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.     

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．     

中内磁层低能电子通量分布模式

本文根据磁层粒子动力学的基本原理,假定中内磁层的带电粒子为绝热运动,并通过波-粒相互作用,投掷角为各向同性分布,在随时间变化的电磁场中跟踪粒子弹跳平均的对流运动,包括电场漂移、磁场梯度和曲率漂移,同时考虑电子沉降造成的损失,建立了中内磁层低能电子通量分布模式.利用该模式,本文模拟了磁暴期间中内磁层低能电子通量的变化过程,并与卫星观测数据进行了比较.结果表明,模式计算结果与卫星观测数据的变化趋势吻合,对数通量相对于卫星观测结果的均方根（rsm）误差在0.5～1.0.     

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     

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.     

现代卫星导航系统技术特点与发展趋势分析

简要介绍了美国GPS系统、饿罗斯GLONASS系统、欧洲Galileo系统、中国北斗卫星导航系统、以及日本和印度的区域卫星导航系统的发展状况．重点研究了GPS系统星座维持、有效载荷、自主导航、信号调制和地面站改造等最新技术特征,以及GPSⅢ系统技术及研究进展,分析论证了卫星导航系统技术的发展趋势,为我国卫星导航系统建设规划提供参考．     

基于卫星定位的位置服务分析及其应用研究

全球导航卫星系统(GNSS)在位置服务领域发挥着巨大的技术支撑作用.本文概括了GPS现代化、GALILEO、GLONASS和北斗导航系统的建设与发展情况,挖掘基于位置服务(LBS)的技术应用需求,并针对2008北京奥运会和2010年上海世博会的服务应用做技术推广研究和行业应用分析.     

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.     

涡旋重联的Hall-MHD模拟及其在高纬磁层顶的应用

应用2.5维可压缩Hall-MHD数值模拟方法研究了高纬磁层顶进入层的磁场重联过程. 当同时考虑Hall效应和流场剪切的效应时, 产生了同心的流体涡旋和磁岛; 在磁层顶两侧看到了等离子体的交换, 磁层顶的边界区趋于模糊; 日下点附近产生的重联结构会在向高纬流动的过程中随着剪切流的增强而产生变化; Hall效应可提高涡旋重联的重联率; Hall效应产生的3维磁场和流场分量在剪切流的作用下重新分布, 使得等离子体交换过程更为复杂. 模拟的结果有助于增进对高纬磁层顶的动力学过程的理解.     

基于Cluster卫星观测的太阳风热流异常事件的分析研究

太阳风热流异常(HotFlow Anomalies,简称HFAs)是在地球弓激波附近发生频率较高的现象.本文利用Cluster卫星2003～2009年的数据,找出7年中观测到的765个HFA事件.本文采用个例分析方法研究HFA事件中心前后5min,进而采用时间序列叠加分析方法研究HFA事件中心前后100s中等离子体和磁场参数的变化.研究结果表明HFA事件按照动压随时间的增加、减少变化趋势可以分为"?+"(减小-增加),"+?"(增加-减小),"M"(增加-减小-增加)和"W"(增加-减小-增加-减小-增加)四类,其中字母表示其形状与动压变化趋势类似.其他参数变化趋势与动压的变化趋势高度相关,也相应呈现明显分类规律.此外,统计结果显示,HFA事件发生数量在不同年份有所差别,通过与太阳风速度和太阳黑子数的对比发现,事件数量与太阳风速度呈正相关而与太阳黑子数代表的太阳活动性不存在显著的相关关系.本文的结果为我们深入研究HFA事件形成机制、结构演化等问题提供了参考依据.     

