极隙区纬度太阳活动高年背景电离层特征

本文利用 EISCAT-Svalbard 雷达1999年3月至2003年2月期间观测数据,对太阳活动高年前后极区电离层 F 区电子密度随高度和地方时的二维分布进行统计分析,研究极隙/极盖区背景电离层特征,并与 IRI-2001模式预测结果进行比较。分析结果表明,在 ESR 雷达所在纬度,不存在“冬季异常”现象;但首次发现,此处电离层冬季日变化存在磁午夜前主极大。另外,无论在什么季节,白天时段 ESR 雷达上空电子密度都在磁正午附近有一极大值。与 IRI 模式的比较表明,模式预测的 F 区电子密度与 ESR 实测结果存在较大偏差,在500km 高度以上的顶部电离层和冬季,差别尤其明显。简要讨论了软粒子沉降对造成电子密度日变化磁正午极大的作用和冬季磁午夜前主极大的形成机理。

极隙区场向电流对高纬电离层电场和电流体系的影响

用Ｋａｍｉｄｅ－Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ方法，在行星际磁场具有较小的北向分量，且｜Ｂｙ｜＞＞｜Ｂｋ｜时，对磁语和磁扰状态以及Ｂｒ＞０和Ｂｙ＜０等不同情况，分别计算了场向电流引起的电离层电势、电场和电流体系．结果表明，极隙区场向电流的存在使高纬向日面区域的电势发生畸变，当Ｂｙ＞０时，无论是磁扰还是磁静日，极隙区电场具有显著的北向分量；等离子体对流有较大的西向分量；电离层电流为东向电流．当Ｂｙ＜０时，电场和等离子体对流的方向与Ｂｙ＞０时相反；电离层电流在磁抗日有西向分量，但在磁静日没有西向分量．电导率对电场和电流体系的影响十分明显，磁扰极光带电导率增强使电流涡从背阳面向向阳而漂移，与静日相比，磁扰时极隙区场向电流引起的电场畸变更为明显，但电场和电流强度的大小却基本保持不变．

极隙区极光粒子沉降对电离层影响的模拟研究

利用一维自洽的时变极区电离层模型,研究极隙区极光粒子沉降对极区电离层F层电子密度影响的时变过程。假设一维时变电离层模型描述的磁流管中F层等离子体在对流作用下经过极隙区,随对流路径的不同,磁流管在极隙区经历的时间不同,以此考察极光粒子沉降作用下电离层随时间的演化过程。数值计算结果表明,当磁流管在极隙区停留的时间足够长,F层电子密度能显著增大。然而在磁流管经历极隙区实际时间较短的情况下,极隙区极光粒子沉降对F层电子密度的影响并不大。本文还给出了统计对流模型作用下磁流管在经历极隙区时,有沉降粒子作用和没有沉降粒子作用两种情况下,F层等离子体的时间变化过程的差异。

Cluster卫星观测的中高度极隙区中场向电流引起的磁场的扰动变化

本文分析了2002年9月10日Cluster四颗卫星穿越南极和北极极隙区期间的观测资料。这两次穿越是在弱而稳定的南向行星际磁场(IMF)条件下发生的。数据显示极隙区中的场向电流(FACs)引起了大的磁场扰动。本文采用了一种基于卫星多点测量来计算扰动界面方向和运动速度的方法。结果显示界面与磁力线大致平行,而它们的速度在卫星穿越南极极隙区时几乎朝向晨侧,在穿越北极极隙区时几乎朝向昏侧,并且其运动速度与相应卫星的速度相比其值很小。

极隙区纬度Pc1-2波的统计分布特征

利用南极中山站和戴维斯站观测的感应式磁力计数据,运用互谱分析方法统计分析了2004年3、6、9、12月的Pc1-2波事件,研究了Pc1-2波出现频次、中心频率和振幅对季节和磁地方时的分布。结果共获得有效Pc1-2波事件2932件,其中,出现在3、9月较多,分别占51.4%和26.1%,12月次之,占18.6%,6月最少,占3.8%。两站的Pc1-2波事件有59.8%出现在磁中午(0800—1000 UT)附近,且在午后靠近磁中午的时候Pc1-2波的中心频率比在午前靠近磁中午的时候大,振幅则在0800 UT时出现最大值;此外,在6月,Pc1-2波的平均中心频率最大,而平均振幅则最小。这些结果表明,极隙区纬度Pc1-2波的传播在很大程度上受电离层电导率的影响。

