行星际超低噪声三维能量粒子谱仪设计

太阳系能量粒子的起源和加速一直是空间物理学的重要前沿课题之一.在行星际空间中观测到的太阳系能量粒子主要分为两类:一类是持续存在的“太阳风能量粒子”,另一类是间歇性的“太阳能量粒子事件”.受限于以往行星际粒子探测器的灵敏度还不足够高,人类迄今仍未洞悉这些能量粒子起源和加速的物理过程与本质.本文设计了技术指标均为国际领先水平的行星际超低噪声三维能量粒子谱仪,采用双端望远镜结构(一端利用薄膜阻挡质子技术实现高灵敏电子探测,另一端利用磁场偏转电子技术实现高灵敏质子探测),结合多层、多像素半导体探测器阵列和覆盖近4π立体角的大视场设计,实现对行星际空间中20~1000 keV电子和25~12000 keV质子的三维分布进行高时间分辨率、高角度分辨率和高能量分辨率探测,用以揭示太阳系能量粒子起源和加速的机理,满足我国行星际探测和即将开展的深空探测的迫切需求.

磁重联与等离子体波动

磁场重联与等离子体波动之间存在显著的联系.其中准静态波动、激波和动力学阿尔芬波的本征模是磁重联结构的重要组成部分.而其它的高频波动,不仅能吸收粒子的自由能,还可以导致粒子的加热和反常电阻的产生.这些多尺度的波动过程揭示了磁重联中能量转换的多尺度性质.本文探讨了地球磁层磁重联过程中的各种等离子体波动,涵盖了动力学阿尔芬波、低混杂波、哨声波、静电孤波、离子声波以及电子尺度的高频静电波,并分析了它们在磁重联中的特性和作用.近期的研究成果表明,动力学阿尔芬波(kinetic Alfven wave,KAW)能够描述磁重联区域的微观结构,其中包括霍尔磁场、霍尔电场、平行电场、霍尔电流以及场向电流.在这一过程中,霍尔电场作用于离子,有助于提高重联速率.低混杂波主要在电流片的密度梯度较大处被激发,并对电子进行平行加热.而哨声波是由朗道共振和回旋共振机制驱动的.据当前研究所示,低混杂波和哨声波对于重联过程中的反常电阻效应的影响是次要的.静电孤波多在磁重联分界线区域出现,其对等离子体的加热效应仍需进一步研究.与此同时,关于高频静电波(例如高混杂波和电子伯恩斯坦波)的研究重点在于磁重联的扩散区,这些波被认为对该区域中的电子能量转换过程起到了关键作用.这些最新研究成果为深化我们对磁重联以及等离子体波动的理解提供了宝贵的参考.

基于FY-3D电离层光度计数据开展夜间135.6nm辉光辐射强度对赤道环电流指数Dst的响应特性研究

远紫外气辉探测仪小型电离层光度计IPM于2017年11月15日随FY-3D卫星发射升空.IPM通过对地测量夜间O+和电子辐射复合产生的135.6 nm辉光辐射、白天光电子激发产生的OI 135.6 nm和N2LBH波段的辉光辐射,可以得到夜间电离层峰值电子密度、电子总含量以及白天大气氧原子和氮分子的柱密度比O/N2等参数.本文基于IPM夜侧数据研究了在非极光区的中低纬度上,135.6 nm波段辐射强度在磁暴时与磁平静时的相对变化.研究表明,135.6 nm波段辐射强度极易受到磁暴影响发生扰动,对Dst指数响应十分敏感,即使是较弱的磁暴,135.6 nm波段辐射强度也会出现增强,辐射增强出现的时间与磁暴的主相与恢复相有很好的对应性;通过与IGS(International GNSS Service)提供的TEC比对研究表明,磁暴期间135.6 nm辐射增强并非仅由与电离层电子密度信息正相关的O+和电子辐射复合机制产生的辐射贡献引起;多个不同强度的磁暴事件研究表明,135.6 nm辐射强度在磁暴时相对平静时的增加量与Dst指数呈反比,即Dst指数越低,135.6 nm辐射强度的增加量越大,且纬度越高,135.6 nm辐射强度的增加量越大.

