太阳风-磁层-电离层耦合过程中的能量收支

太阳风向磁层-电离层(Magnetosphere and Ionosphere,MI)系统输入能量,而输入的能量随后在MI系统中消耗.本文从能量守恒原理出发,讨论太阳风-磁层-电离层(SMI)耦合过程中的能流路径和能量收支的定量关系.主要讨论9个问题:(1)太阳风向MI系统的能量输入,(2)MI系统对能量输入的响应,(3)环电流的能量消耗,(4)极区电离层焦耳加热的能量消耗,(5)极光粒子沉降的能量消耗,(6)磁尾能量的消耗、储存以及返回下游太阳风,(7)平静期间的能量积累与释放,(8)能量在不同能汇中的分配,(9)评价能量函数的准则和方法.

不同上边界条件下的极区电离层数值模拟

利用一维自洽的极区电离层模型,研究了沿磁力线方向不同电离层-磁层耦合条件下极区电离层的响应。此模型在110—610 km的电离层空间区域内,综合求解描述极区电离层的连续性方程、动量方程和能量方程,以得到电离层数值解。研究发现,上边界条件在200 km以上的高度能显著地影响电离层参量的形态。较高的O^+上行速度对应较低的F层峰值和较高的电子温度。不同边界O^+上行速度对应的温度高度剖面完全不同。200km以上电子温度高度剖面不但由来自磁层的热流通量所控制,同时还受到场向O^+速度的影响。对利用电离层模型研究电离层内部物理过程提出了建议。

不同地磁活动水平下电离层H＋上行的半球对比研究

使用FAST/TEAMS仪器在第23太阳活动周下降相的数据,从地磁活动水平的角度,分别分析在磁静日(Kp≤2+)和磁扰日(Kp≥3+)时南(SH)、北半球(NH)高纬(>50°)电离层H+的上行强度,计算其上行率和净上行积分能通量,以期得到H+上行的长期水平并分析地磁扰动期间南、北半球离子上行强度的异同.研究结果表明,磁扰期间上行强度显著加强,平静期南、北半球的平均上行率分别是~15%和~20%,而磁扰期的平均上行率分别增强了1.45倍和1.04倍,磁扰期间南半球上行强度的增长更显著;平静期南半球的上行强度小于北半球,但磁扰期两个半球的上行强度相当;磁午夜和黎明区间受地磁扰动的影响最显著,其磁扰期与平静期上行率的比值(S/Q)最大,同时南半球在各个地方时区间的S/Q值均大于北半球;另外,我们发现磁扰期间的上行率在极光椭圆带下边界附近增幅最明显,而积分通量在上边界附近增加显著.上行源区以平静期的源区为中心从日侧极尖区扩展到磁午夜、且向低磁纬延伸,同时,极尖区上行源区在磁扰期有向晨侧偏移的趋势.

EISCAT雷达观测到的极区电离层等离子体反常对流

综合分析EISCAT雷达与卫星当地测量数据 ,并利用磁层磁场模式对磁力线进行追踪 ,研究了发生在极光椭圆朝极盖边界附近电离层中 ,一例反常的背离太阳流动的强等离子体对流事件 ,及相关的太阳风 -磁层 -电离层耦合过程 .结果表明 ,磁暴期间IMFBz 指向南时观测到这一反常高速对流 ,及其相应的等离子体性态特征 。

浅谈极区空间物理学的科学革命

极区空间物理学重要的研究方向之一是剖析南北两极的热层、电离层和磁层的耦合问题。本文简明扼要地描述了极区空间物理学的一场革命——即理论框架的革新。这场科学革命是用磁流体力学理论取代电机工程理论,目前进行得比较缓慢,但将在今后的30~50年彻底改变人们对于热层-电离层-磁层的认知。

行星际-赤道电场穿透效率的数值模拟研究

电场穿透作为强烈地磁活动期间太阳风-磁层-电离层电动力学耦合的重要形式,近年来一直是空间物理学最为活跃的课题之一.在过去的近40年里人们一直关注于观测证据的寻找以及物理过程的模拟,"电场穿透效率"这一重要定量化指标直到最近几年才得到重视.本文定义赤道电场增量与对应的行星际电场增量的比值为穿透效率,通过数值模拟的方法对穿透效率的地方时变化以及与中性风发电机的关系做了实验性讨论,在一定简化条件下结果表明:(1)不考虑跨极盖电势饱和的情况下,赤道电场增量与行星际电场增量呈线性关系,且中性风发电机并不影响电场穿透效率;(2)恒定重联线长度L的限定下,穿透效率具有明显地方时依赖性.例如对于L=2.6RE,在9LT至23LT之间,穿透效率维持在10%左右;0LT至7LT之间,穿透效率迅速从2%上升至30%后又迅速回落到原始水平,形成尖峰.这些结果基本符合观测特征.