中高度极隙区电磁不稳定性

研究了中高度（离地心３－４个地球半径）极隙区上行电子束流和上行氧离子（ｏ＋）锥引起的沿磁力线传播的电磁不稳定性．采用的物理模型假定：上行电子具有单能束流分布函数，而上行氧离子（ｏ＋）锥可用单能环－束分布函数来描述．结果表明，左旋和右旋圆偏振的低频电磁模是不稳定的，激发不稳定性的自由能源主要由上行电子束流提供，而上行氧离子（Ｏ＋）锥因自由能太小只影响频率色散关系，上行粒子（电子和氧离子）与背景等离子体密度比的变化对电磁不稳定性有重要影响．这些结果对解释权隙区纬度地面站低频电磁波观测资料和理解极隙区动力学过程是很有益的．

极隙区粒子和电流的观测和研究

处于高纬向日面的极隙区是太阳风能量、动量和质量可以直接进入地球磁场并到达地球的近地空间的区域。本文简要介绍了极隙区的观测和研究，综述了极隙区的粒子沉降、场向电流、等离子体对流和电离层电流的特征。

极隙区电子束流模电磁不稳定性

解析地研究了中高度（离他心3－4个地球半径）极隙区极低密度上行电子束流引起的沿磁力线传播的电磁个稳定性，上行电子束流和背景等离子体都考虑成冷等离子体．结果表明，上行电子引起的左旋和右旋圆偏振电磁来流模是不稳定的，当它与离子回旋模耦合时增长率达到最大值，频率色散关系仍为电子束流模特征这此结果对解释权隙区纬度地面站低频电磁波观测资料和理解极隙区动力学过程是很有益的．

日侧极隙纬度低频波及其与地磁扰动的关系

利用挪威斯瓦尔巴德地区的ＥＬＦ／ＶＬＦ观测资料和世界数据中心公布的Ｋｐ指数，分析了日侧极隙纬度低频波不同季节里的周日变化和１９８４年５月－１９８６年４月的年度变化及这些波与地磁扰动的某些关系．主要结果有：１．夏季ＥＬＦ波出现率极大值最大，而冬季的最小，前者约为后者的３倍，而且此极大值无论哪个季节都出现在磁正午时段．２．ＶＬＦ波出现率在夏季较小冬季较大；其极大值出现在磁午后至磁子夜前的２－４ｈ时段里．３．夏季ＥＬＦ波指数∑Ａ与地磁指数∑ＫＰ日变化较相吻合，在太阳自转周内两者相关系数约为０．６．４．冬季ＶＬＦ波指数∑Ａ与∑Ｋｐ日变化相吻合，在太阳自转周内两者相关系数可达０．８．这些结果表明日侧极隙纬度ＥＬＦ波和ＶＬＦ波各有不同的产生机制和源区．

日侧极隙纬度VLF波的磁暴效应

利用时序叠加法对１９８４年４月至１９８７年２月的日侧极隙纬度ＶＬＦ波活动指数与磁暴活动作了统计分析．结果表明若以磁暴开始日为第０天，则ＶＬＦ波活动指数在０至一２天内相对于平均值都有下降的效应，而在第２天或第４天则有明显的上升效应，并且存在着季节不对称性，其中急始型的暴始下降和缓始型的暴后上升效应均显冬大夏小的特征，冬季值约为夏季值的３倍．

极隙区Pc 3脉动特性的短基线研究

南极中山站和戴维斯站(不变磁纬74.5°)白天中午位于磁层极隙区,两站均安装了完全相同的感应式磁力计,选择1997年3月和1996年6、9、12月两站的数据,运用快速傅里叶变换和波形检查方法选择Pc3脉动事件,然后用信号互谱技术进行统计分析.结果如下:在中山站-戴维斯站,Pc3脉动主要出现于白天,尤其是中午/磁中午附近;Pc3脉动振幅及发生率均在6月份最小,在其他月份大些;Pc3脉动传播方向,白天主要向西.这些可能反映了电离层电导率和日侧电离层电流系统对Pc3脉动的影响.

极隙区纬度Pc 5脉动的传播和起源

南极中山站和戴维斯站均位于极隙区纬度附近,均安装了完全相同的感应式磁力计.选择两站的数据,1997年3月和1996年6、9、12月,运用信号互谱技术进行统计分析,结果得到:在中山站-戴维斯站,Pc5脉动出现时间范围较广,但以地方时中午/磁中午及磁午夜附近出现频次多,其振幅、传播及发生率季节变化不大.振幅白天变化小,中午有小峰,夜间有时有大值.传播方向白天以磁中午为界,晨侧向西传播,直至磁凌晨;昏侧向东传播,约在5:00MLT处转向.夜间约以20:00 MLT为界,之前向西传播,之后向东传播,磁黄昏附近,Pc5脉动传播方向变化较多,显得不规则.这些特征,反映了Pc5脉动在不同地方时段有不同的起源.

