流星不均匀体多波段探测系统与初步观测结果

流星体注入地球空间给地球带来外部物质并影响地球空间环境.为了探知流星体对空间环境的影响,需获取不同类型流星体及其在地球大气中产生系列现象的特征.本文介绍近期研制建设的流星不均匀体多波段探测系统.该系统设计采用光学大范围成像和无线电相控阵雷达与双基地全天空雷达主动探测,实现对不同尺寸流星体坠入地球高空大气/电离层后的烧蚀、蒸发和电离到流星不均匀体产生与演化等系列过程探测.通过开发多种探测模式和相应的数据分析反演算法,获取流星体速度、质量、成分和星际来源、流星等离子体头和等离子体尾迹不均匀体的空间精细结构与演化以及低电离层“瞬时”风场等多参量信息.利用该系统观测数据,对流星体及其产生的流星等离子体头、等离子体尾迹场向和非场向不均匀体、流星闪耀和尘埃不均匀体以及电离层不均匀体等开展了初步研究.

基于GNSS观测的全球赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节依赖特征

赤道等离子体泡是在磁赤道和低纬地区一种通常发生在夜间的大尺度电离层不规则结构.本文利用2010—2021年全球低纬地区GNSS TEC监测仪长期观测数据,分析了赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节的依赖特征.结果表明,全球每个经度区赤道等离子体泡发生率与太阳活动都显著正相关,赤道等离子体泡的日发生率与F107指数相关系数接近0.70.经度-60°~-30°在赤道等离子体泡高发月份的日落后发生率与F107的相关关系有明显的饱和效应.在季节变化方面,经度-60°~-30°赤道等离子体泡主要发生在1—3月和10—12月,其他经度主要发生在分季.不同经度区赤道等离子体泡日落后发生率季节不对称性存在显著区别,在太阳活动上升期,经度-60°~-30°的10—12月发生率明显高于1—3月;在太阳活动下降期,0°~180°经度区3月分季高于9月分季.此外,地磁扰动对产生赤道等离子体泡主要是抑制作用,特别是在太阳活动高年、分季.

利用接收函数散射核方法探测中国东北地区地幔转换带界面三维形态

地幔转换带是上下地幔物质运移和能量交换的必经通道,其速度结构和上下界面的起伏能够为认识地幔内部的温度和物质变化、地幔对流模式等地球演化相关的科学问题提供关键约束.本文利用布设在中国东北地区的高密度固定台网和流动台阵所记录的远震体波接收函数,采用Ps散射核叠前深度偏移成像方法,获得了台站下方地幔转换带界面及其内部速度间断面的三维精细图像.研究结果表明:西北太平洋俯冲板片上下界面在地幔转换带内清晰可见,在高纬度(44°N)区域存在约30°的倾角;660-km间断面的深度起伏具有明显的分区性,在与俯冲板片相交处以西200~300 km,界面出现约20~40 km的下沉,而长白山和龙岗火山的西北区域存在约5~15 km的抬升,分别与板片滞留引起的低温异常和局部热物质上涌相对应;410\|km间断面的起伏形态较复杂,在大部分区域观测到大于10 km的下沉,且表现出明显的区域性横向变化,与深俯冲动力学背景下冷的温度异常造成的影响不一致.我们认为板片俯冲、停滞和海沟后撤过程中引起的地幔转换带物质异常、含水状态及分布的变化是显著改变410\|km间断面形态的主要原因.本文获得的高精度地幔转换带界面三维形态为更好地认识东北亚地区俯冲板片在地幔物质分布和能量交换中的作用提供了重要参考.

北京上空中小尺度电离层扰动特征

本文采用电离层测高仪数据对北京上空中小尺度电离层扰动进行了事例分析和统计研究.利用PDI电离层测高仪的快速扰动探测数据,分析了2017年11月13日北京上空典型的中小尺度电离层扰动事件.结果表明,电离层测高仪直接观测的电离层频高图上的V形(或U形)下降结构,是中等尺度电离层扰动的一种“显式”特征.小尺度电离层扰动主要出现于较低的高度,并不伴随着电离层频高图上显著的异常结构.通过统计2010—2021年电离层频高图数据中的电离层异常描迹事件,分析了北京上空中等尺度电离层扰动的发生率特征.以这些特殊描迹为特征的电离层扰动主要是白天现象,且冬季的发生率显著高于其他季节.其发生率与太阳活动呈反相关,即太阳活动较强时中等尺度电离层扰动的发生率较低,与地磁活动的相关性尚不十分明确.

