锡林浩特市火山地质公园平台山顶近地面大气电场变化特征

大气电场强度是大气电学的重要参数.大气电场的准确测量对雷暴和地震的监测、预警等具有重要的意义.利用2015年8月27日气球搭载大气电场仪测量近地面大气电场实验得到的电场数据，分析在特殊地形表面近地面500m高度内大气电场强度随高度的变化特征.结果表明:晴天条件下，火山喷发形成的熔岩平台山顶上空近地面大气电场强度随高度增加呈指数递减，大气电场的数值和变化范围均较大，尤其是近地面100m高度内，大气电场值达到1kV·m-1以上.此外，还通过经验公式得出了近火山灰石地表的大气电导率.受空气中重离子的影响，其电导率远小于全球大气电导率的平均值.实验结果丰富了在特殊地形下大气电场的测量结果，揭示了中国内蒙古锡林浩特地区火山山顶近地面大气电场强度随高度的变化特征.      

带电云对大气电场随高度变化特征的影响

大气电场与雷暴活动、气候变化、大气污染、太阳活动密切相关,在特殊地形上探测大气电场的高度分布对于大气电学的相关研究具有重要意义。2020年9月12日,中国科学院鸿鹄专项团队将大气电场仪搭载在探空气球上,在青海省海西蒙古族藏族自治州大柴旦地区进行了大气电场高度分布的探测实验。本文分析讨论了此次实验中用到的电场仪、实验过程及实验结果。大气电场曲线中间凸起的部分对应电场仪穿过带电云层,因此将其分为三段并分别进行拟合。探测实验及分析结果表明:在不同高度处大气电场的主要影响因素不同,其分布规律会存在差异。此外,带电云会使大气电场强度整体增大,但云层中大气电场的高度分布仍能较好地符合指数变化规律。      

西藏阿里地区的晴天大气电场特征

晴天大气电场是一个区域大气电场变化的基准场,是大气电场特性的研究基础。对于具有不同地质条件、地理环境和地形特点的区域,晴天大气电场特征具有明显区别。利用在西藏阿里地震台（80.12°E,32.51°N）安装的一台场磨式大气电场仪于2021年10月10日至2021年11月10日观测到的数据,通过对大气电场数据建模与分析,结合气象条件,得到西藏阿里地区23天晴天条件下的平均卡耐基曲线。经过平滑处理去除仪器噪声的波动,得到西藏阿里地区的晴天条件下的标准卡耐基曲线,进而与北京市昌平区十三陵观测台站（116.23°E,40.25°N）同期的晴天大气电场特征进行对比,并对其电场特性差异和原因进行了讨论。研究结果对分析高原地区晴天大气电场特征具有重要的参考价值和科学意义。      

晴天大气电场时空变化特征分析

利用子午工程5个大气电场观测站点近10年的近地面晴天大气电场观测数据,在年变化、季节变化、日变化三种不同时间尺度上进行了对比分析。结果表明:不同纬度站点的日平均晴天大气电场峰谷类型不同,且部分站点的波峰出现了逐年左移或右移的趋势;在电场幅值变化方面,位于中低纬度地区的站点呈现出逐年减小的变化特征,而位于中高纬度的站点呈现出逐年增加的变化趋势,且这种年变化均是线性的;多元回归分析表明,最大波峰出现时间与地理经度呈负相关,而与地理纬度呈正相关;各站点在近10年中均未出现明显的纬度效应;冬季的晴天大气电场日平均值水平较高,夏季较低,且各季节的日平均晴天大气电场最小值及最大值均近似呈正态分布;最小值及最大值在年度和季节两个时间尺度上的变化规律是基本一致的。这些研究结果揭示了晴天大气电场在不同时间尺度上的变化特征。      

大气电场综合观测设备的设计

大气电场反映了地球近地表大气对气象活动、太阳活动与地质活动的综合响应。实现大气电场与气象参数及地磁活动指数等参数的综合测量,对雷电活动、地质灾害和磁暴活动等的研究具有重要意义。 设计开发了一种大气电场综合观测设备,能够同时测量包含温度、相对湿度、风速和大气电场等多个参数,在大气电场探测原理的基础上给出了大气电场综合观测设备的详细设计和电场标定过程。 通过对该设备在北京市十三陵台站实测数据的分析,与中国科学院国家空间科学中心FAMEMS-DF02电场仪以及中国气象网发布的气象数据进行对比,结果表明各气象参数99%的时刻对应误差不超过±10%,平均误差不超过±3%,而电场数据的平均误差为±0.166 kV·m–1。      

雷暴期间次级宇宙线粒子强度瞬时变化研究

雷暴期间大气电场强度变化及其伴随的宇宙线粒子增长的研究, 对于理解大气电场对宇宙线次级粒子的加速机制具有极其重要的意义. 2006年4月至 8月期间, 西藏羊八井宇宙线观测站记录到了20多次雷暴事件. 分析了雷暴期间, ARGO实验scaler模式下次级宇宙线计数与大气电场之间的相关性. 结果显示, 雷暴期间大气电场剧烈变化时, 多重数n=1, 2的次级宇宙线计数率有明显增长, 增幅在1%～9%之间, 然而n=3, n≥ 4的次级宇宙线计数率增长不明显, 甚至没有增长. 该结果为进一步研究雷暴期间大气电场对次级宇宙线的加速机制打下了基础.      

