皮的砂质土和存在大土壤团块的壤质土, 说明在相同摩阻风速条件下, 松散的砂质土的粉尘释放通量最大, 预示中国北方粉尘的主要源地在沙漠和沙漠化的土地.     

2000年7月14日与2003年10月28日太阳质子事件的观测比较分析

对2000年7月14日(巴士底事件)与2003年10月28日的太阳质子事件进行了对比分析, 尽管2003年10月28日太阳质子事件的峰值流量比巴士底事件的高, 但行星际观测到, 巴士底事件能量大于10和30 MeV质子的最大强度都高于2003年10月28日相应能量的最大强度. 进一步的研究表明, 巴士底事件CME驱动的激波在2000年7月14日12:00~17:00UT时间段内, 可被加速到能量大于10和30 MeV的种子粒子的数量远比2003年10月28日12:00~17:00UT期间的多. 巴士底事件CME的高度达到约14R_⊙高度时, 其驱动激波加速能量大于100 MeV高能质子的能力达到最大, 而2003年10月28日的CME在约58 R_⊙高度时其驱动激波加速100 MeV质子的能力达到最大, 此时能量大于100 MeV的通量在155 pfu左右, 比巴士底事件能量超过100 MeV高能质子的峰值通量355 pfu要低得多, 说明巴士底事件可被加速到100 MeV以上能量的种子粒子的数量比2003年10月28日的多. 太阳质子事件的峰值流量不仅取决于行星际太阳高能质子的强度, 还取决于CME驱动的行星际激波的速度和太阳风中可被加速的粒子数以及行星际的磁环境. 伴随2003年10月28日ICME在行星际形成的磁鞘捕获了大量的高能质子, 其中含能量超过100 MeV的高能质子.     

地震短临预报的小卫星系统的建议

此系统的主要目的是为了地震短临的预报 .按照强祖基的理论和长期的实践 ,通过对由地层内部释放的某种辐射物质和气体所引起的大气低层的增温及其移动趋向的观测 ,可以及时前期预报较强的地震 .在实验中系利用气象卫星的远红外敏感器来探测温度上升的 .但有时云和雨会阻碍这样的探测 ,建议的系统使用毫米波辐射计一般可以克服掉那些影响 .设计中重点考虑的是卫星的平台结构和姿态控制系统要适合辐射计的扫描天线 .系统中卫星的轨道设计和光学小卫星系统一样 ,做到一天可以观测世界上任何一地两次 .     

火星磁层中内禀磁场对O+离子分布的影响

目前对火星磁层的观测仅是在某些特定情况下和特殊位置的观测,并无系统的数据;在理论研究方面,仅对火星磁层顶位形进行过一些探讨.火星磁层的结构、磁矩的大小(即内禀磁场)及其在火星磁层中的动力学作用问题,仍然是有争论的,有待于进一步系统地观测分析和理论研究来确定.观测结果还表明,氧离子是火星磁尾重要的离子成分,其通量密度典型值为 2.5 ×10~7cm~(-2)·s~(-1).     

磁暴期间环电流的纬向移动与倾斜现象

赤道环电流理论预言其水平分量磁扰在地面上的纬度分布, 有着以赤道面为中心按照地磁纬度余弦而递减的规律. 然而, 在地磁观测记录中发现, 磁暴期间最大水平分量下降不是发生在赤道地区, 而是发生在中低纬台站, 并且以这一非赤道地区的磁扰为强度中心, 两侧台站的磁扰记录呈现出余弦递减的规律. 上述观测事实暗示着赤道环电流的强度中心(投影纬度)不在赤道面上, 而是发生了整体倾斜或(和)纬向移动. 分析了2000~2004年间的11个大磁暴, 研究了环电流的空间分布特征. 结果表明, 环电流相对于磁赤道面发生倾斜, 倾斜角δ_t≈13~25°, 时常伴随纬向移动δ_s≈0~21.8°. 不同台站水平分量磁扰ΔH_k与纬度φ_k的规律可以表述为ΔH_k=ΔH_maxcos(φ_k-δ), 与观测结果符合较好.     

卫星遥感中国对流层中高层大气甲烷的时空分布特征

利用美国Aqua 卫星的AIRS 遥感资料, 分析了2003~2008 年中国地区对流层中高层大气甲烷的时空分布特征. 研究发现, AIRS观测结果与近地面观测资料变化趋势一致, 与地基遥感的误差在1.5%以内. 受近地层自然排放与人为活动的共同影响, 中国对流层甲烷在垂直分布上呈现典型的变化趋势: 随着高度的增加甲烷浓度下降. 甲烷在我国东部和北部地区具有明显的双峰季节变化特征, 最高值存在夏季, 次高值出现在冬季, 与近地面观测结果一致, 而南部地区冬季没有显著增加的人为来源, 西部地区人为活动稀少, 因此在南部和西部地区的甲烷高值只出现在自然源排放强烈的夏季. 中国地区的对流层中高层的甲烷与北半球的几个主要地区变化趋势一致, 均在2007 年之前保持相对稳定, 在2007 年后有一个明显的增长, 但是中国的增长速度较其他地区更为显著, 其中2006~2008 年期间的增长速率与我国近地面观测结果相近.     

基于激光雷达数据的奥运大气污染控制效果评估

为有效评估2008年奥运会期间北京本地及周边地区的大气污染控制效果, 利用双波长偏振激光雷达观测数据, 分析研究了奥运会期间北京地区气溶胶消光系数的演变规律. 结果表明: (1) 在气象要素几乎相同的情况下, 2008年奥运会期间近地面(250 m以下)消光系数较2007年同期下降了42.3%, 这表明北京本地污染控制措施对改善奥运会期间的空气质量起到了明显的作用. (2) 通过对比分析奥运会前(2008年7月20日~8月7日)与奥运会期间(2008年8月8~24日)气溶胶消光系数的变化, 发现奥运会期间消光系数日均值在边界层中上层(0.5~1.5 km)减少显著. 为解释此现象, 利用NAQPMS模式分别模拟了北京周边地区在奥运会前与奥运期间对北京地区大气污染物的输送状况, 发现PM₁₀的输送量在奥运期间有36.6%的削减, 这表明北京周边地区污染控制措施对改善奥运会期间的空气质量也起到了重要作用.