水星内磁层等离子体带及电流体系

水星是太阳系中离主星最近的和最小的类地行星,它具有独特的空间环境.水手10号(Mariner 10)确认水星拥有全球性内禀偶极磁场和磁层.但是由于早期观测有限,人们通常将水星磁层简单地视作地球磁层的缩小版来研究.不过,在信使号(MESSENGER)访问水星之后,人们认识到水星和地球的空间环境有巨大差异.通过更深入的分析研究,人们发现在水星内磁层中,夜侧磁赤道面附近有带状的等离子体分布,并且该等离子体带可能与多种磁层电流体系(分叉环电流、亚暴电流楔和东向电流等)密切相关.在贝彼哥伦布(BepiColombo)计划揭开水星研究的新篇章之际,本文回顾近些年来与水星内磁层等离子体带及相关电流体系有关的研究,并指出相关研究将是未来水星空间环境的前沿热点.

利用Lg波计算地震应力降的方法及在青藏高原东缘典型震例中的应用

地震应力降标志震源破裂过程中作用在断层系统上的应力释放水平,是刻画震源物理过程和预测震源辐射特性的重要参数.地震应力降主要受控于构造环境、震源机制和地震类型等.观测得到的应力降还受到观测频带的影响,所以它的绝对值难以准确测定.采用体波、面波以及零频观测(大地测量、GPS、InSAR)等不同类型的数据获得的应力降也存在差异.对于地震波数据,通常采用间接方法去除传播路径中的衰减效应并获得震源激发谱,进而估计应力降.随着宽频带地壳Lg波衰减模型的建立,可以构建直接校正路径衰减的方法,从而获得对Lg波震源激发函数的准确估计.进而通过对观测和理论震源谱的拟合获得整个地震序列中各个地震的标量地震矩、拐角频率和高频下降率等震源参数,再根据断层模型计算应力降.本文分别以青藏高原东缘典型的构造地震2017年Ms7.0九寨沟地震和潜在的工业注水诱发地震2019年Ms6.0长宁地震为例,计算两个地震序列应力降的时-空变化过程,探索构造地震与诱发地震之间的潜在的物理差异. 2017年九寨沟地震的主震应力降为27 MPa,余震震级和应力降均呈快速下降趋势. 2019年长宁地震的主震应力降为32 MPa,余震序列的应力降以起伏形式缓慢下降,并曾出现过与主震应力降数值相当的余震.这一现象主要来源于长宁地区长期的工业注水干扰了区域应力场,提升了断层内的流体静压力并降低了断层滑动的驱动应力.这一过程需经过震后较长的时间才能恢复.上述两个地震序列具有相似的主震应力降但属于完全不同的类型,说明在该区域无法通过单独观测主震应力降来区分构造与诱发地震,而通过研究整个序列中应力降的时-空发展过程则有可能揭示出与此有关的进一步信息.

2021年5月21日青海玛多M_(W)7.4地震及余震序列应力降时空分布与孕震环境

2021年5月21日发生在青藏高原巴颜喀拉块体内部的玛多M_(W)7.4地震是继2008年M_(W)7.9汶川地震之后在中国陆区发生的最大地震.由于玛多地震发生在板块内部滑移速率较缓慢的次级断裂上,该地震成为研究巴颜喀拉块体内部地震危险性的典型震例.通过计算2021年玛多地震序列中震级大于2.5的地震应力降,我们调查了该地震序列应力释放的时空演化规律.首先,利用已有的青藏高原及其周边地区宽频带Lg波衰减模型,对玛多地震序列产生的地震Lg波观测数据进行了传播路径衰减校正,获得119个地震事件的Lg波震源谱;然后,通过将理论震源函数与观测数据拟合,获得对Lg波标量地震矩、拐角频率和高频下降率的估计;最后,根据标量地震矩和拐角频率计算了2021年玛多地震序列的应力降.结果表明,2021年5月21日玛多地震主震应力降为22 MPa,余震序列的应力降分布范围为0.08~7.5 MPa、中位数为0.39 MPa,平均值为0.88 MPa.应力降与震级具有较强的正相关关系,说明该地区的地震活动可能并不遵从地震自相似理论.换言之,大小地震具有不同的破裂动力学性质.玛多地震序列应力降变化反映了断层面上的应力释放过程具有强烈的非均质性.主震发生之后余震应力降显著降低,但其间仍夹杂着少数具有较高应力降的事件.这些高应力降事件所在区域与主震后破裂面上的闭锁和应力集中区域相对应.