基于Fortran语言的地球外辐射带电子三维数据同化建模

开发地球电子辐射带的数据同化模型,对于理解辐射带电子的动态演化过程和辐射带空间天气预报具有重要意义.结合范阿伦卫星的辐射带电子观测数据和外辐射带三维扩散模型,采用卡尔曼滤波算法,本文开发了基于Fortran语言的外辐射带电子三维数据同化模型(Three-dimensional Data Assimilative Model of Outer Radiation belt Electrons,简称TDAMORE),实现对L^(*)=3~7、能量范围为0.1~5 MeV、投掷角范围为5°~90°的外辐射带电子时空变化过程的三维重构.通过对2018年8月期间外辐射带电子通量演化过程的重构,证实TDAMORE模型可以较好地重现不同能量和不同投掷角电子通量在磁暴前后的演化特征.通过分析电子通量的观测和同化结果之间的相关系数、平均误差、平均绝对误差和均方误差,发现对于能量低于4 MeV的电子,观测与同化结果之间的相关系数基本大于0.8且误差相对较低.而对于更高能量的电子,观测与同化结果之间的误差相对较高,这可能是同化模型忽略了电磁离子回旋波对电子的散射损失导致的.

初始大扰动条件下双流系统的粒子相空间振荡

双流系统产生的不稳定性过程是近地空间中常见的等离子体不稳定性现象.地球磁尾、等离子体片边界层、地球弓激波、太阳风、极隙区和极光加速区观测到的静电孤立波被认为是由双流不稳定性产生.地球空间环境并非均匀稳态,因此对双流系统演化过程的研究往往需要考虑初始的扰动.利用所建立的动理论粒子云模型方法,我们研究了初始大扰动下双流系统的不稳定性现象,发现初始大扰动条件下粒子相空间产生振荡现象,且振荡频率与初始扰动的空间波数有关,电场与电场能量也存在该频率成分.通过线性理论,求解出了粒子相空间振荡频率.它与粒子云模拟得到的频率一致.该频率为朗缪尔振荡频率的基础之上叠加一个与初始扰动的空间波数有关的频率偏移量.我们改变等离子体频率,进一步验证了上述结论.该研究结果表明初始扰动能够对双流系统的不稳定性现象产生重要影响,对于加深理解地球磁层中双流系统的演化过程有重要参考意义.

库车前陆盆地的热流与深部温度分布特征

沉积盆地热体制对理解盆地的成因演化过程以及油气和地热能源资源评估等具有关键作用,备受学术界和工业界关注。库车前陆盆地是中国重要的天然气产区,其热体制的准确厘定对于该区油气潜力评估具有重要意义。文章利用系统连续测温与试油温度数据,结合地层热物性数据,详细研究了库车前陆盆地的现今热状态特征。库车前陆盆地的现今地温梯度介于17.3~25.7℃/km之间,平均值为21.5±2.6℃/km;大地热流范围为27.4~57.9 mW/m^(2)之间,平均值为40.9±7.2 mW/m^(2)。区域内1000~6000 m埋深处的估算温度范围及均值分别为26~49℃(36±4.6℃)、42~82℃(59±7.5℃)、64~113℃(82±10.3℃)、85~127℃(102±11.6℃)、98~140℃(119±12.8℃)与110~155℃(133±13.9℃)。库车前陆盆地现今热状态整体偏低,分布上表现出“北高南低、东高西低”的空间格局。盆地西部沉积物厚度大,沉积层因其低热导率形成热屏蔽效应,阻碍深部热量向地表运输。同时,盆地东部新构造变形强度更大,断层运动生热效应明显。盆地沉积物厚度差异以及印度—欧亚大陆碰撞远距离效应作用下活动构造的强度差异联合造就了观测到的区域地热格局。

