太阳周期活动对低高度内辐射带高能质子的影响

利用NOAA-15卫星1998年到2011年近13年的高能质子全向通量观测资料, 分析了一个太阳活动周内, 低高度内辐射带高能质子通量的分布变化特性及其物理原因, 比较了观测结果与AP8模型的不同. 研究表明, 低高度内辐射带高能质子通量与太阳活动水平的反相关关系与磁壳参数L值及磁场B值有关; L值越低, B值越大的空间点, 其高能质子通量与太阳活动水平的反向相关性越明显. 高能质子通量随太阳活动水平的变化存在明显滞后现象, L值越高、 B值越小的空间点, 滞后现象就越明显, 滞后严重时可以达到一年左右的时间; 这种滞后现象反映出低高度内辐射带高能质子的源与损失达到平衡是一个中长期过程. 通过与AP8模型计算结果的比较分析可以看出, 利用AP8模型时, 仅考虑地磁场长期变化对质子通量的影响可能会夸大低高度内辐射带局部高能质子通量的增强.      

热离子质谱分析仪的研制及定标

热离子质谱分析是空间等离子体探测的核心技术之一.热离子质谱分析仪采用了半球形静电分析器结合基于碳膜的飞行时间系统方案，是目前应用最广泛、最成熟的空间热离子质谱分析技术.热离子质谱分析仪解决了三项关键技术，即5mV高分辨扫描高压，10~20nm超薄碳膜处理以及30kV超高加速电压.分析仪原理样机在瑞士伯尔尼大学完成了定标试验，实现指标参数如下:能量范围为0.499eV~29.94keV，能量分辨率为10.5%；能够实现离子成分H+，He+，O+的分辨；视场范围为360°×8.4°，角度分辨率为22.5°×8.4°.基于热离子质谱分析仪的研制基础，可以进一步开发出更高质谱分辨、更大探测视场以及小型化的等离子体探测载荷.      

行星际磁场对磁尾场向电流发生率的影响

利用Cluster卫星的磁场和等离子体探测数据, 研究了行星际磁场(IMF)时钟角(clock angle) Φ和锥角(cone angle) θ对磁尾等离子体片边界层(PSBL)区场向电流发生率的影响. 当时钟角Φ >0时, 磁尾场向电流 的发生率较高, 这表明磁尾场向电流的发生与昏向太阳风条件更为密切; 当 90°<|Φ|<180°时, 场向电流的发生率较高, 这表明 场向电流的发生与南向IMF更为密切. 当锥角θ <30°时(即IMF与 日地连线夹角较小时)场向电流的发生率较低. 而当θ> 30°时, 场向电流在90°<|Φ|<180°的情况下发生率明显增大, 这说明南向IMF情况下, 场向电流发生率明显增大. 但是当|Φ|<90°时 (北向IMF情况下), 尽管θ很大, 场向电流的发生率并未明显增大. 当θ>70°时, 且在140°< < i>Φ<160°的行星 际磁场条件下, 磁尾等离子体片边界层区场向电流的发生率最大.      

火星等离子体环境探测

萤火一号(YH-1)探测器将对火星空间环境进行独立而深入的探测研究,探测各空间区域的等离子体特性及其对太阳风扰动的响应,以及火星离子逃逸过程,研究太阳风对火星水体损失的影响。为了实现这一目标,萤火一号搭载了等离子体探测包,包括2个离子分析器和1个电子分析器,具有较高的时间分辨率、能量分辨率,可以探测0.02～10 keV的离子、电子,同时能够对粒子的入射方向及1～44 au(1 au=9.1095×10~(-31)kg)质量范围内的离子成分进行分辨。本文阐述了萤火一号等离子体探测的科学意义,并对等离子体包的工作原理,仪器设计进行了介绍。     

环形液池热毛细对流的线性稳定性研究

对外壁加热的环形液池热毛细对流进行了线性稳定性分析.采用Chebyshev配点法对Pr=6.8、内外径之比为0.5、深宽比A范围为0.25～1.4的数值结果进行分析,发现流动的临界状态均为振荡形式,并且随着A的增大,临界雷诺数减小,相应的临界波数与振荡频率也呈减小趋势.能量分析结果表明,小扰动与基本流相互作用项较小,表面张力在径向做功与周向做功对小扰动的动能变化起主导作用.观察三者与液池深宽比的关系,发现A=0.8时表面张力在径向做功项达到极小值,周向做功项以及小扰动与基本流相互作用项达到极大值.      

朗缪尔探针在轨快速除污染技术研究

讨论了一种朗缪尔球形探针在轨快速去除表面污染的技术方法. 朗缪尔探针是空间等离子体原位探测的一项重要手段, 广泛应用于各种航天器. 探针传感器表面被污染时, 会造成探针I-V特性曲线失真, 从而导致探测获得的等离子体参数产生偏差. 通过试验验证了采用探针传感器加载高压的技术, 其可快速有效清除传感器表面污染, 确保朗缪尔探针在轨探测获得实时、准确的空间等离子体信息.      

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...     