西北太平洋俯冲带及其深震活动

俯冲带是理解地球内部物质循环和能量交换、大陆岩石圈演化、地震和火山活动及矿产资源分布等的重要环节.本文聚焦于西北太平洋俯冲带,通过汇集多种地震观测研究结果,清晰地揭示了由日本海沟至中国东北的俯冲板片整体活动图像,即整个西北太平洋俯冲板片的主压应力轴一致地稳定在俯冲方向上,俯冲板片上深浅部的显著地震活动存在密切的关联性;俯冲板片深处的亚稳态橄榄岩楔形区及其周边是深源地震多发区,深源地震可能是由亚稳态橄榄岩楔形区内的相变断层开始破裂的;在410~660 km深的地幔过渡带内处观测到的俯冲板片上下界面,揭示了俯冲板片的层状组分结构和板块下侧的高含水量.为更好地约束日本海下方的俯冲板片结构和深入探讨西太平洋的俯冲动力作用,有待于在全球罕有的大陆深部不断发生深震的西北太平洋俯冲区,开展海陆联合的地球物理探测及岩石高温高压实验和地球动力学模拟等研究.

地震Lg波衰减成像方法、算法、数据处理流程及应用

随着现代地震观测系统的快速发展,地震信号能够在更宽的频带、更大的动态范围和更高的空间密度以数字形式被准确地记录下来,由此提供了利用大量高质量地震数据获取地下介质品质因子Q值精细分布的可能性.地震Lg波是区域地震记录中最显著的震相之一,因其主要在地壳内以导波形式传播或能量集中在壳内的高阶面波的叠加,所以常常被用来研究地壳的衰减属性.本文对利用Lg波进行地壳衰减测量的理论和实践进行了系统回顾,对相关的反演方法进行了介绍,同时也对与此有关的大量实际问题有所述及,例如区域地震资料收集、震相分离、噪声分析和数据质量控制,振幅谱计算、去噪处理等.进一步介绍了衰减成像结果在研究地质学、地球物理学和地球动力学方面的应用.以中国台湾及周边地区的地震数据处理为例,介绍了地壳Lg波成像的具体流程.根据416个区域地震事件在86个宽频带地震台站的8 650条垂直分量波形记录,建立了台湾岛及周边宽频带、高分辨率的地壳Lg波Q值模型,模型频率范围为0.05~10.0 Hz.在数据覆盖较好的地区,分辨率可达0.25°×0.25°.模型揭示出该区地壳Lg波Q值横向变化显著,以岛内高Q值、周边低Q值为主要特征.低Q异常主要出现在台湾东北部南日岛盆地、东南部台南盆地、台湾东部菲律宾板块俯冲带以及欧亚板块的碰撞带、花东海盆、琉球弧和冲绳海槽等区域.这些强衰减区与板块碰撞引起的强烈构造活动有关.

1960年武汉站电离层测高仪数据集

电离层垂直探测是电离层观测历史最为悠久,至今仍发挥重要作用的地面常规探测手段。武汉站是中国最早开始常规电离层垂直探测研究的台站,不间断地积累电离层垂直探测数据,有力地支撑了我国电离层区域特性和扰动传播的观测研究。1957–1991年,武汉站电离层垂直自动探测是以胶卷为存储介质。本文选择以1960年为代表,介绍武汉站电离层胶片频高图数字化图像和电离层参数数据。本数据集原始观测精确可靠、数据记录完整连续,可为电离层赤道异常北驼峰以北地区电离层空间天气学和气候学研究提供重要数据支持。

火星电离层电子密度对太阳辐射变化的响应

太阳辐射是火星电离层变化的重要控制因素.利用火星全球勘探者号(Mars Global Surveyor,MGS)电离层掩星探测数据,并结合一个火星电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)经验模型,研究了火星北半球高纬地区电离层电子密度对太阳辐射变化的响应特性.在考虑了火星掩星数据中电离层电子密度对太阳天顶角的依赖关系后,发现随着太阳辐射增强,火星电离层M_(2)层峰值密度增大,但增长偏离线性趋势,而M_(2)层峰值高度和大气标高没有很明显的变化趋势.从100~200 km高度区域掩星电子密度剖面积分得到的TEC及底部和顶部TEC也随太阳辐射增大而增大,但增长率有所减小,表明火星电离层可能存在类似地球电离层的饱和特征.MGS掩星TEC及其底部和顶部剖面的TEC与经验模型TEC的比值均与太阳辐射强度变化呈反相关特性,表明在强太阳辐射情形下200 km以上电子含量在TEC中占比增大.这一特性意味着太阳活动增强,在火星顶部电离层区域,动力学过程对电离层的控制逐渐超过光化学过程.

我国未来在轨监测火星沙尘暴的设想和方案

火星是地球的近邻,它的自转周期(约为24.6 h)及自转倾角(约为25°)都与地球的接近.火星公转周期为687 d,有稀薄的大气(主要成分为CO_(2)),有四季交替的气候变化,表面温度(夏天)最高时可达20°C.火星两极被冰(干冰和水冰的混合物)所覆盖,并有着消融和冰冻的季节周期变化.火星表面布满河道、峡谷、沟壑、冲积平原等地貌特征.在太阳系行星系统中,火星的气候环境最为接近地球.