中性原子成像探测的物理设计与仿真

研究了磁层-电离层-热层耦合星座(MIT)卫星计划中高能中性原子成像仪(NAIS-H)探测方案的原理设计和模拟仿真. 以双星中性原子成像仪设计思想为基础,依据MIT卫星计划的总体科学目标和磁层卫星的轨道环境及相应自旋姿态,给出中性原子成像仪的技术架构,并针对地磁偶极场的环电流模型进行了模拟仿真. 仿真结果表明,所研制的NAIS-H以其高时空分辨能力适用于监测和反演磁暴期间磁层等离子体的全球动力学过程.      

中性原子成像仪的定标测试

中性原子成像仪（NAIS-H）获取的高时空分辨率图像可为地球空间磁暴和亚暴过程的各类机制研究提供全景式的空间粒子分布数据,为磁层与电离层耦合、磁层能量耗散等MIT（磁层elax-elax电离层elax-elax热层耦合小卫星星座探测计划）科学研究任务提供重要的数据支撑.探测器的标定是研制过程的一个重要技术环节,是日后空间探测数据分析和反演基本依据.本文利用模拟信号源对中性原子成像仪原理样机的前端电子学系统进行了能谱定标,并利用电子加速器对标定的能谱进行了辐射测试验证.      

磁暴期间环电流离子中性原子成像的模拟与观测比较研究

采用已经建立的环电流离子解析模型,结合Chamberlain地冕中性层模型,研究了2004年11月一次大磁暴期间的环电流区域中性原子(ENA)图像.结果表明,模拟的ENA图像与TC-2卫星搭载的中性原子成像仪(NUAUD)的观测图像在方位角或地方时分布、高度或纬度分布和能谱分布方面存在一定的差异.如果依据磁暴发展的不同阶段来选择环电流离子模型的方位角不对称因子和通量最大方向的方位角,增大地冕中性层在低高度区域的密度或者考虑氢(H)以外的其他中性成分,改进注入边界处的离子能谱分布函数,且考虑不同种类环电流离子的比例随磁暴发展可能发生的变化,该模型有望产生更符合观测的模拟ENA图像.     

天问一号火星离子与中性粒子分析仪发布首个科学成果

天问一号环绕器有效载荷火星离子和中性原子分析仪(Mars Ion and Neutral Particle Analyzer, MINPA)用于探测行星际及火星空间环境中的离子和能量中性原子.在地火转移阶段,MINPA于2020年10月31日正式开机工作,获得了至2021年1月26日期间的太阳风监测数据.进入环火轨道后...     

磁层氧离子向磁鞘泄漏的机制和效应

１９９７年 １月 １０日磁暴期间， Ｇｅｏｔａｉｌ卫星在向阳侧的磁鞘中观测到了磁层氧离子突增事件．这些氧离子的出现和磁鞘中存在很强的南向行星际磁场有关．事件期间向阳面发生了准静态的磁重联，氧离子流存在由北向南的速度分量．通量突增过程具有逆向和正向能量色散现象，磁层内部只有氧离子有可能被梯度漂移输送到重联区，所以只有氧离子在磁鞘中持续地被观测到．估计氧离子的逃逸速率为 ０．６１× １０２３／ｓ，大约为环电流氧离子输入率的 ３３％．大量的环电流氧离子由磁层跑到了磁鞘，导致环电流指数 ＡＳＹ－Ｈ呈现明显的非对称性．     

环电流区能量离子分布特性研究

为了考察环电流区离子的分布情况,采用环电流粒子理论模式,对环电流中10-100 keV的离子进行了模拟研究.这个模式能够根据近地注入区外边界处离子的分布函数得出磁暴主相期间环电流中的主要成分H+,O+,He+3种离子的通量分布.计算结果分析表明,在其他条件相同的情况下,不同种类离子的通量分布的形态结构十分相似.电场强度对环电流离子通量的空间分布具有决定性的作用;晨昏电场强度越强,离子的通量越高;晨昏电场越强,环电流离子的内边界越接近地球.10keV的离子在电场相当弱的时候还是存在着连续的通量分布,但他们的形态和结构随着电场的变化有明显的变化.电场很弱时,离子分布主要集中于内外两个环带,离子通量在晨侧的更多一些,离子通量的最大值基本上是在比较靠近地球的环带上;随着电场的增强,离子分布的内外两个环带逐步合并,离子的分布逐渐靠近地球,通量分布的最大值也移动到了昏侧.环电流离子投掷角分布具有各向异性,投掷角在90°左右的时候,离子通量能达到最大值.      

