极区顶部电离层离子上行—DMSP卫星观测

本文利用DMSP卫星离子漂移速度测量数据,对高纬顶部电离层离子整体上行进行研究,主要考察平静时和磁暴期间离子上行强度与发生率随MLT(晨昏两侧)分布规律的变化；以及磁暴期间强的离子上行与等离子体对流及其剪切之间的关系。研究发现,磁暴期间强上行事件的发生率比平静期高近2倍,发生率的晨昏不对称性出现逆转,由平静时昏侧发生率较大变为磁暴期间晨侧发生率较大；磁暴期间晨侧离子上行速度的分布向速度高端加权,平均速度大于昏侧,最大上行速度远大于昏侧；强的离子上行往往与强对流剪切或强对流本身相伴随。

极区顶部电离层离子上行的太阳活动依赖性研究

利用第23太阳活动周DMSPF12,F13和F15卫星数据,分别对南北半球极区顶部电离层离子上行的太阳活动依赖性进行了研究.结果表明,南北半球上行事件对太阳活动的响应特征基本一致,即高(低)太阳活动时,离子上行通量以及上行数密度较大(小),但是上行速度及上行发生率较低(高).以南半球高纬为例,计算得到离子上行通量、数密度、速度及发生率在高低太阳活动条件下的比值分别约为2.26,3.35,0.71,0.51.对离子上行太阳活动依赖性的可能原因进行了分析.不同太阳活动水平下,光致电离及高能粒子沉降的差异会导致电离层离子密度的不同,而电离层离子密度的变化会改变离子-中性大气之间的碰撞频率,这是影响离子上行发生率的一个重要原因.

磁暴期间高纬顶部电离层离子上行特征——DMSP卫星观测

本文利用DMSP F13和F15卫星观测数据,对2001—2005年58个磁暴(-472nT≤Min.Dst≤-71nT)期间高纬顶部电离层离子整体上行特征进行了统计研究.观测表明,磁暴期间,顶部电离层离子上行主要发生在极尖区和夜间极光椭圆区.在北半球,磁正午前,高速的离子上行(≥500m·s-1)多集中在65°MLat以上;午后,高速离子上行区向低纬度扩展,上行速度要略高于午前;在南半球,磁午夜前,DMSP卫星在考察区域内几乎所有的纬度上都观测到了高速上行的离子;午夜后,各纬度上观测到上行离子的速度明显降低.离子上行期间,DMSP卫星在极区顶部电离层高度上也频繁地观测到电子/离子增温,且电子增温发生的频率要远高于离子增温.O+密度变化分析显示,DMSP卫星磁暴期间观测到的上行离子更多地源于顶部电离层高度.这些结果表明电子增温在驱动暴时电离层离子整体上行过程中起着重要作用.

高纬日侧电离层离子上行的地磁活动依赖性研究

本文对比分析了太阳活动高、低年期间高纬日侧顶部电离层离子上行随地磁活动水平的变化特征.按地磁活动水平,将DMSP卫星在太阳活动高年(2000—2002年,F13和F15)及太阳活动低年(2007—2009年,F13;2007—2010年,F15)期间的SSIES离子漂移速度观测数据分为三组:地磁平静期(Kp<3),中等地磁扰动期(3≤Kp<5)和强地磁活动期(Kp≥5),分别统计分析了高纬日侧顶部电离层离子上行特征的时空分布.对比分析发现:(1)太阳活动低年期间,高纬日侧电离层离子上行发生率以及上行速度峰值均是太阳活动高年的2倍多,而离子上行通量峰值只有高年的1/6-1/4;(2)在相同太阳活动条件下,地磁活动水平对日侧电离层离子上行发生率峰值的影响并不明显,但对离子上行发生率的空间分布有着显著的控制作用:电离层离子上行高发区随地磁活动向低纬度扩展,并在强地磁活动期间呈现饱和的趋势;(3)日侧顶部电离层等离子体似乎存在两个效率相当的上行区域,一个位于极尖/极隙区纬度附近,离子可沿开放磁力线上行进入磁尾;另一个位于晨侧亚极光区附近,离子沿闭合磁力线上行,有可能进入日侧等离子体层边界层.