由电离层电位所建立的大气电状态

本文在已知电离层电位分布下, 解析地计算了大气电位, 电场和电流强度的全球分布.结果表明, 在大气导电率随高度呈指数增加的情况下, 100km高度上的电离层电位, 几乎无衰减地扫到25km以下.大气电场较强的区域主要在20km以下的低层大气区, 其垂直分量比水平分量大4个数量级.而中高层大气电场较弱, 且两分量量级相当.本文还提出了一种考虑地面形状对大气电场影响的解析方法.      

雷暴电场对LHAASO探测面宇宙线次级粒子能量的影响

采用Monte Carlo方法，通过模拟研究了不同强度雷暴电场对LHAASO探测面宇宙线次级电子能量的影响.在电场作用下，电子的能量分布发生了变化.在低能段总电子数目增加明显，而在高能段电场的影响不明显.当电场强度为1700V·cm-1（大于逃逸电场）时，能量<120MeV的电子被加速，能量<60MeV的总电子数目呈指数增长（增幅高达约2252%），雷暴电场对次级粒子的加速机制与相对论电子逃逸雪崩机制（RREA）相符.当电场强度为1000V·cm-1（小于逃逸电场）时，能量<70MeV的电子被加速，其数目明显增加，但是增幅（约86%）远小于逃逸电场时的幅度.对电场强度小于逃逸电场时的雷暴电场加速宇宙线次级粒子的物理机制进行了讨论.研究结果可为理解LHAASO实验数据特点以及研究雷暴期间宇宙线强度的变化等提供参考.      

基于有限元方法的场磨式电场传感器标定装置优化设计

场磨式电场传感器常被用来测量特高压直流(HVDC)输电线路下地面合成电场强度.传统对其标定的方法存在标定装置体积较大、户外标定移动不方便的缺点.针对此问题研究了一种应用于特高压直流输电线路下地面合成电场测量的电场传感器便携式缩尺标定装置.基于有限元方法建立了传感器的三维电场模型,基于该模型对便携式标定装置的尺寸、结构等关键参数做出了模拟分析,在此基础上进行了便携式标定装置的结构参数的优化设计.将便携式缩尺标定装置与标准的标定装置进行了实验比较.仿真及实验结果表明该标定装置能够方便、准确地对场磨式电场传感器进行标定.      

行星际磁云边界层中的电子分布函数特征

基于WIND 飞船观测的1995---2006 年间的磁云事件, 研究了磁云边界层中电子的流动图样, 以及电子速度分布函数的特点与电子加热和加速的关系, 得出以下结果. ①磁云边界层中存在的电子流动图样, 包括各向同性、双向流动和单向流动等. ② 相比于背景太阳风和磁云本体, 通常情况下磁云边界层中电子分布函数的核心热电子成分 (E<60eV) 增多, 超热电子成分 (E>60eV) 在沿磁场垂直方向上增多, 而在沿磁场平行或反平行方向以单方向增加为主, 此外, 还在近1/10 的磁云边界层中观测到了高能电子的明显增多. ③对比研究了磁云边界层与磁云驱动的激波对电子速度分布函数的调制作用, 经过激波, 电子分布函数的超热电子成分在各方向上都有增加, 不同于磁云边界层中在沿磁场平行或反平行方向上超热电子成分以单方向增加为主, 表明二者有不同的形成机制. ④考察了磁云边界层中的波活动增强和电子分布函数及离子流量增加的对应关系. 上述观测和对比分析进一步表明了磁云边界层是一种重要的动力学结构, 磁重联是一种可能的形成机制.      

Advances in space research nonlinear dependence of Dst and AE indices on the electric field of magnetic clouds

Using the Dst and AE geomagnetic index values and parameters of interplanetary magnetic field and solar wind we have examined the geoeffectiveness of transient ejections in the solar wind, namely, magnetic clouds and high-speed streams. It is found that for magnetic clouds the dependences of indices on the solar wind electric field are nonlinear of different kind. In contrast to magnetic clouds, the dependence of Dst and AE geomagnetic index values on the solar wind electric field agrees closely with the linear one for high-speed streams. We suggest approximating formulas to describe dependences obtained taking into account the relation of the electric field transpolar potential to the electric field and dynamic pressure of the solar wind. We suppose that the interplanetary magnetic field fluctuations also contribute to these dependences.     

