太阳活动突发过程对临近空间大气影响的模拟

空间天气对地球及近地空间具有重要影响,大的空间天气事件对中上层大气动力学和成分具有不同的影响。利用全大气耦合模式WACCM,针对太阳耀斑、太阳质子、地磁暴三类事件,以太阳活动平静期2015年5月10-14日的GEOS-5数据为模式背景场,通过F_(10.7)、离子产生率、Kp及Ap指数设置,分别模拟三类事件对临近空间大气温度、密度和臭氧的影响。结果表明耀斑事件在三类事件中对临近空间大气温度和密度的影响最为显著。平流层大气温度增加是由耀斑辐射增强引起平流层臭氧吸收紫外辐射发生的光化学反应所致,耀斑事件引起平流层和低热层温度增加约为2~3 K,低热层大气相对密度增加在6%以内;太阳质子事件及磁暴事件主要影响低热层,但太阳质子事件和磁暴事件对低热层温度扰动不大于1 K。

中间层臭氧的夜间变化特征及与太阳活动的相关性

基于ENVISAT-1/GOMOS(Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars)和TIMED/SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)卫星的臭氧廓线数据结合模式HAMMONIA(Hamburg Model of the Neutral and Ionized Atmosphere)对热带低纬度地区(20°S-20°N)中间层(60~110 km高度)夜间(20:00 LT-24:00 LT)臭氧的分布进行统计,分析其与27天太阳周期的相关性.观测与模式均表明中间层夜间臭氧在95 km达到峰值,并在中间层上层存在半年振荡.通过与相同时间段内的太阳辐射强迫Lyman-α数据对比发现,中间层上层臭氧与太阳强迫作用可能是反相关,中间层下层臭氧与太阳强迫作用可能呈正相关.虽然观测结果与模型结果在臭氧随月份的时间和空间分布上有一定的相同特征,但在臭氧峰值的数值上发现有较大的差异,其中臭氧敏感性的振幅被模型低估.

大气空间和季节性气候特征对RLV升力式再入飞行的影响

为提升重复使用运载器(RLV)竞争力精细化设计边界,在融合3颗卫星载荷采集的大气数据基础上,采用大/小尺度扰动分别建模的方法,建立了沿RLV再入飞行轨道的全域参考大气模型,开展了大气密度空间性和季节性(1月、4月、7月和10月)气候变化对跟踪RLV高纬度升力式再入标准轨道的影响分析。结果显示季节性和轨道空间性变化带来的大气密度偏差特性和散布特性,会强烈影响跟踪标准轨道的终端分布特征。这表明引入大气参考模型可以提升RLV性能,降低运行成本。

小行星撞遇陆地成坑动力学的计算模拟

小行星撞遇陆地是一个复杂的非线性动力学过程,难以通过模型试验的方法开展相关研究。数值计算为这一灾害动力学过程分析提供了重要的工具,基于自主研发的CoSim软件中离散元(Discrete Element Method,DEM)模块初步实现了小行星撞遇陆地的大规模计算模拟。基于小行星撞遇陆地三维动力学全过程的数值仿真结果:实现了初始接触、撞遇挖掘、高速抛射和回落调整4个撞击阶段全过程仿真;小行星的碰撞入射角及撞遇过程中动力学行为将影响撞击坑的地形地貌特征。研究也表明大规模数值计算方法可较好地实现小行星撞遇地球这一动力学过程,为小行星防御提供支撑。

极紫外光电效应电荷驱动仿真与试验验证

惯性传感器中的检验质量是精密引力测量系统中的核心,其表面会因为宇宙高能粒子持续注入而积累电荷,在惯性传感器内部电磁场作用下产生杂散噪声,影响精密引力测量结果.根据光电效应原理,用UV LED产生极紫外光照射惯性传感器的电极与检验质量表面,并在电极间施加适当电场,就可以在不引入外力作用且无接触条件下改变检验质量的电荷量.本文基于平行板电容器的简化电极模型,对极紫外电荷驱动过程进行了理论建模仿真.在此基础上设计和构建了一套电荷驱动验证试验系统,针对光功率、偏置电压对充放电速率的影响和交流电荷驱动进行试验.试验证明电荷充放电速率与极紫外光功率成正比,其量子产率随极板间电场强度变化.最终可实现稳定控制检验质量电荷放电速率在0.31~0.76 pC⋅s^(–1),检验质量电荷充电速率在–0.05~–0.17 pC⋅s^(–1).分析提出的检验质量电荷充放电速率理论模型与地面试验结果一致,可以有力支撑电荷管理控制系统的研制.

基于跨阻抗前置放大器的宽频带感应式磁传感器的设计与验证

本文建立了一种基于跨阻抗前置放大器的磁传感器信号传递模型,并在该模型的基础上推导出磁传感器的灵敏度和噪声理论值.根据理论推导的结果,进一步研究了感应式磁传感器设计方法,以带宽0.01~10 kHz,噪声1 fT·Hz^(–1/2)(1~10 kHz)作为设计目标设计了一个感应式磁传感器,并对这一传感器进行了性能验证试验.在处理频率响应测试数据时设计了一种基于信号调制的处理方法,有效提取特定频率得到幅值和相位,并降低了随机噪声的干扰,磁传感器–3 dB带宽达到了0.01~10 kHz.在评估传感器噪声时,采用双探头差分的方法消除了环境的干扰,设计了相位差分析的评估方法,确认在哪些频带双探头探测的信号是同源的,在这些频带采用差分法评估是有效的.评估的结果是,传感器在1~10 kHz实现了1 fT·Hz^(–1/2)噪声水平.

