资源一号卫星星内粒子探测器与神舟二号X射线探测器对高能电子探测的比较分析

利用资源一号卫星和神舟二号留轨舱上搭载的高能粒子探测设备对2001年2～6月同一时段内的资料进行了对比分析. 神舟二号飞船X射线探测器的观测结果反映的空间高能电子的分布, 表明在400km的较低高度上, 地理纬度40°附近以及SAA地区也可以观测到数百keV的高能电子. 资源一号卫星的探测结果显示了在800km高度附近, 同一时段内若干兆电子伏特的高能电子的全球分布. 后者出现的最低地理纬度和相应的经度位置则和前者是一致的, 说明两个高度上高能粒子的分布仍然都受地磁场控制, 粒子主要来源于地球辐射带. 资源一号卫星高能粒子探测器的能挡与神舟二号飞船X射线探测器的能挡不同, 彼此可以较好地补充. 但由于神舟二号轨道倾角较低, 全面的对比也受到一定的局限, 在进一步深入分析现有资料的同时, 可以在本文基础上设计更好的联合探测方案.     

“资源一号”卫星星内粒子探测器对扰动事件的观测

本文比较了在太阳平静和扰动时期“资源一号”卫星星内粒子探测器对卫星舱内高能粒子的观测结果，发现在平静时期观测结果很好地反映了辐射带高能粒子在该高度上的分布情况.在扰动时期，粒子探测器观测到高能粒子分布出现重大变化，本文进一步讨论了影响高能粒子在近地空间分布的可能因素.     

电离层对台风响应的全过程的特例研究

作为特例研究，本文对1988年和1990年两次强台风影响期间的电离层多普勒记录及相应的台风资料进行了细致的相关分析，目的是利用多普勒记录的连续性优点来了解电离层对登陆（或近海）强台风通过声重波响应的演化全过程.分析表明，在这两次台风影响期间，电离层形态中除有明显的波状扰动（中尺度声重波）出现外，还有一些值得注意的新现象：波动的时间演化表现出明显的幅度逐渐增加以及频率由高频向低频转变，在振幅很大的情况下日落后同时出现扩展F（Spread F）现象，显示了声重波在激发电离层不规则结构方面的种子作用.这一演化过程与电离层中TIDs的线性传播理论一致，文中开展了对这一现象的非线性数值模拟，模拟结果基本上也与上述观测现象相吻合.     

非迁移潮作用下的电离层赤道异常区单峰现象及其经度分布

当喷泉效应较弱而双峰结构发展不充分的时候,可能在赤道异常区仅能够观测到一个电子密度的峰值,称之为单峰现象.本文利用CHAllenging Minisatellite Payload卫星在2001-2010年的电子密度数据给出了单峰的发生规律,单峰在地方时早上08：00-10：00和下午16：00-19：00发生率高,发生位置在经度上呈现多波数分布,尤其在10：00-18：00明显：在分季时多呈现四波,而在冬至季时以三波为主.单峰发生多的经度,正好对应着双峰的结构特征较弱之处.究其原因,是非迁移潮的DE2和DE3分量调制了背景风场和大气发电机电场,在电场和喷泉效应减弱的经度,双峰结构难以形成时,就会表现为单峰结构.本文扩展了对单峰现象的地方时、季节和经度分布等规律的了解,明确了非迁移潮在其中施加的影响,由此,单峰同双峰现象一样可以用于研究非迁移潮对热层-电离层的作用.     

利用中国GPS站网对地震波引发的大尺度电离层扰动的观测

地震瑞利波在沿地表传输时衰减很慢,其能量在远离震中的区域仍然能够激发大气和电离层扰动.本文利用中国境内的GPS接收机网络观测电离层总电子含量(total electron content,TEC),分析了 2011年日本地震后在中国区域上空产生的电离层扰动.研究发现,瑞利波的能量从地面经大气耦合传输到电离层高度,导致在中国区域上空电离层出现与瑞利波传播同步的TEC扰动.利用中东部的稠密接收机网络,还揭示了扰动的大尺度二维空间结构:瑞利波经过后产生的TEC扰动呈条带状,在中纬度地区沿西北—东南方向排列,而在低纬度大致为东西方向.条带的转向可能与地磁场作用下的中性-离子耦合过程有关,大气波动导致的等离子扰动倾向于沿磁力线方向(向南)传播,从而形成垂直磁力线方向(东西)的波前结构.这是首次在远离震中的区域使用GPS站网研究地震波耦合电离层扰动的大尺度二维空间结构.     