Possible influence of cosmic rays on climate through thunderstorm clouds

With decreasing of cosmic ray (CR) intensity caused by increasing of solar activity (SA) or in some short periods of Forbush-decreases, the intensity of secondary CR relativistic electrons decreases and the probability of formation of thunderstorm clouds and discharges between clouds or between clouds and ground is also expected to decrease. This will influence on weather and climate. In this case is very important to have more detail information on the atmospheric electric field distribution in the atmosphere, additional to information what gave now electric field sensors (EFS) only in about one point near the ground. We show that CR not only influenced on atmospheric electric field phenomenon, but can give practically continuous information on the atmospheric electric field distribution in the atmosphere. We extend our theory of CR atmospheric electric field effect on electron–photon, muon and neutron component including different multiplicities. We take into account that about 0.07 of neutron monitor counting rate caused by negative soft muons captured by lead nucleons and formed mesoatoms with generation of several MeV energy neutrons from lead. In this case the neutron monitor or neutron super-monitor works as analyzer that detects muons of only one, negative sign. It is very important because the atmospheric electric field effect have opposite signs for positive and negative muons that main part of this effect in the muon telescope or in ionization chamber is compensated and we can observe only small part of total effect of one sign muons. On the basis of our general theory of CR atmospheric electric field effects with taking into account of negative soft muon acceleration and deceleration in the Earth atmosphere (in dependence of direction and intensity of electric field) we discuss the possibility of existing this effect in CR neutron monitor counting rate and in different multiplicities and calculate the expected effects in dependence of atmospheric electric field distribution in the atmosphere. We show that the comparison of observed effects with theoretically expected will give important information on the value of atmospheric electric field and its distribution in the atmosphere. We consider also the possible influence of secondary relativistic electrons of CR and relativistic electrons precipitated from the Earth’s radiation belts on thunderstorms and lightnings, and through this – on climate change.     

Equatorial ionosphere–thermosphere system: Electrodynamics and irregularities

The equatorial ionosphere and thermosphere constitute a coupled system, with its electro dynamical and plasma physical processes being responsible for a variety of ionospheric phenomena peculiar to the equatorial region. The most important of these phenomena are: the equatorial electrojet (EEJ) current system and its instabilities, the equatorial ionization anomaly (EIA), and the plasma instabilities/irregularities of the night ionosphere (associated with the plasma bubble events – ESF). They constitute the major topics of investigations having both scientific and practical objectives. The tidal wind interaction with the geomagnetic field is responsible for the atmospheric dynamo electric fields, that together with the wind system, drives the major phenomena, under quiet conditions. Drastic modifications of these phenomena can occur due to magnetospheric forcing under solar-, interplanetary- and magnetospheric disturbances. They can also undergo significant modifications due to forcing by atmospheric waves (such as planetary- and atmospheric gravity waves) propagating upward or from extra tropics. This article will focus on the ambient conditions of the ionosphere–thermosphere system and the electro dynamics and plasma instability processes that govern the plasma irregularity generation. Major emphasis is given to problems related to the structuring of the equatorial night ionosphere through plasma bubble/ESF irregularity processes. Specific topics to be covered will include: equatorial electric fields, thermospheric winds, sunset electrodynamic processes, plasma drifts, EEJ plasma instability/irregularity generation, nighttime/post sunset plasma bubble irregularity generation, and very briefly, disturbance electric fields and winds and their effect on the ionization anomaly, the TEC and ESF/plasma bubble irregularities.     

中纬突发E层特性的模拟分析

从基本的连续性方程出发，并结合运动方程，运用特征线方法求解，在合理的动力学假设条件下，模拟金属离子的汇聚，即Es层的形成．模拟的结果在一定程度上证实了风剪切理论的合理性．通过改变风场和电场模式的输入参量，使模拟的结果体现出不同当地时、不同季节的金属离子汇聚情况，讨论了模拟Es层峰值密度对风场和电场的周日和季节变化的响应，其结果与统计得到的Es层出现率的时间分布特征相似．     

太阳发电机理论研究

太阳活动主要是由磁场产生的, 因此, 对太阳磁场性质和起源的研究具有重要意义. 太阳发电机理论主要研究的是太阳上观测到的与太阳活动相关的磁场起源、磁场特征、各种活动现象之间的相关性及其变化规律. 其是太阳物理学中有待解决的最基本、最重要的问题. 根据太阳黑子及太阳周期的相关观测, 介绍了构成发电机的基本要素, 具体描述了各种典型发电机模型, 并对其分别进行评述, 进而探讨了目前存在的问题及发展方向.