电离层起源的O+离子在同步高度区的分布

以卫星观测资料为基础, 应用动力论方程, 采用理论模型和数值分析方法, 研究了不同地磁活动条件下同步高度区O⁺离子的分布, 提出了O⁺离子密度和通量密度在同步高度区沿经度变化的半经验模型. 主要结果为: 在同步高度区(1) 向阳侧O⁺离子密度和通量密度较大, 背阳侧较小. (2) 地磁活动指数K_p越小, O⁺离子密度和通量密度水平及其沿经度的变化越小, K_p越大时水平及其变化越大; K_p≥6时O⁺离子密度和通量密度较K_p= 0时大一个量级. (3) 当K_p= 0或K_p≥6时, O⁺离子密度在经度120 °附近和240 °附近最大, 在磁尾最小; 当地磁活动指数K_p=3~5时, O⁺离子密度在经度0°处最大, 在磁尾最小; 无论K_p如何, O⁺离子通量密度都在经度120°附近和240°附近最大, 在磁尾最小.     

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 ,理论估算的上行离子在磁尾的通量密度与观测结果相符合.     

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.     

北半球电离层中纬槽发生率及其槽极小位置变化的统计研究

本文利用2014年9月到2017年8月全球高时空分辨率TEC数据对北半球四个经度带电离层中纬槽的发生率和槽极小位置的变化进行了统计研究.基于Kp指数,我们引入了一个包含地磁活动变化历史效应的地磁指数(Kp 9)来分析中纬槽位置变化与地磁活动水平的关系.通过与其他地磁活动指数的对比,发现槽极小纬度与Kp 9指数的相关性最好.此外,本文重点分析了中纬槽发生率及槽极小纬度的经度差异、季节变化、地方时变化以及与地磁活动强度等的关系.结果表明,中纬槽的发生率与经度关系不大,主要受到季节、地方时与地磁活动的影响.午夜中纬槽发生率在夏季较低,其随地方时的变化则呈现出负偏态分布的特点,在后半夜发生率更高,而地磁活动增强对中纬槽的发生具有明显的促进作用.对于槽极小纬度,其在四个经度带的分布差异不大,但月变化各不相同,其中-120°经度带呈单峰分布,在夏季槽极小纬度更高,而0°经度带夏季槽极小纬度更低.槽极小的位置显著依赖于地磁活动、地方时以及季节变化.一般说来,地磁活动越强,中纬槽纬度越低.中纬槽位置随地方时的变化有明显的季节差异,冬季昏侧槽极小纬度随地方时变化较快,弱地磁活动条件下22∶00 LT前即达到最低纬度,其后位置几乎保持不变,而两分季槽极小纬度从昏侧至午夜都在降低,夏季槽极小纬度从昏侧连续下降至03∶00 LT左右.     

地磁活动与太阳活动对环电流离子成分与位置的影响

根据CRRES卫星上MICS离子成分探测器的观测资料以及前人有关AMPTE卫星的观测数据，研究了地磁活动和太阳活动性对环电流成分以及各种环电流离子的最大通量位置的影响. 观测表明相对于地磁平静时期，在地磁活动的活跃时期，环电流中O+、He++和He+离子的数密度和能量密度占环电流总数密度和总能量密度的份额增加，相反H+离子所占的比例却明显减少. 太阳活动极大年时环电流中H+离子丰度比极小年时低，而O+和He++离子的丰度却比太阳活动极小年时高. 卫星数据观测还表明，在地球磁暴期间，环电流中O+离子和He+离子的最大通量位置会随着地磁的活动径向移动，平均来看太阳活动极大年的能量粒子最大数密度位置距离地球比极小年时约小0.5RE （RE 为地球半径）.     