基于等离子体GCPM模型对电离层薄壳模型高度的仿真研究

在基于GPS数据提取电离层总电子含量(TEC)的过程中,电离层薄壳高度的选择对解算电离层垂直TEC的精度有很大的影响.但由于不可能获得一个真实的从电离层D层到GPS卫星高度的电子密度剖面,关于电离层薄壳高度的选择一直是基于GPS数据解算电离层TEC方法中关注的一个问题.本文利用等离子体GCPM模型,对太阳活动高年(2002)和太阳活动低年(2008)情况下电离层有效薄壳高度的选择进行了仿真计算.结果表明,最佳的薄壳高度在2002年为560 km,而在2008年为695 km.通过对全球八个具有代表性地点的仿真计算,揭示了有效薄壳高度更复杂的变化特点.在白天,最佳薄壳的高度变化不大(500 km至750 km);但在夜晚,最佳薄壳高度变化范围很大,甚至可以超过2000 km.此外,本文还对不同卫星仰角的情况下斜向TEC转换为垂直TEC的误差进行了分析,结果表明:随着卫星仰角的增加,薄壳模型带来的转换误差基本上是单调减少的.因而,在实际应用中,尽可能地采用大仰角的卫星数据有助于提高解算的电离层垂直TEC的精度.最后,对全球不同地点的电离层TEC的仿真研究表明,在电子密度水平梯度较大的地区,应用电离层薄壳模型时会导致电子密度较高处的TEC被高估,而电子密度较低处的TEC被低估,在分析基于GPS数据提取的电离层TEC空间变化时要认识到这一点.     

2001年4月2日太阳耀斑及其太阳质子事件的观测结果研究

2001年4月2日, 太阳爆发了一个近年来X射线通量最大的一次耀斑并伴有质子事件, 利用“资源一号”卫星星内粒子探测器和神舟二号飞船X射线探测器的观测资料, 对这一事件的高能粒子响应进行了特例研究. “资源一号”卫星运行于太阳同步轨道, 高度约800km, 和宁静时期的统计结果对比, 这次耀斑后, 星内粒子探测器在地球极盖区（地球开磁场区）观测到耀斑粒子的出现, 这是宁静时期没有的; 神舟二号飞船轨道高度400km, 倾角为42°, X射线探测器在42°中高纬地区也观测到高能电子通量比宁静时明显的增加, 这表明, 太阳耀斑引起的近地空间辐射环境的变化遍及纬度约40°以上的区域, 甚至在40°N附近400 km左右的高度上仍然有响应. 但是, 中高纬度、极光带和极盖区的粒子来源, 加速机制和响应方式却不一定相同, 需要分别讨论. 资料分析和对比还表明, 质子事件的强度并不一定和耀斑的X射线通量成正比, 因此, 近地空间高能粒子对耀斑的响应也不是完全决定于X射线强度.     

第24太阳活动周中纬度电离层低电离水平的观测研究

延续2008-2009年的太阳极低活动期,第24太阳活动周开始后太阳活动性上升缓慢,即使在趋近峰年时太阳极紫外(EUV)辐射通量的水平仍显著低于前几个活动周.比较第23、24周的太阳辐射水平,及日本国分寺和子午工程武汉站的电离层测高仪观测,发现第24周的太阳EUV辐射、电离层F区临界频率(f_oF₂)和峰值高度(h_mF₂)都显著低于第23周的同期水平;在较低高度上,偏低的EUV辐射带来的电子密度变化不明显,而峰值电子密度(N_mF₂)和0.1~50 nm太阳EUV辐射通量在多数时候都同步的偏低25%~50%;但是在夏季N_mF₂与EUV辐射的关联性较差,即N_mF₂的偏低在夏季较少.分析认为这与热层中性风的季节特点有关:在夏季午后,吹向极区的子午向风总是较弱,在第24周偏低的EUV辐射背景下,减弱的离子曳力使其他季节的极区向风得到增强,进一步促进了N_mF₂和h_mF₂的降低,使这一机制的效果非常显著.基于上述结论,在对第24周电离层进行预测预报时,需更多地考虑非直接电离机制的影响.总体而言,第24周的热层和电离层变化特征可能将有别于之前几个活动周的观测,并偏离人们在此基础上所形成的认识.     

用蒙特卡罗方法计算2004年7月电子暴事件对星上分系统的内部充电效应

在太阳的剧烈爆发事件期间,空间环境中的带电粒子能量和通量都得到显著增强,有时使卫星介质发生严重的内部充电而导致星上系统发生故障.但由于粒子与介质相互作用的过程较为复杂,以往一般采用粒子射入介质的经验公式对带电粒子在介质中的沉积进行模拟计算,而近年来蒙特卡洛方法逐渐成为能够进行更准确模拟的有效办法.本文以2004年7月底至8月初的空间天气事件为例,用基于蒙特卡罗方法的GEANT工具包模拟空间高能电子在卫星分系统的印刷电路板（PCB）中的沉积,计算由于内部充电效应造成的PCB内部电场的强度.利用该计算方法,并基于此次事件期间GOES卫星对空间高能粒子环境的监测数据,得到的计算结果表明这次事件期间的空间高能电子暴可能使星上介质发生显著的内部充电,并可能是此期间在轨航天器上发生的一些仪器运行异常的原因.本文采用的蒙特卡罗方法计算内部充电效应方法可以应用于对复杂位形和结构的星上系统的计算,结果可作为卫星抗辐射设计的参考,以有效应对灾害性的空间天气事件.     

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.