三维试验粒子轨道法在磁层粒子全球输运中的应用

根据磁层粒子动力学理论, 通过偶极磁场模型验证利用三维试验粒子轨道方法模拟近地球区(r < 8R_e)带电粒子运动特征的可靠性. 在此基础上, 以太阳风和磁层相互作用的全球MHD模拟结果为背景, 利用三维试验粒子轨道方法, 对非磁暴期间南向行星际磁场背景下太阳风离子注入磁层的情形进行数值模拟, 并对北向行星际磁场背景下太阳风离子注入极尖区以及内磁层的几种不同情形进行了单粒子模拟. 模拟结果反映了南向和北向行星际磁场离子向磁层的几种典型输入过程, 揭示出行星际磁场南向时太阳风粒子在磁层内密度分布的晨昏不对称性以及其在磁鞘和磁层内的大致分布, 并得出统计规律. 模拟结果与理论预测和观测结论相一致, 且通过数值模拟发现, 行星际磁场北向时靠近极尖区附近形成的非典型磁镜结构对于能量粒子经由极尖区注入环电流区域过程有重要的影响和作用.      

IMF北向时太阳风粒子向磁层输运的试验粒子模拟研究

以ACE卫星实时观测数据驱动的全球磁流体模拟为背景场,选取2003年10月22－24日行星际磁场（IMF）持续北向的事件,使用试验粒子方法,对太阳风粒子向磁层输运的过程进行模拟研究,分析北向IMF下太阳风粒子注入磁层过程中粒子在磁层内的空间分布和时间演化特征。IMF北向期间,进入环电流区域的粒子在晨侧区域的密度大于昏侧,且晨侧的粒子分布范围更广。背阳面磁鞘中的太阳风粒子可以通过低纬边界层进入磁层,但很难通过南北侧磁层顶进入磁层。进入磁尾的太阳风粒子聚集形成冷而密的等离子体片（CDPS）,模拟中CDPS的空间分布和密度大小与观测数据符合。在IMF长时间北向期间,磁尾的粒子数量呈现随时间增长的趋势,并存在约20 min的小幅度准周期变化和约5~6 h的较大幅度的准周期变化。      

基于能量色散特征计算磁层顶重联位置的方法研究

磁层顶磁场重联是太阳风向磁层输入能量的主要方式.重联如何触发一直是空间物理研究的难点,其机制仍然有待深入研究.由于卫星穿越磁层顶时,很难恰好穿越重联发生的区域,因此难以观测到重联的触发条件.本文利用THEMIS卫星观测,确立了反演磁层顶重联点的方法.当重联刚开始发生时,卫星能够观测到离子的能量色散特征,可利用其计算卫星到重联发生位置的距离.沿着磁力线模型追踪该距离即可反演出磁层顶发生重联的位置.与其他方法进行了对比分析,结果显示本文方法比其他方法具有更高的精度.      

火星磁场产生的原因及其分布

构建了一个可以得到火星赤道面上磁场分布的模型. 模型根据卫星观测数据, 提出了火星电离层、磁层顶和磁尾电流片上都各自通有电流的假设. 由电流的连续性条件可知, 这三种背景条件下的电流之间满足一定关系, 即火星磁层顶上的总电流是电离层上的总电流与磁尾电流片上的总电流之和. 这些电流产生的磁场与太阳风磁场共同构成了火星赤道面上磁场分布. 通过计算发现, 采用这种磁场模型得到的结果与目前卫星所观测的结果以及与采用其他方法得到的结果符合得较好.      

Polar CEPPAD/IPS energetic neutral atom (ENA) images of a substorm injection

The CEPPAD Imaging Proton Spectrometer on the POLAR spacecraft has proven to perform very well as an Energetic Neutral (ENA) atom imager, despite the fact that it was designed primarily for measuring energetic ions in-situ. ENAs emitted from the ring current can be detected during storm- as well as quiet-time conditions and can be monitored continuously for many hours at a time when Polar is situated in the polar cap. In addition, we are able to routinely detect ‘bursts’ of ENA emissions in response to substorm-associated ion injections. In this paper, we present ENA images of a single such event together with global auroral imager data from the POLAR VIS instrument. LANL geosynchronous energetic particle data, and ground magnetic Pi2 data in order to establish that such bursts are indeed caused by substorm injections.     

日冕能量中性原子编码调制成像方法应用

针对空间天气活动机理、机制及规律等方面研究需要，Kuafu卫星计划提出对日冕中性原子进行成像观测.通过分析日冕中性原子观测的科学意义和观测方法，采用编码调制方法进行日冕中性原子成像，并依据科学指标完成了整个仪器初步方案设计和仿真计算.仪器测量的中性原子能量范围为0.5~6MeV，视场范围为360°×10°.利用高压静电偏转电极板去除测量范围内的带电粒子，仪器由m序列编码调制栅网与硅半导体构成的成像结构及电子学箱共同组成.编码成像方案和仿真计算奠定了日冕中性原子成像观测的技术基础，可为空间天气中长期规律及预报等研究提供技术手段.      