流星不均匀体多波段探测系统与初步观测结果

流星体注入地球空间给地球带来外部物质并影响地球空间环境.为了探知流星体对空间环境的影响,需获取不同类型流星体及其在地球大气中产生系列现象的特征.本文介绍近期研制建设的流星不均匀体多波段探测系统.该系统设计采用光学大范围成像和无线电相控阵雷达与双基地全天空雷达主动探测,实现对不同尺寸流星体坠入地球高空大气/电离层后的烧蚀、蒸发和电离到流星不均匀体产生与演化等系列过程探测.通过开发多种探测模式和相应的数据分析反演算法,获取流星体速度、质量、成分和星际来源、流星等离子体头和等离子体尾迹不均匀体的空间精细结构与演化以及低电离层“瞬时”风场等多参量信息.利用该系统观测数据,对流星体及其产生的流星等离子体头、等离子体尾迹场向和非场向不均匀体、流星闪耀和尘埃不均匀体以及电离层不均匀体等开展了初步研究.

基于漠河与武汉站流星雷达的中间层顶大气温度反演

本文利用漠河和武汉站的全天空流星雷达在2012—2022年期间的观测数据,基于流星高度分布的半高宽(full width at half maximum,FWHM)与温度之间的线性关系来反演90 km高度处的大气温度。对每年数据作线性拟合时发现拟合参数几乎不变,因此本文使用过去一段时间总结出的参数来拟合温度,并与传统梯度法对比。结果表明,使用FWHM法测出的温度与Aura卫星的温度更为接近,其中相关系数和平均误差均优于梯度法,并且FWHM法在较高纬度的漠河站的拟合效果好于较低纬度的武汉站。说明在漠河站和武汉站使用FWHM法反演中间层顶大气温度是可行的;同时也证明了纬度会影响FWHM法的误差,在较高纬度使用FWHM法的结果误差更小。

平流层爆发性增温期间中高层大气行星波研究进展

极区平流层爆发性增温(SSW)是冬季半球最剧烈的大气扰动现象之一.SSW期间温度和风场的剧烈变化被认为是冬季半球中高层大气波动能量异常增强的主要原因.流星雷达是能够稳定连续探测中间层和低热层风场的重要地基探测设备.主要依托国家重大科技基础设施建设项目:“子午工程”,我国已建设了多个流星雷达观测台站,对中间层和低热层风场进行了长期稳定连续的监测,为揭示SSW期间中间层和低热层波动异常变化的物理机制提供了重要的观测资料.本文简述了近年来以我国“子午工程”流星雷达监测数据为核心,SSW期间中高层大气行星波的研究进展和成果;深入讨论了冬季半球中高层大气行星波发生异常变化的主要激发机制.随着“子午工程”二期十个流星雷达台站即将建成,本文对利用“子午工程”流星雷达监测台网进一步研究SSW期间中高层大气波动的变化特性进行了展望.

无碰撞磁场重联地面实验平台的研制与建设

中国科学技术大学无碰撞磁场重联实验平台(KRX)是以揭示无碰撞磁场重联的触发机制、对无碰撞磁场重联电子扩散区的结构及相关等离子体波动进行深入细致研究为目标而建设的大型等离子体装置,是开展空间环境基本物理过程地面实验模拟的综合性平台.装置主体为直线位形,真空室直径3 m,由多段拼接而成,整体呈胶囊型,内部采用2 m×1 m全球最大氧化物阴极源产生均匀的背景等离子体.装置外部环绕10组导向场磁线圈,内部由上下两块平行电流板通同向脉冲电流构建重联磁场位形,脉冲电源采用“H”桥结构实现了可控的变速率重联驱动.在装置四周共开设200多个真空窗口,能够通过探针阵列及太赫兹偏振干涉仪、激光诱导荧光等先进光学诊断系统对磁场重联过程开展全域、主动、高精度的测量.该平台是最新一代磁场重联实验平台,其重联区域尺寸达到10倍离子惯性长度,伦德奎斯特数S有望达到105,为开展无碰撞磁场重联实验创造了良好条件,能够对磁场重联过程开展多尺度、全面细致的研究,是卫星观测和数值模拟研究重要补充.目前,实验平台已完成基础建设以及诊断等关键组件的研制,并在小型装置预研结果的基础上完善了针对多尺度、多磁岛合并、三维磁场重联等热点问题的研究方案.