H2/O2/Ar可燃气体激光诱导火花点火的实验研究

对H₂/O₂/Ar可燃气体激光诱导火花点火进行了实验研究. 采用Nd:YAG激光器产生的 532 nm激光聚焦击穿气体点火, 并采用激光高速纹影系统对不同初压、激光点火能量、氩稀释度可燃气体点火的火焰结构进行了流场显示. 结果表明, 气体击穿形成椭球形等离子体, 稀疏波与等离子体作用, 在等离子体迎光侧和背光侧分别形成一对反旋的螺旋环, 导致等离子体和随后的火焰面向内弯缺, 在等离子体左侧激光轴附近形成一个向外凸出的气瓣. 等离子体的高温气体诱导火花核的形成, 受壁面反射弱激波或压缩波的作用, 初始层流火焰减速. 弧形火焰阵面与壁面的作用及其与激波或压缩波、稀疏波等作用, 导致层流火焰向湍流火焰转捩. 对摩尔比为2:1:10、初压为53.33 kPa, 激光诱导火花点火的激光器最小输出能量为 15 mJ. 随预混气初压的升高, 激光点火能量越高, 降低氩稀释度, 会加快火焰阵面传播速度.     

快速压缩机中激波反射起爆过程数值模拟

对在快速压缩机上使用高速摄影观察到一种由激波反射引起的超级爆震起爆机理进行了数值模拟研究.高速摄影获得的图像显示起爆发生在燃烧室近壁面处.通过建立与试验结果对应的物理模型,使用CFD软件数值模拟了激波发展过程,研究了激波与燃烧室壁面的交互作用,解析了激波反射引发爆震燃烧的过程.结果表明,激波在圆形燃烧室传播过程中会在近壁面区域发生马赫反射,三波点滑移线与壁面之间形成高温区,高温区中热点自燃发生局部热爆炸形成的激波与反应面耦合最终发展为爆轰.     

火星壳磁场对电离层影响的综述

火星壳磁场对电离层的影响是火星电离层研究的热点之一.本文总结了国际上针对火星壳磁场对电离层影响的研究.早期的火星电离层数据主要来自无线电掩星观测.根据无线电掩星观测结果,火星壳磁场主要影响电离层的电子密度标高和峰值电子密度.强水平磁场可以有效阻止等离子体的垂直扩散,导致顶部电离层电子密度的标高与光化平衡区域相近;而在类似极尖区的强垂直磁场区域,由于等离子体的垂直扩散增强,会导致扩散平衡区域电子密度标高的增加.MGS的无线电掩星观测发现在火星壳磁场比较强的南半球区域电离层主峰值电子密度平均略高于在北半球弱磁场区域的观测结果.MEX首次利用顶部探测雷达对火星电离层进行观测,其观测结果证实电离层主峰值电子密度的异常增加只发生在火星壳磁场中类似极尖区的开放磁场区域,而且峰值电子密度增加的幅度远大于无线电掩星观测的结果.造成在火星壳磁场类似极尖区的开放磁场区域出现电离层主峰值电子密度异常增加的可能机制有两种：一种与能量粒子的注入有关;而另一种与等离子体不稳定性的激发和波动加热有关.目前还无法确定是哪种机制起主要作用.在此基础上,本文提出了火星电离层和等离子体环境需要深入研究的几个问题.     

2003年10月两次特大太阳风暴的预报试验

针对2003年10月28日和29日的两次特大太阳风暴(激波)事件, 提出一种把空间天气形势分析—“望诊”与定量预报—“切脉”相结合的二步法, 进行预报试验. 第一步, “望诊”, 太阳源表面磁场分布、行星际闪烁观测资料和ACE卫星观测的联合分析表明, 源表面的大尺度磁位形造成了激波相对于爆发源法向非对称传播, 地球处在接近激波传播最快、能量最大的方向上; 这两次激波是高速抛射事件, 强磁场、高温的日冕物质快速膨胀以及高速的背景太阳风都有利于激波的快速传播. 第二步, “切脉”, 采用新建立的快激波渡越时间的从属函数mT于ISF方法中, 对其渡越时间和引起的地磁扰动进行了预报试验. 预报试验结果是: 两次激波事件磁扰开始时间的预报值与观测值相比较, 相对误差分别为1.8%和6.7%; 磁扰幅度ΣKp指数的预报相对误差分别为4.1%和3.1%; 此外, 比较二步法与国际流行的五种统计或数值预报方法, 结果表明, 二步法有利于改善预测太阳风暴到达时间及其引起的地磁扰动幅度大小的能力. 工作表明, 深入研究激波传播的物理特性, 对于提高预报精度是极为重要的.     