地磁场结构对静止轨道≥2 MeV高能电子分布的影响

基于AE8电子辐射带模式和各地磁场模式,本文系统分析了地磁场模式、太阳风、地磁扰动、地磁轴指向对静止轨道≥2 MeV高能电子分布的影响以及静止轨道不同经度位置≥2 MeV高能电子分布的差异,并与GOES系列卫星实测结果进行了对比分析.结果表明,AE8+IGRF+T96模式所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布结果优于AE8+IGRF+OPQ77模式或AE8+IGRF+T89模式结果,其大部分定性结果与GOES系列卫星观测结果较为一致,AE8+IGRF+T96模式所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布与磁壳参量Lm、局地磁场B分别呈较好的负和正相关性.基于AE8+IGRF+T96模式得到在相同太阳风及地磁扰动条件下2010年每分钟静止轨道≥2 MeV高能电子通量分布结果,经分析得到：1年内每个时刻静止轨道上≥2 MeV高能电子通量最大值和最小值比值变化范围为2.50~7.51,变化主周期为1天,每天比值变化量都超过3;1年内静止轨道各经度位置每天内≥2 MeV高能电子通量最大值和最小值比值变化范围为2.98~6.00,比值随着时间和经度位置而变化;1年内同一天静止轨道各经度位置≥2 MeV高能电子日积分通量最大值出现在170°W附近,最小值出现在70°W附近,最大值与最小值的比值分布在1.86~2.13之间.以上所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布变化主要来自Lm变化,B/B₀的影响小于5%,其中B₀为磁力线上磁场最小值.因此,在构建≥2 MeV高能电子分布模式时,需要考虑地磁场结构的影响,特别是Lm参数.     

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.     

地球辐射带能量电子通量在不同地磁活动下的统计分析

利用大约15个月的CRRES卫星MEA能量电子观测数据,分别在地磁活动平静(0≤Kp＜3)、中等(3≤Kp≤6)及强烈(6＜Kp≤9)的条件下,选取电子能量为148 keV,509 keV,1090 keV,1581 keV的辐射带能量电子通量进行统计分析,得到了不同地磁活动条件下地球辐射带高能电子通量在(L,MLT)...     

行星际扰动和地磁活动对GEO相对论电子影响

利用1988—2010年小时平均的GOES卫星数据,对地球同步轨道(GEO)相对论电子变化进行了统计分析,研究了相对论电子通量(Fe)增强事件的发展过程,探讨了利于相对论电子通量增强的太阳风和地磁活动条件.主要结论如下:(1)GEO相对论电子通量即使是峰值,也具有明显的地方时特性,最大电子通量出现在磁正午时.午/夜电子通量比率随着太阳风速度(Vsw)增加而增大;在Dst-50nT时相对论电子具有规则的地方时变化.在太阳活动下降相,电子通量与各参数的相关性较好,与其相关性最好的Vsw、Kp指数以及三次根号下的太阳风密度(N)分别出现在电子通量前39~57h、57~80h和12~24h.(2)强(日平均电子通量峰值Femax≥104 pfu)相对论电子事件,在距离太阳活动谷年前两年左右和春秋分期间发生率最高,较弱(104Femax≥103 pfu)事件无此特点;大部分强相对论电子事件中,电子通量在磁暴主相开始增加,较弱事件中则在恢复相开始回升.(3)太阳风密度变化对相对论电子事件的发展具有重要指示作用.电子通量在太阳风密度极大值后0~1天达到极小值,太阳风密度极小值后0~2天达到极大值.(4)90%以上相对论电子事件是在磁暴及高速太阳风的条件下发生的,与其伴随的行星际参数和地磁活动指数极值满足以下条件:Vswmax516km/s,Dstmin-31nT,Nmin2.8cm-3,Nmax14.1cm-3,Bzmin-2.9nT,AEmax698nT.(5)磁暴过程中,Dstmin后日平均电子通量大于103 pfu的发生概率为53%左右,强/弱相对论电子事件占总数比例分别为36%/64%左右,磁暴强度对其无影响.磁暴过程中的Vsw、N和AE指数大小对于能否引起相对论电子增强起着指示作用.     

太阳和地磁活动对磁赤道地区低热层NO密度的影响研究

利用SNOE卫星1998年3月11日至2000年9月30日共计935天观测的NO密度和太阳软X射线数据,分析了低热层NO的时空分布特征及其对太阳和地磁活动的响应,得出了以下结论:NO密度从96.67 km开始增加,大约在105～110 km高度达到最大,随后开始减小;同一高度处一般夏季期间最大,冬季次之,春秋分季最小;密度峰值大小变化范围约为(0.5～1.5)×10⁸ mol/cm³,峰值高度基本分布在107 km和113 km高度处,且不随太阳活动变化,平均值约为107 km;NO密度与太阳软X射线及地磁Ap指数的相关系数在不同高度存在0、1和2天的最佳延迟时间,而同太阳软X射线的统计关系在不同高度和季节存在"线性"、"放大"和"饱和"现象;从统计和事件分析结果来看,太阳活动对磁赤道地区低热层NO密度的气候尺度变化的影响远大于地磁活动,但地磁活动对NO短期变化贡献非常明显.     

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.     