Remote sensing of the ring current using energetic neutral atoms

Energetic neutral atom (ENA) images of the storm-time ring current obtained from the ISEE-1 spacecraft provide information for a “zero-order” global model of the energetic ion distribution. With the assumption of isotropic pressure and magnetostatic, non-convective pressure balance, the global system of electrical currents driven by the ion pressure can be calculated using Euler potentials for the divergenceless current density. Radial pressure gradients drive azimuthal currents, and azimuthal pressure gradients drive radial currents. The radial currents cause current lines in the inner magnetosphere to close in the ionosphere, forming a “partial” ring current. The intensities and locations of these field-aligned currents driven into and out of the ionosphere resemble those of the observed Region 2 current system, but not all observed properties of the Region 2 system are reproduced by the “zero-order” model.     

用数值模拟的方法研究磁暴主相期间影响环电流分布特征的要素

环电流是距离地心2～7 Re的带电粒子围绕地球西向漂移形成的.环电流的增强将引起全球磁场的降低,反映了地磁暴的强度.磁暴主相期间,对流电场驱动等离子体片中的能量粒子经历E×B漂移与俘获注入环电流,进入损失锥的粒子沉降到大气中.本文采用磁暴主相期间环电流离子分布的模型,结合上述因素研究不同离子能量下对流电场对环电流离子通量的直接影响,以及强弱对流电场下环电流能量离子投掷角的变化,并从物理上阐述造成此种通量分布特性的原因.      

嫦娥四号能量中性原子观测揭示太阳风与月面相互作用新特征

与地球不同,月球暴露在太阳风中.太阳风注入到月面,与月壤相互作用,部分太阳风质子以能量中性原子(Energetic Neutral Atom,ENA)的形式被月表散射.另外,月球局部地区的磁异常能阻挡太阳风到达月面,并形成微磁层,成为月面天然的保护屏障.然而以往相关的观测数据都来自轨道器,月面的真实情况无从知晓.嫦娥四...     

日球层内外能量中性原子的探测

能量中性原子(Energetic Neutral Atoms, ENA, 简称能原子)是指在日球层内外空间, 拥有>0.1keV动能的原子.在此空间领域并没有温度>106K的中性气体, 但却充满动能>0.1keV的正离子.因此能原子A应该是A+离子与原地稀薄气体B原子或分子交换电荷所产生的, 即A++B→A+B+. 电荷交换涉及极小的动能变化, 新生的能原子A和离子B+基本上各自保持原有动能. 离子B+随即被当地磁场俘获, 能原子A则脱离磁场约束并携带其原属离子群的成分和能量信息而直线运动, 成为遥测空间等离子体的有效媒介. 美国人造卫星 IBEX (Interstellar Boundary Explorer) 直接探测得到来自日球层以外星际空间的能原子, 大幅延伸了利用能原子遥测空间等离子体的领域. 本文据此论述了空间能原子的发现, 综述了探测空间能原子的基本概念与实例、取得的主要成果、仪器设计和研制进展以及未来空间利用能原子遥测的发展趋势.      

Sources and losses of ring current ions: An update

The cleft ion fountain has been identified as a prodigious source of upflowing suprathermal ionospheric plasma. Modeling efforts have traced the path of these ions from the polar ionosphere along trajectories where the ions are energized to keV energies and deposited in the near earth plasma sheet. Mass and energy dispersion of these ions accounts in a natural way for the observed variation in heavy ion content of the plasma sheet. Observations of ion composition in the plasma sheet by the AMPTE and ISEE spacecraft establish that ionospheric ions dominate in the near earth plasma sheet but solar wind ions become significant tailward. The heavy ion content of the plasma sheet increases with both solar cycle and magnetic activity. Direct injection of ionospheric ions into the ring current has been observed in the outer plasmasphere. Several mechanisms for the direct injection of ions from the plasmasphere and ionosphere into the ring current have appeared. Estimation of ionospheric source strengths and residence times have led to an estimate of the magnetospheric densities that would result solely from an ionospheric outflow populating the magnetosphere. Estimated densities were quite reasonable even without inclusion of a solar wind source of ions. Ring current ions decay primarily via charge exchange with the hydrogen geocorona, however, the roles of pitch angle diffusion and Coulomb collisions in this decay process are being clarified.

Modeling and observations of ENA by the 1SEE1 spacecraft has led to a re-affirmation of the dominant role of charge exchange in ring current decay. Ion cyclotron waves contribute to ring current decay in the dusk bulge region. The role of low frequency. (< 1 Hz) ion cyclotron waves in the plasmasphere is still unclear. Other wave modes may be responsible for the pitch angle diffusion and subsequent loss of ring current ions. Coulomb collisional energy losses from ring current O⁺ to thermal electrons are sufficient to power SAR arcs and represent an energy sink for ring current O⁺ within the plasmasphere. Coulomb collisions may be important for decay of low energy (< 10 KeV) ring current ions in the plasmasphere.