地磁扰动的时空变化规律和产生原因:统计和模拟研究

地磁感应电流(Geomagnetically Induced Currents, GICs)是发生在地球表面的一种空间天气现象,对石油管道、电缆等长距离地面基础设施会产生不利影响.研究GICs的产生原因及其与太阳风驱动条件的关系对于预报灾害性空间天气具有重要意义.由于GICs的产生与地磁场扰动紧密相关,本文利用北半球100多个地磁台站的长期监测数据,统计分析了地磁扰动及其时间变化率(磁扰率)与各种太阳风参数/地磁指数之间的相关性,并以2013年3月17日的磁暴事件为例,采用全球空间天气模型框架(space weather modeling framework, SWMF)模拟了磁暴期间地磁场扰动在北半球的分布以及日地空间中各电流体系对地磁扰动的作用.研究结果表明:(1)中低纬度的地磁扰动北向分量Bx与表征环电流强度的SYM-H指数呈现较高的正相关性(相关系数CC=0.75),高于它与亚暴AE指数以及其他太阳风参数的相关性,说明磁暴期间环电流是导致中低纬度北向磁场减弱的主因,而在平静期间东向的磁层顶电流是中低纬度北向磁场增强的原因;(2)地磁扰动率与太阳风动压、行星际磁场IMF Bz、亚暴AE指数或者磁暴SYM-H指数均没有强相关性;(3)高纬地区的磁扰率通常大于低纬地区,而较强的磁扰率倾向于出现在中等磁暴或者中等-强亚暴期间的中高纬地区;(4)SWMF模型能较好地反演地磁平静时的北向地磁扰动和磁暴时的东向地磁扰动;(5)磁暴期间,磁层电流对中低纬度北向地磁扰动的贡献最大,而电离层霍尔电流对高纬地区的北向地磁扰动有着很强的支配地位;另外,高纬地区的东向地磁扰动主要由霍尔电流控制,而中低纬地区则受制于场向电流.

热层大气密度动态修正模型研究

为构建具有密度误差原理级修正的热层大气模型动态修正软件系统,首先,根据温度垂直剖面计算方法,对拐点和外逸层2个边界温度计算函数按经纬度球谐系数展开,研究基于模型和实测密度估计修正系数的方法;从数值计算方面,将条件方程泰勒展开线性化迭代求解得到修正系数。然后,融合修正理论和数值方法,构建热层大气密度动态修正模型系统。之后,针对磁暴、磁静事件分类评估系统性能,结果显示修正后模型的预报准确性较MSIS00模型显著提升——预报相对误差磁暴期平均下降33.8个百分点,磁静期平均下降9.1个百分点。最后,分析边界温度修正量的序列,得到其主要变化规律。期望通过热层大气模型动态修正系统的研究与实践,为热层大气密度的高精度预测需求提供解决方案。

月球科研站的关键科学问题

基于第302期“双清论坛”,本文总结了基于月球科研站的科学研究进展,围绕月球地质、近月空间环境、月基观测、月基生命实验和资源利用等领域,梳理了月球科研站的研究方向及总体科学目标,凝练了该领域未来5~10年的关键科学问题,探讨了前沿研究方向和发展战略。

星冕物质抛射的探测与建模

日冕物质抛射(coronal mass ejection,CME)是从太阳上抛出的大团等离子体云.在其他恒星上,类似的现象被称为星冕物质抛射(简称恒星CME).基于对日冕物质抛射的理解,人们相信,星冕物质抛射可能是恒星-系外行星系统中空间天气最主要的驱动源,因而是恒星影响其行星的一个关键途径,在太阳系外的宜居世界形成过程中占有重要地位.此外,在恒星演化的部分时期,频繁发生的CME还可能对恒星的质量和角动量损失有重要贡献.尽管从不同波段的观测数据中,人们认证出了少数的恒星CME候选体,但迄今尚无学界公认的、确切的恒星CME观测证据.本文总结了在不同波段探测恒星CME的可能方法,介绍了目前已经开展的关于恒星CME探测的有益尝试,以及恒星CME及其与系外行星相互作用的建模进展.在对现有研究不足之处进行分析的基础上,本文还探讨了未来恒星CME探测和建模研究的方向.

隐形日冕物质抛射研究进展

日冕物质抛射(CME)是空间天气的主要扰动源之一.早期研究发现,在源区位于太阳正面的CME中有部分CME难以找到光球、色球和低日冕的源区观测特征,并得到近年来的多视角、多波段和高分辨率观测数据的证实,这类CME被称为隐形CME.本文梳理了隐形CME相关研究,尤其是最近十年的新进展.首先结合隐形CME的发现过程对隐形CME的定义进行了介绍,并分析了造成隐形CME现象的多种原因.随后归纳了隐形CME本身慢速、暗弱及其源区的大尺度、非活动区、光球磁场较弱、等离子体密度较低、初发高度较高等观测特点,以及隐形CME与冕洞、冕流等大尺度磁结构之间的联系.在此基础上,本文对隐形CME的物理本质、隐形CME相关数值模拟和动力学分析研究进行了介绍,并归纳讨论了隐形CME源区的太阳活动周变化以及目前隐形CME源区研究中待解决的问题.最后,本文讨论了CME源区预报方法,结合由隐形CME所导致的强地磁暴事件,分析了隐形CME的空间天气影响,并展望了新观测技术和仪器的发展为隐形CME研究提供的新机遇.