极区电离层O^+上行的时空分布:平静期FAST卫星观测

分析FAST卫星能量离子测量数据,首次得到2000～4200km高度范围平静期电离层O+上行的时空分布图像.结果表明,磁正午前的极尖/极隙区是低能O+上行发生最频繁的区域;黎明前等离子体对流的低纬边界区域是高能O+上行发生率最高区.无论能量高低,在平静极光椭圆边界之外的较低纬度宽阔时区上存在较频繁的O+上行.午夜前21:00～22:00MLT极光椭圆带的上行O+携有较强的能通量,其中高能O+在靠近极盖边界处上行能通量特别强.在所分析的2000～4200km高度范围,上行O+离子锥发生率显著高于离子束;离子束在3000km高度以下极少出现,而离子锥较均匀地在各高度都有发生.

上行离子源区卫星探测的轨道需求分析

极区从电离层到磁层的上行粒子流探测研究是空间天气建模中的重要问题,其起源和加速机制是磁层-电离层-热层耦合小卫星星座计划的主要科学目标.磁层-电离层热层耦合小卫星星座计划拟定由两颗磁层星和两颗电离层/热层星组成星座对极区进行联合观测.其中,上行粒子源区附近的就位探测是电离层-热层耦合机制研究的重点,也是电离层/热层星轨道设计的关键.根据相关空间探测计划和卫星观测结果,通过比较圆轨道和椭圆轨道两种方案,确定电离层/热层星采用椭圆轨道.

第23太阳活动周太阳极紫外辐射与磁暴相关性分析

统计第23个太阳活动周内中等及以上强度(Dst_(min)<-50nT)的磁暴事件,线性拟合分析磁暴主相DDst_(min)和达到DDst_(min)前一个表征太阳极紫外辐射强度的F_(10.7)之间的相关性.结果表明:随着太阳极紫外辐射增强,Dst_(min)<-50nT的磁暴出现的总数增多,在弱、中等和强太阳极紫外辐射条件下,其数量分别为56,84和85;随着太阳极紫外辐射增强,强磁暴(-200nT≤Dst_(min)<-100nT)和大磁暴(Dst_(min)<-200nT)发生的数量和相对发生率呈增长趋势,尤其是大磁暴数目(1,4,12)和相对发生率(1.79%,4.76%,14.12%)明显呈增长趋势;大磁暴(|Dst_(min)|)与太阳极紫外辐射(F_(10.7))之间存在中度正相关关系,其相关系数为0.532,并且主要体现在大磁暴(|Dstmin|)与强太阳极紫外辐射(F10.7)之间的中度正相关性,其相关系数为0.582.大磁暴与强太阳极紫外辐射之间的相关性可为空间天气预报提供参考依据.

强磁暴期间场向电流分布及其对行星际条件的响应:CHAMP卫星观测

利用CHAMP卫星磁场测量数据,研究2003年11月超强磁暴期间顶部电离层全球大尺度场向电流分布特征及行星际条件的控制作用.结果表明:(1)磁暴期间场向电流密度比平静期大大增强,昼与夜及冬与夏半球不对称;(2)发现沿纬度积分的场向电流密度主要受太阳风动力学压强而不是行星际磁场的控制;(3)磁暴期间场向电流低纬边界向赤道扩展,最低可达45°MLat;向阳侧此扩展直接受南向行星际磁场Bz的控制,相应的行星际-磁层-电离层作用时间尺度约25min;当南向IMFBz小于?30nT时,场向电流朝赤道的扩展出现非线性饱和;而在背阳侧,这一扩展及恢复,比行星际参数的变化滞后约3h,但与表征磁层环电流的Sym-H指数几乎同步变化;(4)磁暴主相期间,背阳侧强场向电流纬度分布范围达25°以上,并出现多达10片以上的多电流片结构.