极隙区Pc3频段脉动的传播特性

南极中山站和戴维斯站 (不变磁纬 74.5°S)白天中午位于磁层极隙区 ,夜间位于极盖区或极光带的极向边沿。两站均安装了完全相同的感应式磁力计。选择两站 1 997年 3月和 1 996年 6、9、1 2月的数据 ,运用快速傅立叶变换和波形检查方法选择 Pc3频段脉动事件 ,然后用信号互谱技术进行统计分析 ,结果如下 :在中山站 -戴维斯站 ,Pc3频段脉动主要出现于白天中午 /磁中午和磁午夜附近 ;白天 ,Pc3频段脉动振幅、出现率和出现的时间范围均有一定的季节变化 ,冬季最小 ,但在夜间 ,Pc3频段脉动没有这种变化 ;夜间 ,Pc3频段脉动振幅比在白天大许多 ;Pc3频段脉动传播方向 ,白天主要向西 ,夜间不太规则。这些可能反映了电离层电导率和日侧电离层电流系统对 Pc3频段脉动的影响。

2000年7月重大太阳事件的极隙区纬度观测研究

20 0 0年 7月 ,太阳表面发生了一系列的耀斑与日冕物质抛射事件 ,最大耀斑能级达X5 .7/3 B。地球表面发生相应特大磁暴 ,Dst指数最大负偏达 - 3 0 0 n T。中国南极中山站地处极隙区纬度 ,白天位于磁层极隙区 ,夜间位于极盖区 ,以多种高空大气物理观测设备详细记录了该磁暴过程。对有关数据的分析表明 ,高能粒子引起电离层吸收急剧增加 ,测高仪数据两天多信号空白 ,宇宙噪声吸收显著增加 ;地磁 Pc3 /5脉动增加与行星际磁场南向分量密切对应 ,显示行星际磁流体波对激发磁层脉动的贡献 ;磁暴主相期间 ,Pc3 /5脉动大幅度增加 ;极区地磁水平分量随南向行星际磁场变化 ,但滞后近 8小时 ;Dst指数与南向行星际磁场密切相关 。

日侧极光卵的可见光多波段观测特征——中国北极黄河站首次极光观测初步分析

中国在斯瓦尔巴特(Svalbard)群岛新奥尔松(Ny-Alesund)地区建立了一个永久性科学考察站——北极黄河站。北极黄河站(78．92°N,11．93 °E)的修正磁纬为76．24°。2003年11月黄河站建立了一套多波段(427．8nm,557．7nm,630．0nm)单色极光全天空CCD成像观测系统,并于2003年12月11日-2004年2月25日极夜期开展了首次极光越冬观测,获得了1200多小时的连续观测数据。利用这1200多小时观测数据制作了以时间为横轴的南北向极光活动图,对日侧极光卵的极光活动特征进行了研究。初步分析发现,沿日侧极光卵不论磁静日还是磁扰日,在三个波段上都同时观测到了四个重复出现的极光活动区,即0900MLT(磁地方时)附近的 A区、1330MLT的B区和1630MLT的C区以及1200MLT附近的G区。A区内的极光活动由低纬向高纬运动,强度逐渐变弱,形态由较宽的弧状极光向冕状极光演变;B区内的极光活动由高纬向低纬方向运动,形态呈现为冕状极光向较窄的极光弧的演变,极光强度逐渐增强;C区极光活动向高纬方向展宽,强度逐渐变弱,极光由单弧向多重弧演化;而在A与B之间存在一个纬度范围相对较窄的极光活动区G区,该区的极光呈现暗弱的冕状极光。日侧极光活动随时间从午前、正午到午后呈现出一个系统的光谱变化:绿色-红色-绿色。A区的位置出现在卫星探测的午前极光峰之中;而正午附近极光强度暗弱的G区,可部分地解释卫星观测的所谓“正午极光空白区”;卫星观测到的1500MLT附近的“极光热点”区在地面观测中可以区分为以红色极光为主的B区和以绿色极光为主的C区。