地球等离子层极紫外波段辐射特性计算

介绍了计算地球等离子体层 He⁺密度分布的动态全球核心等离子体层模式(DGCPM), 模拟了等离子体层结构特性和30.4 nm辐射特性, 与IMAGE卫星观测结果的对比分析表明: (1) 等离子体层顶主要位于5.5 R_E以内, 10 min收缩或扩张的特征尺度约0.1 R_E; (2) 等离子体层肩产生于行星际磁场南向偏转并从晨侧向正午方向旋转; (3) 等离子体层尾在行星际磁场南向偏转时会向昏侧旋转并变窄. 模拟得到从月球上观测时等离子体层位于5.5 R_E以内, 对应月基极紫外相机视场角 10.7°×10.7°; 等离子体层 30.4 nm辐射强度为 0.1~11.4 Rayleigh; 首次从侧面模拟出了等离子体层肩和尾结构, 其空间变化尺度量级为0.1 R_E. 以上计算结果为月基极紫外相机参数设计提供了重要理论依据.     

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．     

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．     

GPS和GLONASS组合系统

现在天空中有两种规模最大的卫星导航系统，如果把它们组合起来就具有明显的优势，因为GPS和GLONASS的组合系统在任何时间内都能接收到11颗卫星的组合，它能很好地改善系统的几何因子，使得系统可用性达到100%，接收机自主完好性监测（RAIM）也能大大地提高。单独使用GPS或GLONASS为提高定位精度须采用差分技术，使用差分技术就增加了地面基准站的投入和系统的复杂性，在组合系统下本身精度就提高多了。由于GPS和GLONASS具有不同的轨道面，卫星分布也不同，GPS适合于中纬度地区，GLONASS适合于高纬度地区，两者兼容互补作用 很强，所以GPS和GLONASS组合系统的实用意义特别重大。我国科技工作者应深入研究这种组合系统以减小GPS的使用风险。     

卫星低频电磁辐射在轨探测研究

利用地球空间探测双星计划探测一号卫星上的磁场波动分析仪的原始数据, 分析了探测一号卫星在轨电磁辐射的特性. 结果显示卫星的电磁辐射主要集中在30 Hz以下. 在30 Hz以上, 卫星的电磁辐射最多延伸到 190 Hz左右, 而且强度明显减弱. 在 190 Hz以下的卫星电磁辐射具有与卫星姿态相关的长周期变化. 在 190~830 Hz的范围的电磁辐射有不明显的长周期变化特征. 830~3990 Hz范围的电磁辐射没有长周期变化特征. 卫星电磁辐射的长周期变化是由卫星姿态变化造成的. 卫星姿态变化引起卫星太阳方位角变化. 卫星太阳方位角越大, 卫星电磁辐射越大. 卫星太阳方位角从90.6增加到93.6, 低于10 Hz以下的电磁辐射约增大为原来的9倍, 10~190 Hz范围的电磁辐射大约增加到原来的1.6倍. 卫星在＜10和10~190 Hz范围内的电磁辐射强度与卫星太阳方位角的相关系数分别达到0.90和0.91. 卫星在光照情况下的电磁辐射要比卫星在阴影情况下大. 卫星太阳能帆板电流产生的电磁辐射是卫星电磁辐射主要来源, 约占整个卫星电磁辐射的87％(低频段<150 Hz)和94％(高频段>150 Hz). 这些中国首次对卫星电磁辐射的在轨探测结果对于我国未来相关科学和应用卫星的设计方案的优化具有重要的参考价值.