磁暴期间低纬电离层效应的数值模拟

利用改进的时变二维电离层物理模式对一次超强磁暴期间低纬电离层效应进行了数值模拟研究。2000年7月15-16日超强磁暴期间,ROCSAT-1卫星、DMSP卫星、GPS/TEC等在美洲扇区观测到赤道附近沿纬度扩展深度耗空的等离子体槽和出现在中纬度的SED现象。将暴时由ROCSAT-1卫星实测赤道区纬圈电场和由HWM-07/DWM-07模型预测的水平风等作为物理模式的驱动力输入,对美洲扇区低纬电离层的暴时响应特征进行了数值模拟。模拟结果表明:在磁暴主相期间,模式给出了与DMSP卫星观测数据比较一致的结果;并清楚地重现了暴时赤道电离层异常的演化过程。

暴时行星际穿透电场与电离层效应的卫星观测

联合利用Geotail卫星、ROCSAT-1卫星和DMSP卫星等观测数据,分析了2000年7月15-16日超强磁暴期间行星际穿透电场的特征及低纬电离层响应。研究得到以下主要结果:1)磁暴主相期间,位于近地太阳风中的Geotail卫星观测到行星际电场晨昏分量迅速增强达60 mV/m,与此同时,ROCSAT-1卫星在低纬电离层中几乎即时地观测到垂直于磁场的离子向上漂移速度达300 m/s以上,表征行星际电场穿透至低纬电离层。分析表明:在正午和黄昏扇区穿透电场为东向,引起低纬电离层离子向上漂移,穿透效率约为13-19%;而在午夜前扇区,穿透电场极性相反,使离子向下漂移,穿透效率高达30%;行星际电场穿透持续时间达3小时以上。2)磁暴期间,低纬电离层发生剧烈变化。GPS/TEC观测显示美洲扇区黄昏附近的中纬度电离层发生SED现象、同时DMSP卫星观测到纬度范围大大扩展的电子密度深度耗空的赤道区等离子体槽、ROCSAT-1卫星观测到暴时离子密度变化呈现较复杂的图像。

利用差分体像素CT由TWINS卫星ENA成像反演暴时环电流离子三维分布

本文将体像素CT方法应用于TWINS卫星高能中性原子立体成像数据,重建环电流离子通量强度三维分布.为了克服卫星ENA成像可能存在的仪器偏差造成反演误差增大甚至迭代发散无解的问题,发展了差分ENA体像素CT反演方法.采用环电流离子分布理论模型和实际卫星观测几何构形进行模拟检验,证明了该方法的可靠性和优越性.利用此方法分析2012年7月15日磁暴(min Dst=-133nT)主相期间TWINS两颗卫星的实测ENA数据(能量范围4keV^50keV),反演得到环电流离子微分通量随L值/纬度/地方时的三维分布与能谱.所得离子通量呈现显著不对称的部分环电流特征,主要分布在低纬-赤道区磁午夜前后至黎明前数小时,L值约为3.5~6.5的区域;将反演得到的磁午夜后赤道区环电流离子通量能谱,与THEMIS卫星当地测量得到的此区域同时的能谱作比较,两者符合得很好;证明本文发展的差分体像素CT是由多卫星ENA二维图像重建暴时环电流离子分布的有效方法.

一次大磁暴主相期间ENA氧与氢的分离及分布特征——TWINS卫星观测

本文采用基于ENA(Energetic Neutral Atoms)次生电子起始脉冲高度分布,统计拟合分离中能段ENA两种主要成分氢和氧的方法,研发了实现ENA氢与氧分离的TWINS卫星原始数据处理软件;其中所需要的脉高分布模型,参照已有理论公式,利用TWINS(Two Wide-angle Imaging Neutral-atom Spectrometers)卫星标定数据进行拟合确定未知参数,再加以计算得到.将上述方法用于TWINS卫星实测数据,分离得到一次大磁暴主相期间ENA-H和ENA-O微分通量随观测视线的分布及其随主相增长的变化.分析发现:(1)ENA-H与ENA-O微分通量的强度和随观测视线的分布特征都有明显差别,从某种角度反映出ENA之源的O^+与H^+离子强度和分布之间的差异;(2)接近主相极大时,ENA-H有很强的低高度发射(LAE,Low Altitude Emission),出现在磁地方时午夜前极光和亚极光纬度区,意味着该区域较强的等离子片和环电流质子沉降,进入到外层基底以下较低高度大气层;而ENA-O则未有明显LAE产生;ENA-O强通量观测视线主要穿过广大环电流区,磁地方时主要在午夜之后以及黄昏前和黎明前后;(3)在磁暴主相快速增长期,ENA-O平均总通量持续增大,而ENA-H同步减小,ENA-O与ENA-H平均总通量的比率随环电流指数Dst绝对值的增大而大致成正比增长.