磁暴期间环电流离子增长与磁尾离子注入的因果时序探测研究

TC-2卫星上的中性原子成像仪(NUADU)在2005年5月15日磁暴期间(并伴随有系列亚暴事件)记录了反映环电流离子连续变化的能量中性原子(ENA)图像探测数据.比较由中性原子图像反演的4 min时间分辨的环电流离子空间分布与地球同步轨道LANL系列卫星(环绕赤道面~6.6 RE)上同步轨道粒子分析仪(LANL-SOPA)原位离子通量探测数据,以及相同高度的同步系列卫星GOES的磁场数据,发现环电流区离子通量增长发生在磁力线尾向拉伸的亚暴增长相阶段,而不是发生在磁场偶极化之后.这一发现挑战了以往的环电流离子注入是磁场偶极化时由磁尾直接注入的概念,但仍需更多的观测实例进一步认证.     

等离子体片离子与太阳风及地磁条件的关联研究

本文根据搭载于Cluster卫星的CIS/CODIF和RAPID仪器的观测数据,统计研究了等离子体片中的H⁺、O⁺离子在磁暴期间的时间变化特性,及其对太阳风条件的响应.观测结果表明：(1) 磁暴开始前,O⁺离子（0~40 keV）数密度保持在较低水平.随着磁暴的发展,O⁺数密度缓慢上升,其峰值出现在D_st极小值附近;H⁺离子(0~40 keV)数密度在磁暴开始之前的较短时间迅速增加并达到峰值,在磁暴开始之后迅速降低,并在整个主相和恢复相期间保持在相对较低水平.更高能量的离子则在磁暴开始后迅速增多,并在低能O⁺离子达到峰值之前达到峰值.因此我们推测磁暴初期从等离子体片注入环电流的主要是H⁺离子,主相后期O⁺离子可能扮演更为重要的角色.(2)在地磁活动时期,太阳风密度和动压强与等离子体片中的H⁺、O⁺数密度存在一定相关性.等离子体片中的H⁺离子对北向IMF B_z较为敏感,而IMF B_z南向条件下更有利于太阳风参数对等离子体片中O⁺数密度的影响.在地磁活动平静期,太阳风条件对等离子体片中的离子没有明显影响.     

磁场偶极化过程中磁尾离子加速:Ⅱ上行离子速度和能量的变化

根据采用动力学方程对亚暴期间磁尾磁场向偶极形弛豫过程中离子分布函数的模拟结果 ,研究了磁尾来自电离层的O+,H+和He+离子的速度及能量随时间的变化 .主要结果为 :（1 ）离子的加速及能量变化主要发生在磁场偶极化过程的中期 ,对应的地心距离位于- 1 2RE到 - 8RE 之间 ;（2 ）垂直于磁场方向上离子加速及能量变化较快 ,平行方向上较慢 ;（3）轻离子较重离子加速及能量变化快 ,磁场偶极化终结 ,3种离子的能量均可增加 2 0 0倍左右 ;（4）初始能量较高时 ,离子加速及能量变化较快 ,离子最终获得的能量较大 .理论计算的磁尾离子能量在磁场偶极化过程终了可达 1 0 2 keV的量级 ,这与观测结果一致 .     

2005年8月24日磁暴主相期间亚暴过程的多卫星联合观测分析

本文根据OMNI、TC-2卫星、LANL系列卫星、Cluster星簇卫星(C1-C4)以及加拿大的8个中高纬地磁台站的观测数据,研究了2005年8月24日强磁暴(SYM-H_min~ -179 nT)主相期间的强亚暴(AL_min~ -4046 nT)事件特征.该强磁暴在大振幅(IMF B_{z min}~ -55.57 nT)、短持续时间(~90 min)的行星际磁场条件下产生,有明显的磁暴急始(SSC),强度较大且持续时间较短.发生在磁暴主相期间的亚暴发展的主要特征如下:亚暴增长相期间,C1-C4卫星先后穿越中心等离子体片;亚暴膨胀相触发后,在近地磁尾(X~-6R_E)可观测到磁场偶极化现象;等离子体无色散注入区在亚暴onset开始后迅速沿经向扩展,但被限制在有限的经度范围;磁纬60°附近,Pi2地磁脉动振幅超过了100 nT.膨胀相开始后,在中、高磁纬地磁台站可观测到负湾扰,近地磁尾可观测到Pi2空间脉动,中磁尾区域可观测到尾向流、磁重联以及O⁺/H⁺数密度比值在亚暴onset之后增大等现象.分析表明该强磁暴主相期间的强亚暴现象发生时序是自内向外:X~-6R_E处TC-2观测到磁场偶极化(~09:42:30 UT),同步轨道卫星LANL1994-084观测到等离子体无色散注入(~09:44:30 UT),X~-17.8R_E处C1观测到磁场重联(~09:45:30 UT),由此推断该亚暴事件很可能是近地磁尾不稳定性触发产生,其发生区域距离地球很近.     

