地球等离子体层研究进展

地球等离子体层作为内磁层的重要组成部分,在空间天气过程的发生和发展过程中都起着非常重要的作用.地球等离子体层是由上行电离层粒子被地球磁力线捕获而形成的圆环状冷的等离子体区域.等离子体层的外边界称为等离子体层顶,在该区域的等离子体层密度在0.5个地球半径内下降了1~2个数量级.地球等离子体层结构的动态变化特征是空间环境扰动状态的指示器,其结构形态和动力学过程受地磁场和电场控制,而地磁场短期变化源于太阳活动引起的日地扰动.地磁暴期间等离子体层的大规模结构演化影响等离子体层中波的产生和传播,从而影响波-粒子相互作用,导致内磁层中电子和离子的空间分布发生变化,进而影响其它磁层和电离层过程.对地球等离子体层进行进一步研究,对揭示太阳风-磁层-电离层耦合过程中的质量输运和能量转移、空间天气预报等方面都具有重要的意义.本文对等离子体层和地磁活动的关系、等离子体层中的波、顶部电离层及等离子体层电子含量的变化规律和等离子体层模型等方面的研究进展进行了介绍.最后,我们还对等离子体层研究方面一些亟待解决的问题进行了展望.

遗传算法反演地球等离子体层离子密度分布

本文介绍了采用一维遗传算法从地球等离子体层极紫外图像反演地球等离子体层He+密度的原理.首先采用通量管近似和磁偶极近似将三维问题转化为一维问题.通过引入权矩阵,将极紫外光强积分离散为求和函数,再采用一维实数编码遗传算法反演得到磁赤道面等离子体层He+密度,最后通过磁力线追迹得到三维密度分布.算法采用动态全球核心等离子体模式模拟的密度和光强分布作为初始输入参数,并通过遗传算法得到相应密度分布.反演结果表明,等离子体层密度相对误差在8%以内,光强相对误差趋于0,算法有效可行.本文研究为中国探月二期工程中月基极紫外图像反演奠定了基础.

月基地球等离子体层极紫外成像仪的光学设计

依据地球等离子体层在30.4nm的辐射特性,首次以月球为观测点进行地球等离子体层极紫外波段成像观测方法研究。确定了在月球表面使用的极紫外成像仪的技术参数,给出了视场角为15°、角分辨率为0.1°、入瞳面积>70cm2的极紫外成像仪的结构形式,采用单球面多层膜反射镜与球面微通道板光子计数成像探测器相结合的方式设计了极紫外成像仪。对设计的极紫外多层膜光学系统成像仪进行光线追迹,弥散斑半径分别为0.210mm(0°视场)、0.204mm(3°视场)、0.204mm(5°视场)、0.207mm(7.5°视场),对应的角分辨率为0.08°,弥散斑在不同视场角度基本均匀,其结果满足设计要求。该仪器可在月球表面工作,获得视场范围为15.0RE,覆盖地球等离子体层主要区域,空间分辨率为0.10RE,可以很好地观测到地球等离子体层主要细节,为从外部进行地球等离子体层观测提供了一种高质量的成像观测方法。

月基观测地球等离子体层极紫外辐射特性

研究了地球等离子体层的极紫外辐射特性,结果表明从月球上探测时地球等离子体层顶位于35 081.75 km以内,等离子体层结构的典型尺度量级为637.85 km,He＋30.4 nm辐射强度为0.02~11.4 Rayleigh。讨论了月球轨道运动特性和月球表面环境特性,结果显示在一个月球公转周期内,总观测时间约为12个地球日,极紫外观测仪器对地指向的纬度最大偏移约为7°,经度最大偏移约为6°。对月面的极紫外辐射分析表明,太阳峰年月面散射的极紫外辐射强度约为2.0 Rayleigh,与地球等离子体层辐射量级相当。根据SELENE数据,描述了极紫外观测仪器所在的5个拟着陆区的地貌特征,证明了月面散射的极紫外辐射不会进入观测仪器,其中虹湾区的地形最为理想。根据Apollo-12和Apollo-15太阳风数据分析了月面质子和电子通量,结果显示在太阳峰年,一年内两者的总流量均为约5×1015cm-2。根据Apollo-12局地观测,在一个月球周期内,月面温度变化为80~390 K。得到的结果为月基极紫外观测仪器设计提供了重要依据。

地球等离子体层及EUV遥感测量技术

地球等离子体层位于地球电离层以上,延伸至4~6地球半径范围的环状等离子体区域,它在空间分布上与地球辐射带、环电流区域重合,是地球内磁层研究的重要内容[1-2]。本文综述了地球等离子体层遥测技术的原理、发展,并总结和分析了EUV-CT的现有成果。

利用IMAGE卫星观测数据重建地球等离子体层的磁赤道面分布

美国利用IMAGE卫星的极紫外辐射(EUV)探测器对地球等离子体层进行了连续5年的遥感成像观测。由于IMAGE卫星数据是沿观测路径上的积分投影数据,并且存在地球"遮挡"、"阴影"、"数据缺失"等问题,无法直接利用传统的CT方法对等离子体层进行三维重建。本文利用地球磁场模型,基于地球等离子体层的物理性质,建立一个联系地球磁赤道面密度与投影数据的EUV成像模型,实现了从单个角度的EUV观测图像进行地球等离子层三维重构的方法。

利用计算机断层成像方法由观测图像重建等离子体层全球密度分布--投影数据不完备问题

在用计算机断层成像方法由EUV观测图像重建等离子体层全球密度分布时,地球的遮挡和有限角度都会导致投影数据不完备,从而无法精确重建出等离子体层的密度分布.本文针对该问题,提出一种基于图像总变差极小化的代数迭代算法.通过重建等离子体层投影数据缺失最为严重的中心子午面,证明该算法能够显著提高重建图像的质量.并且在IMAGE卫星仅能达到90°的有限投影角度下,此算法重建图像的相关系数可达0.760,而代数迭代算法的相关系数仅为0.696.

地球等离子体模式及遥感成像技术

地球等离子体层的分布主要受到地球磁层的特性影响。早期对地球磁层的研究,主要是通过采集地磁平静期的观测数据,建立半经验模型和经验模型来研究。随着成像技术的发展,可以通过遥感成像的方式,在全球尺度下获得磁扰期、平静期等不同时刻的地球等离子层分布信息,从而更直观、全面地了解磁层磁场的变化。本文研究了现有的地球等离子体层模型,详细阐述了不同地球等离子层模型的描述形式、应用特性,以及地球等离子体层遥感成像观测的方法和手段。最后,通过计算机模拟了在经验地球等离子层模型输入情况下,极轨道卫星对地球等离子体层分布的成像结果。

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30.4nm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5.5RE以内,10min收缩或扩张的特征尺度约0.1RE;(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5.5RE以内,对应月基极紫外相机视场角10.7°×10.7°;等离子体层30.4nm辐射强度为0.1～11.4Rayleigh;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0.1RE.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.