中纬度中间层顶钠原子密度高度分布的长期变化趋势研究(2010—2021)

中间层顶/低热层区域(the Mesosphere/Lower Thermosphere,简称MLT)的高度为70~110 km,为了研究这一区域对太阳活动的响应,本文以钠原子为示踪物,对北京延庆(116.0°E,40.5°N)钠共振荧光激光雷达2010年1月—2021年8月近一个太阳活动周期的数据进行了分析,发现钠原子柱密度的长期变化显著,与太阳黑子数的变化呈现出正相关趋势.延庆钠层质心高度的线性趋势在这期间总共上升了311.4±706.6 m,长期变化趋势并不显著.自2018年开始,半高全宽对应的高度范围出现了明显的增加,但是上边沿升高的幅度不大,目前受到广泛关注的热层金属层的观测与研究更依赖于激光雷达探测灵敏度的提升.

基于中国中东部多站流星雷达的二维风场观测研究

全天空流星雷达广泛应用于中间层-低热层大气水平风场的观测,为研究该区域大气风场的变化特征提供了重要数据支持.目前流星雷达主要采用单站观测模式,没有水平分辨率,并且只能探测流星区域的大气平均水平风场.为了得到更加丰富且精准的中间层-低热层大气风场信息,本研究介绍了建设在中国安徽地区的多站流星雷达系统,该系统包括安装在蒙城(33.36°N,116.49°E)的一台单站流星雷达和长丰(31.98°N,117.22°E)的一台远程接收机,两地直线距离约为167 km.相比于单站流星雷达,多站流星雷达系统探测到的前向散射流星数目增加了约70%,并且一般可以提供400 km×400 km以上的水平观测区域.除此之外,多站流星雷达系统还可以提供更加丰富的流星观测角度.新多站系统可以实现中间层-低热层大气二维水平风场的观测,在获取平均水平风场以及风场水平梯度的同时,还可以估计水平风场的散度、相对涡度和拉伸、剪切形变信息.多站流星雷达能够提供更多的水平风场参数,对进一步研究中间层-低热层区域的大气动力学过程具有重要意义.不仅如此,未来即将建成的多站流星雷达观测网将会实现中国中东部地区上空的中间层-低热层大气高时空分辨率的三维风场观测,这将有利于促进我们对中间层-低热层区域内的各类波动过程的理解.

基于O_(2)大气带及近红外大气带气辉的临近空间温度廓线联合反演

临近空间大气温度廓线信息对于支撑临近空间开发与利用具有重要的学术意义和工程价值.基于O_(2)分子气辉光谱理论及大气辐射传输机理提出了利用O_(2)大气带及近红外大气带气辉光谱信号联合反演临近空间温度廓线的方法.利用"剥洋葱"算法,处理扫描成像吸收光谱仪(SCanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CHartographY,SCIAMACHY)在临边观测模式下测量得到的O_(2)(a^(1)Δ_(g))波段和O_(2)(b^(1)∑_(g)^(+))波段的气辉辐射光谱信号,采用最优化算法分别反演得到了50~110 km以及80~130 km的温度廓线信息,并通过与宽带辐射大气测量仪(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry,SABER)、大气化学实验傅里叶变换光谱仪(Atmospheric Chemistry Experiment Fourier transform spectrometer,ACE-FTS)、迈克尔逊被动大气探测干涉仪(Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding,MIPAS)等遥感卫星的温度产品数据对比,验证了O_(2)(a^(1)Δ_(g))波段和O_(2)(b^(1)∑_(g)^(+))波段气辉反演温度的可靠性与合理性.研究结果表明,利用O_(2)大气带及近红外大气带气辉联合反演温度可以有效覆盖中间层-低热层的临近空间区域(50~130 km);O_(2)(a^(1)Δ_(g))及O_(2)(b^(1)∑_(g)^(+))波段气辉光谱在80~100 km高度范围内存在交叠区域,温度反演结果的相关系数优于99.9%;自吸收效应与大气散射,以及光谱污染及信噪比降低分别是导致50以下及130 km以上区域温度反演结果出现偏差的主要原因.