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B_x>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B_y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.     

地球磁尾不同位置处高速流的统计特性研究

使用2007~2011年THEMIS卫星数据,对位于地球磁尾(|YGSM|13RE,|ZGSM|5RE,–30REXGSM–6RE)等离子体片内的高速流及背景的等离子体特性和它们与太阳风参数之间的联系进行了统计研究.我们发现,距离地球越近,高速流温度的增加相较于其背景要更强一些;高速流与背景的离子数密度比值和离子温度比值也都有所升高;而我们的统计进一步表明,高速流密度与其发生前2 h的太阳风密度相关性最高,背景密度与其观测时刻前3.5 h的太阳风密度相关性最高,且二者的归一化密度(密度与太阳风密度之比)均与其前3 h的行星际磁场θ角(θ=arctan(Bz/sqrt(Bx2+By2)))相关性程度最大.行星际磁场越倾向于北向,高速流归一化密度越大,与磁尾背景等离子体的性质相似.     

一次磁层亚暴期间磁场偶极化的尾向传播

利用TC1、Cluster和Polar结合极光和同步高度及地磁的观测，研究了2004年9月14日1730～1930 UT时间段的亚暴偶极化过程.此前行星际磁场持续南向几个小时.亚暴初发(Onset)开始于1823 UT.2 min之后，同步高度的LANL 02A在子夜附近观测到了明显的能量电子增强（Injection）事件，而TC1在1827UT左右在磁尾(-10,-2, 0)RE (GSE)观测到了磁场BX的突然下降，伴随着等离子体压强和温度的突然增加及磁场的强烈扰动.在(-16, 1, 3)RE (GSE) 的Cluster上相同的仪器观测到相同的现象，只是比TC1观测到的晚大约23 min，在1850 UT左右.虽然Polar在更靠近地球的较高纬度(-75, 35, -40)RE (GSE)附近，也在1855 UT左右观测到了这种磁场偶极化现象.以上的观测时序表明TC1、Cluster观测到的磁场偶极化比亚暴偶极化初始发生分别晚4 min和27 min.说明偶极化由近磁尾向中磁尾传播.详细计算表明偶极化源区的位置大约在X=-77RE～-86RE，而传播速度大约为70 km·s-1.在这个事件中亚暴的物理图像可能是中磁尾的近地重联产生的地向高速流到达近磁尾，为近磁尾的亚暴触发创造了条件；亚暴在近磁尾触发之后，磁场偶极化峰面向中磁尾传播.     

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6.08×107eV/(cm2·s·sr·eV)、5.75×107eV/(cm2·s·sr·eV)和3.91×107eV/(cm2·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Bz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.     

基于Van Allen Probes EMFISIS波动仪器观测的内磁层下频带哨声合声波全球分布的统计分析

基于Van Allen Probes近三年的EMFISIS仪器波动观测数据,对内磁层下频带哨声模合声波幅度的全球分布特性对地磁活动水平的依赖性进行了详细的统计分析,着重研究下频带合声波平均场强幅度随磁壳值L、磁地方时、地磁纬度的分布特征及不同强度区间的合声波的发生概率.结果表明,下频带合声波的波动强度与地磁活动密切正相关,处于强磁扰期间的合声波具有更大的振幅,其发生率与地磁活动强度具有同样的正相关特性.下频带合声波主要发生于午夜至下午的磁地方时区间,其余的磁地方时时段下频带合声波较弱.赤道面附近的下频带合声波主要分布在夜侧至黎明这一时段内,随着磁纬度的增加逐步向日侧扩展.下频带合声波在午夜侧(21-03 MLT)主要出现在15°的磁纬范围内,在晨侧(03-09 MLT)可以到达15°磁纬甚至更高纬度.下频带合声波主要发生于L=~4.5的附近区域.随着地磁活动的增加,下频带合声波所覆盖的L-shell空间区域增大,趋势为向高、低L值区域同时扩展.建立的下频带哨声合声波的全球分布模型将有助于进一步深入理解该重要磁层波动对辐射带电子的波粒作用散射效应和对辐射带动力学过程的定量贡献.