磁暴期电离层离子上行能通量的统计关系研究

利用FAST卫星1997—2006年34个磁暴期149个轨道的观测数据,分析不同相位上行通量数量级,研究不同相位离子上行能通量与地磁活动Sym-H指数和Kp指数,以及注入的Poynting通量之间的关系,构造上行通量经验模型。研究结果表明:磁暴主相期间,上行离子能通量可超过10^(8) eV·cm^(-2)·s^(-1)·sr^(-1)·eV^(-1)量级,初相和恢复相期,上行离子能通量可超过107 eV·cm^(-2)·s^(-1)·sr^(-1)·eV^(-1)量级,主相期能通量均值普遍高于初相和恢复相;磁暴初相期间,上行离子能通量与Sym-H、/p以及Poynting通量成显著正相关,相关系数分别为0.890、0.664和0.660;磁暴主相期间相关系数分别为0.858、0.823和0.541。以磁暴主相为例,上行离子能通量与Sym-H和Poynting通量的经验公式为J_(i+)=10^(5.324±0.581)×(Sym-H)^(1.465±0.340),J_(i+)=10^(6.469±0.798)×S_(dc)^(0.888±0.703)。初相期间,由于地磁扰动时能量快速注入,电离层离子迅速获能,上行离子能通量与地磁扰动指数呈现较高的相关性,同时主相期上行离子能通量的增幅跨越两个量级;向下的Poynting通量导致的焦耳耗散是离子获能的重要来源之一,因此上行离子能通量与Poynting通量有较强的相关性。恢复相期间地磁活动趋于平静,上行离子能通量低于主相期的能通量。

日侧伴随电子加速的离子上行事件的分布特征

本文基于2005年1月和7月DMSP F13卫星的观测数据,研究了日侧伴随电子加速的顶部电离层离子整体上行事件的分布特征.结果表明,离子上行主要发生在磁纬70°~80°MLAT范围内,加速电子磁层源区对应低纬边界层和等离子体片边界层;冬季上行存在明显的"晨昏不对称性",主要发生在晨侧(06∶00—09∶00 MLT),夏季上行主要发生在磁正午(09∶00—15∶00 MLT),以磁正午为中心近似呈对称分布,并且冬季离子上行发生率显著高于夏季;离子上行发生率在中等地磁活动时期显著增强,上行区域随着地磁活动的增强向低纬度方向扩展;行星际磁场Bx>0时,对应等离子体片边界层13∶00—18∶00 MLT和06∶00—09∶00 MLT区域内上行发生率增加,行星际磁场By的方向会导致上行高发区以磁正午为中心发生反转,行星际磁场南向时,上行发生率增强;冬季离子上行平均速度高于夏季.

磁暴期离子上行与太阳风及地磁活动水平的统计关系

利用FAST卫星ESA仪器第23太阳活动周上升相(1997—1998年)的观测数据,选取20个磁暴期间能量为4~300 eV的离子上行事件,研究不同磁暴相位电离层上行离子的能通量与太阳风、地磁活动以及电子沉降的统计关系.结果表明:(1)在磁暴初相、主相和恢复相离子上行平均能通量为6.08×10^(7)eV/(cm^(2)·s·sr·eV)、5.75×10^(7)eV/(cm^(2)·s·sr·eV)和3.91×10^(7)eV/(cm^(2)·s·sr·eV),初相期间上行离子能通量最大;(2)上行离子能通量与太阳风动压、行星际磁场B Z分量存在相关关系,相关系数分别为0.47和-0.38;(3)在磁暴初相、主相和恢复相上行离子能通量与Sym-H的相关系数分别为0.74、-0.77和-0.54,与Kp的相关系数分别为0.53、0.75和0.65,整体上离子上行与Sym-H指数的相关性好于Kp指数;(4)在磁暴初相、主相和恢复相上行离子能通量和电子数通量的相关系数分别为0.74、0.52和0.32,表明磁暴期间软电子(<1 keV)沉降可以显著提高电离层离子温度;F区的等离子体摩擦加热和双极电场是离子上行的重要获能机制.本文构建的上行离子能通量与Sym-H和电子数通量的经验关系显著,可用于磁流体模拟研究.

极区上行离子对地磁活动和季节变化响应的统计分析

利用DMSP F13卫星离子漂移速度测量数据和Wind卫星行星际磁场测量数据,对极区顶部电离层离子整体上行进行研究,主要考察平静期和磁暴期离子上行强度,以及不同行星际磁场方向和季节对离子上行的影响。研究发现,无论是南半球还是北半球,磁暴期的上行发生率都超过平静期;无论磁暴期还是平静期,南半球在北向行星际磁场时上行发生率高于南向行星际磁场、北半球在南向行星际磁场时上行发生率高于北向行星际磁场,且该结论在磁暴期比平静期更为明显;南半球平静期在北向行星际磁场和南向行星际磁场时冬季的上行发生率都远高于夏季,超过2倍,北半球平静期在北向行星际磁场和南向行星际磁场时夏季的上行发生率高于冬季。