南极中山站电离层的极区特征

本文利用 1996年的电离层数字测高仪DPS 4所测的foF2 、foE以及从美国NOAA和DMSP卫星观测估算的半球功率指数和午夜极光区赤道侧边界纬度等资料 ,考察中山站电离层的极区特征 .结果表明 ,在太阳和地磁宁静环境下 ,冬季极夜磁正午中山站处于极隙区中心时 ,电离层内的电离密度达全天的最大值 ;上、下午各有数小时间隔位于极光带内时 ,高能粒子的电离作用也很重要 ;夜间进入极盖区后 ,电子密度则很低 .夏季极昼时 ,太阳EUV辐射的电离效应使电离层电离密度比冬季值大许多 ,而且 ,日变化的最大值时间也提前了 1～ 2h .强磁扰时 ,极隙区和极光带均向低纬侧移动 ;中山站上空的电子密度会大幅度下降 .在中等扰动环境下情况更加复杂 :磁正午前后极隙区内软粒子沉降的电离强度有所减小 ,而上、下午极光区内的高能粒子电离则有较大增加 .

南极中山站的f_0F2特征

本文利用电离层数字测高仪 (DPS - 4)所测的f0 F2和从美国NOAA和DMSP卫星观测估算的半球功率指数和午夜极光区赤道侧边界纬度等资料 ,考察中山站电离层的极区特征。结果表明 ,冬季中山站电离层内的电离生成主要取决于从磁层沉降的粒子。在太阳活动和地磁变化宁静环境下 ,磁正午极隙区内的软粒子是最主要的电离源 ,它能使f0 F2达全天的最大值 ;上、下午各有数小时处于极光带内时 ,高能粒子的电离作用也很重要 ;夜间进入极盖区后 ,电子密度则很低。夏季太阳辐射电离效应使f0 F2值比冬季增加 1— 1 .5MHz,而其日变化的最大值时间也提前了 1— 2hr。发生很大扰动时 ,极隙区和极光带的位置均向低纬方向移动。若中山站日间也处于极盖区内时 ,电子密度会大幅度下降 ,并常接收不到电离层回波的信号。在中等扰动环境下情况更加复杂。由于高纬电离层对流速度很高 ,离子 /中性分子间的碰撞复合系数就很大。热层中性大气全球经向环流对高纬电离层电子密度的增加无显著作用。磁暴期间中午从极隙区向南的等离子体对流对中山站f0 F2的增高也无明显影响。

极区电离层对IMF Bz4次快速转向的响应--EISCAT／ESR雷达观测

利用EISCAT VHF和EISCAT Svalbard(ESR)雷达观测数据,对2003年2月12日IMF B_z分量4次快速方向转换期间,极区电离层,尤其是极尖/极隙区的响应特征进行了分析研究.随着IMF B_z方向的多次快速变化,地面雷达观测到极尖/极隙区所在位置随着开放闭合磁力线边界在纬度方向上来回移动.在此期间,极区电离层等离子体水平对流多次反向,表现出与IMF B_z分量强的负相关性.进一步分析表明:极区磁层-电离层系统在日侧对IMF极性变化的平均响应时间约为3 min.

极光区电离层扰动的两种类型

本文从ＥＩＳＣＡＴ探测资料分析确认，沉降粒子对极光区电离层的电离生成率有极重要的作用，但高能和低能粒子的有效电离高度范围完全不同，另一方面，磁层对流的增强却常使Ｆ层电子密度Ｎ下降，１９８５年１月２８～２９日期间出现Ｎ（Ｅ层）Ｎ（Ｆ层），且１４７ｋｍ以上Ｎ随高度增加而下降的典型扰动剖面。这是高能粒子和强磁层对流共同作用的结果。１９９３年２月１６～１７日期间，中午前后ＮｍＦ异常地增大，而Ｎ（Ｅ层）却无明显变化。这是与前者特征不同的另一类典型剖面。

极尖纬度午后极光嘶声的极大发生率

极尖纬度午后区是一个异常等离子体过程区，已发现该区在低地磁扰动条件下，多种空间物理现象活动强度极大（相对邻区）：强的向上场向电流，向下低能电子流极大，向上离子通量极大，Ｆ层电子密度极大等等。导致该区异常的根本原因尚不清楚。本文利用南极点站（磁纬约７５°）的极光嘶声的电场强度进行统计分析，发现该区３１－３８ｋＨｚ波段极光嘶声的发生率极大。本文还分析了该区极光嘶声发生率与地磁活动指数Ａｐ的关系，结果表明，它们之间有明显的相关关系。