基于全极化SAR观测的TEC反演算法分析

电离层的色散特性决定了无线电波信号穿越其传播时会产生法拉第旋转效应(Faraday Rotation,FR).基于全极化合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)卫星观测可实现对法拉第旋转角(Faraday Rotation Angle,FRA)的测量,并进一步实现对电波传播路径上电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)的反演.为提出一种鲁棒性较强的SAR-TEC反演方法,本研究利用10组共251景PALSAR-1(Phased Array Type L-band Synthetic Aperture Radar)全极化SAR数据,对中纬度北美洲地区的FRA进行了估计,并详细对比了四种利用FRA来计算TEC的算法.为了验证计算得到的SAR-TEC的准确性,以全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)地基观测台网得到的TEC作为参考值进行对比,揭示了基于SM算法得到SAR-TEC具有最好的相关性.同时我们进一步考量了地磁场对SAR-TEC反演算法的影响,利用CHAMP(Challenging Minisatellite Payload)卫星实测的磁场数据替代由国际地磁参考场(International Geomagnetic Reference Field,IGRF)估算的磁场,进一步提升了基于SM算法得到的SAR-TEC反演精度,其与地基GNSS-TEC的相关性达到了0.97,RMSE仅为1.14 TECU.

近日太阳风中磁场回弯结构的MHD模拟

帕克太阳探针(Parker Solar Probe,PSP)在太阳附近发现大量磁力线回弯结构,通常还伴随有太阳风速度增加.这些磁力线回弯的产生机制到目前为止有多种解释,其中有代表性的一种是由慢太阳风中的喷流引起的.我们首先对PSP的就地观测数据进行了统计分析并给出了发生率和空间尺度随径向距离的演化情况,然后使用简化的1.5维磁流体动力学(magnetohydrodynamics,MHD)模型对喷流在太阳风中的演化进行了模拟,其中太阳风被简化为位于黄道面的球对称流.模拟结果表明喷流的确可以导致太阳附近磁力线发生偏转,验证了喷流可以对磁场方向改变有贡献的图景.不过喷流形成的原因还需要进一步研究.

中间层臭氧的夜间变化特征及与太阳活动的相关性

基于ENVISAT-1/GOMOS(Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars)和TIMED/SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)卫星的臭氧廓线数据结合模式HAMMONIA(Hamburg Model of the Neutral and Ionized Atmosphere)对热带低纬度地区(20°S-20°N)中间层(60~110 km高度)夜间(20:00 LT-24:00 LT)臭氧的分布进行统计,分析其与27天太阳周期的相关性.观测与模式均表明中间层夜间臭氧在95 km达到峰值,并在中间层上层存在半年振荡.通过与相同时间段内的太阳辐射强迫Lyman-α数据对比发现,中间层上层臭氧与太阳强迫作用可能是反相关,中间层下层臭氧与太阳强迫作用可能呈正相关.虽然观测结果与模型结果在臭氧随月份的时间和空间分布上有一定的相同特征,但在臭氧峰值的数值上发现有较大的差异,其中臭氧敏感性的振幅被模型低估.