电离层上行O^+离子沿不同经度处的磁力线向磁层的传输

根据解析求解引导中心近似的动力学方程得到的离子分布函数 ,研究了不同Kp指数条件下起源于不同电离层区域的上行O+离子通量密度沿不同经度处的磁力线的定态分布 ,并研究了上行O+离子向不同磁层区域传输的特性 .主要结果为 :( 1 )起源于向阳面极光带外侧及更低纬区的电离层离子基本上传输到向阳面磁层区 ;起源于背阳面极光带及更低纬区的电离层离子基本上传输到背阳面磁尾等离子体片区和闭合磁力线区 ;起源于极盖区及向阳面极光带内侧的电离层离子基本上传输到等离子体幔区和磁瓣区 .( 2 )上行离子主要分布在近地空间 ,其通量密度相对于地心距离呈负梯度 .( 3)地磁活动指数Kp 增高时上行离子进入磁层的概率增大 ,因而上行离子起动力学作用的地球空间范围增大 .所得结果可解释有关地顶的观测特征 。

上行离子密度分布特性的理论研究

采用动力学方程，求解了定态情况下磁层中上行离子沿磁力线的分布函数，针对不同的Ｋｐ指数，分别对北半球极光带区起源的上行离子Ｏ＋、Ｈ＋和Ｈｅ＋在子午面内沿磁力线的密度分布及其特性进行了研究．结果表明：１．沿磁力线向外，上行离子密度在近地空间呈急剧下降趋势，在远地空间呈缓慢下降趋势；２．重离子或初始能量较小的离子，其密度沿磁力线向外下降较快；３．Ｋｐ指数越大，离子进入磁层的空间范围越大；４．离子的投掷角分布对密度分布的影响甚小；５．离子密度沿磁力线的下降程度随到Ｘ轴距离的增大而呈增大趋势；６．在典型参数条件下，求得上行离子Ｏ＋在等离子体片边界附近的密度为１０－３－１０－２个ｃｍ－３，这与观测结果相一致．

磁暴期间中高纬度电离层离子上行的统计分析

利用美国国防气象卫星计划(defense meteorological satellite program,DMSP)F13和F15卫星观测数据,统计分析了2000—2016年294个磁暴(Min. Dst≤-50 nT)期间中高纬度电离层离子的上行特征。结果表明,磁暴期间,北半球有3个稳定的离子上行源区:磁黎明前,磁正午前后和磁黄昏后;南半球有2个稳定的离子上行源区:磁下午和几乎整个夜侧极光椭圆区。南北半球上行事件对季节的响应特征基本一致:冬季离子上行发生率和离子上行速度高于夏季;夏季离子上行数密度和离子上行通量高于冬季。研究发现,磁暴期间离子上行具有季节响应特征是由于冬季电离层离子摩擦加热和电子沉降事件发生频率大于夏季,会使离子的压力梯度力和向上的双极性电场增强,使离子加速上行。

极盖区等离子体云块近十年研究进展

极盖区等离子体云块是一种经常出现在极区电离层F层的高密度块状结构,其电子密度一般是背景电子密度的两倍及以上,水平尺度约为100~1000 km.极盖区等离子体云块的产生及演化过程可以示踪磁层-电离层/热层耦合过程中的能量及动量传输过程.同时,这种电子密度不均匀体(尤其是其边沿区域)对跨极盖区的无线电波传播具有很强的干扰,经常影响无线电通讯导航定位等应用.因而,极盖区等离子体云块研究不仅是空间物理领域的热点问题,而且也是空间天气监测及准确预报等应用的重要基础.本文简述了近十年来极盖区等离子体云块的研究进展,主要内容包括:概括了极盖区等离子体云块几种可能的形成机制;提出了极盖区冷/热等离子体云块的分类研究;统计了极盖区等离子体云块的时空分布特征及其对外部条件的依赖性;追踪了极盖区等离子体云块的完整演化过程;最后,讨论了极盖区等离子体云块引起的离子上行现象及电离层闪烁效应.

上行离子对近地场向电流的影响

采用三维resistive MHD数值模拟方法研究了上行离子对近地磁尾场向电流的影响.模拟结果显示起源于夜侧电离层极光椭圆带源区的上行离子沿等离子体片边界层进入磁尾,对近地磁尾场向电流有着重要的影响.上行离子对场向电流的影响主要在近地磁尾(15Re以内);场向电流密度随上行离子通量增加而增加;在通量相同的条件下,上行离子速度越高,场向电流密度越高;近地磁尾场向电流密度与上行离子的纬度密切相关,来自电离层较低纬度接近闭合磁力线区域的上行离子流更容易引起场向电流密度的增强;由上行离子引起的场向电流和By磁场分量有直接关系.最后进一步将上行离子引起的近地磁层场向电流密度与电离层高度的场向电流密度进行了比较.

地顶的地心距离及其变化

本文介绍了有关磁层中电离层离子起主要作用区域 （ 地顶内区） 的观测资料和磁层中电离层离子随地磁活动和太阳活动变化的观测资料．

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.