临近空间大气扰动变化特性的定量研究

本文利用TIMED/SABER 2002年1月至2013年1月共11年的卫星温度探测数据,通过全球网格化及在网格内作数学统计的方法,得到了20～100km高度上全球网格点上温度的平均值和标准差,实现了对临近空间全球大气扰动进行定量刻画的目的.通过定量分析温度标准差的分布特性,文中得到了临近空间大气扰动的全球分布规律,并讨论了与这些分布规律相关的物理过程.结果表明,在20～70km高度上,温度标准差为1～10K,有显著的冬季/夏季的差异,冬季的温度标准差比夏季大;大气重力波扰动是最主要来源,同时大气传播性行星波引起的扰动也是来源之一.在70～100km高度上,温度标准差常年较强,量值为10～30K,冬季/夏季的差异小,低纬地区的温度标准差高于中高纬度地区,呈现许多局地化的小结构.大气重力波是引起该区域大气总扰动量的主要扰动来源,大气潮汐波、传播性行星波（准2天、准6.5天）也有重要贡献.

高层大气测风用地基F-P干涉仪的数值模拟

热层大气风场、温度场对热层-电离层耦合研究、热层环流特性研究以及太阳活动和地磁活动研究等有着重要意义,同时其也是航天器飞行环境预报的重要物理基础.目前,由于热层所处位置较高,大气非常稀薄,风场探测难度较大,因此针对热层大气风场的探测手段非常少.Fabry-Perot(FP)光学干涉仪可通过观测气辉来进行风场探测,其对成像系统像质要求不高,在设计中无需过分追求像质,已经成为热层风场测量的重要工具.由于风场观测气辉的辐射强度非常微弱,因此必须进行FP干涉仪测量系统优化,获得相对较强的辐射强度,以提高风场测量精度.但目前,对FP干涉仪系统优化方面的研究较少,且在测风误差评价方面的工作也不充实.本文通过热层测风用固定间距标准具地基FP干涉仪数值模型的建立,解决FP干涉仪设计过程中各参量的优化问题,并提出一种新的测风误差估算方法.数值模型结果分析表明,在目前探测器观测技术水平下,采用全部干涉环参与计算并结合像元合并技术进行风速反演可最大限度地提高测量精度.此外,由于气辉辐射强度是影响热层大气风场测量精度的重要因素,因此在仪器测风精度性能评价时需确定观测对象强度,即气辉的辐射强度.

基于全天空F-P干涉仪反演热层垂直中性风

由于测量与计算的难度,对热层垂直中性风的观测还很不够,这影响了人们对热层及热层-电离层耦合的认识.本文基于全天空法布里-珀罗干涉仪(FPI)对热层风场的观测,提出了一种反演垂直中性风的方法.利用该方法,对北极黄河站全天空FPI观测数据进行了垂直中性风的反演计算,结果表明,高热层与低热层的垂直风平均幅值分别在40m·s-1和15m·s-1,且垂直风日变化表现出明显的时间演变特性,且与地磁ap指数的变化有一定的相关性,在地磁活动强烈时,低热层垂直风会出现高达100m·s-1的扰动,高热层甚至会达到300m·s-1的扰动,这些特征与其他学者的观测结果相一致.本文方法不需要假设垂直风均值为零,也不用限制FPI的观测方位,可用于垂直风的反演.

一种基于LEO卫星信标的电离层层析成像新算法

LEO卫星信标是电离层监测的重要手段之一.利用电离层层析成像算法,LEO卫星信标能够实现区域电离层电子密度的快速重构.针对LEO卫星信标的特点,本文提出了一种函数基模型与像素基模型组合的电离层层析成像新算法.选择差分相对电离层总电子含量作为输入数据源,先通过函数基模型法获取电离层电子密度初始分布,再利用像素基模型法对初始分布进行二次迭代重构,该方法可有效降低电离层层析成像对背景电离层模型的依赖,同时能够实现电离层小尺度扰动结构的有效反演.利用数值仿真方法及低纬度电离层层析成像网的实测数据的反演结果验证了本文提出的新算法的可行性和可靠性.