磁拓扑结构对环型离子推力器放电性能的影响

为得到环型离子推力器最佳磁拓扑结构以有效提高推力器放电效率、降低放电损耗,对不同类型磁拓扑结构下的放电通道气体放电过程进行研究。采用PIC MCC数值计算方法对等离子体产生及运输过程进行数值模拟,分析磁场分布对等离子体密度分布、电子损耗率及放电稳定性的影响,结合统计结果,得到推力器放电性能曲线,最后进行试验验证。研究结果表明,相较多极场结构,环尖场磁构型能更好地约束电子运动,大幅降低其在阳极壁面损耗率,增加电子与中性原子碰撞概率,显著提高放电效率、降低放电损耗。     

中性气体释放人工产生气辉

电离层中分子性的离子与电子的复合要比氧离子与电子的辐射性复合快得多,因此火箭发动机产生的尾气和空间等离子体主动实验中主动释放的中性气体会对电离层有很大的影响,这么大的电离层扰动现象在过去的实验中经常可以观测到.根据中性气体在热层背景中的扩散方程,考虑电离层F区主要的离子化学反应,研究了H2,H2O和CO2气体在电离层高度上的扩散过程和电离层对所释放气体的响应,计算了气辉的体发射系数和发射强度.结果表明,中性气体在电离层高度上扩散非常迅速,在F区的一些高度上,主要正离子成分由O+转变为其他分子离子,且在释放过程中伴随气辉发射,发射气辉的波长和特征与释放物质的种类有关.      

太阳风中磁场重联离子扩散区的大尺度特征

利用ACE和WIND卫星2007年1月6日的联合探测, 在1AU附近发现了一个等离子体密度极低的Petschek-like重联喷流区. 该喷流区内部出现了非常明显的Hall双极磁场、等离子体密度下降区以及与Hall电流相符的低能段电子投掷角分布. 这些特征与重联离子扩散区的Hall效应非常吻合, 说明很可能在太阳风中观测到了一个离子扩散区. 分析表明, 与之相关的磁场重联为准稳态快速完全反向重联, 其扩散区以一对慢模波为边界, 空间尺度达到80个离子惯性长度, 表现出了大尺度重联的特征.      

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.     

低轨航天器弹道系数估算及热层大气模型误差分析

利用低轨（LEO）航天器在轨期间两行轨道根数（TLEs）数据,结合经验大气密度模型NRLMSISE00,反演计算得到其在轨期间的弹道系数B’,以31年B’的平均值代替弹道系数真值,分别通过标准球形目标卫星对比以及物理参数基本相同的非球形目标卫星对比,对弹道系数真值进行了检验;利用不同外形目标卫星弹道系数在不同太阳活动周内的变化规律,结合太阳和地磁活动变化,估计经验大气密度模型的误差分布. 结果表明,利用反演弹道系数31年的平均值来代替真值,其在理论值的正常误差范围内;大气密度模型误差在210～526km高度范围内存在相同的变化趋势,且模型误差随高度增加而增大;在短周期内B’变化与太阳活动指数F_10.7存在反相关性;密度模型不能有效模拟2008年出现的大气密度异常低. 以上结果表明,经验大气密度模型结果需要修正,尤其是在太阳活动峰年和谷年,此外,磁暴期间模型误差的修正对卫星定轨和轨道预报等也具有重要意义.      

Interaction of artificially injected plasma flows with ionospheric plasma

Results of rocket experiments on study of plasma flows (PF) artificially injected by sources separated from vehicles and their effect on medium parameters in ionosphere at altitudes 160:230 km are presented.PF were injected comprising lithium ions with velocities 1,2 x 10⁴ m/sec. and cesium-potassium ions with velocities (1,4–1,5)x10³ m/sec. Mass flow rate in case of lithium PS is 2 mg/sec, and in case of cesium-potassium PS is 0,2 g/sec. During experiments mass-spectrometer measurements of ion medium content in ranges of different ion masses were held, disturbancies of electric fields with frequencies up to 20 kHz and electron flows with energies 0,7keV, 4,6keV and over 40 keV were controlled at distancies from 150m to (500–600)m between plasma source and scientific equipment.     

哨声模合声波与地球同步轨道高能电子通量增强事件事例研究

局部加速机制是磁暴期间地球外辐射带高能电子通量增强事件发生的重要原 因. 此加速机制需要两个基本条件, 一是存在种子电子, 二是存在能与种子 电子产生共振的加速波动, 包括哨声模合声波. 通过对2004-2006年 Pi1地磁脉动持续时间与种子电子通量的相关性分析, 更明确提出Pi1地磁脉 动的持续时间可以作为种子电子通量的指示剂. 通过对三个磁暴事例地球同 步轨道的种子电子通量、高能电子通量及哨声模合声波变化情况的分析, 发 现在高能电子通量较强的事例中, 均观测到较高的种子电子通量和较强的 哨声模合声波, 这在一定程度上验证了哨声模合声波对种子电子的回旋加速 机制, 且合声波强度与高能电子通量有正的相关性.      

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.      

强震前异常电场激发声重波对电离层的影响

震前地震孕育期地表异常增强的电场,通过大气电导率传输到电离层高度.该异常电场通过非稳态局部加热,可以在电离层高度激发声重波.基于该理论,利用一维时变中纬电离层物理模型,模拟了该扰动源对电离层电子密度的影响.结果表明,重力波引起的中性风速度扰动对电离层电子密度分布影响甚微,该机理无法解释震前电离层异常扰动现象.      

磁尾等离子片中偶极化锋面的数值模拟研究

利用守恒型TVD格式对8波模型磁流体方程组进行数值模拟, 对磁尾中偶极化锋面的物理和演化特性进行研究. 构建了由BBF类型通量管机制产生的偶极化锋面数值模拟模型, 该模型由磁尾平衡模型、亚暴增长相模型和亚暴触发及BBF形成模型三部分组成. 数值模拟结果很好地再现了磁尾中BBF类型通量管机制产生的偶极化锋面特性. 伴随着高速 流的出现, 磁场B_z分量呈非对称双极变化结构, 即锋面前减小为负值, 在锋面上急剧增大. 当B_z增大到极大值后回落并趋于稳定. 随着偶极化锋面伴随地向高速流向地球运动, 偶极化锋面上B_z的变化越来越小.      

Diurnal variations of ion flux intensity on a synchronous orbit

The data from the synchronous-orbit satellites of the Gorizont series are used to study the dependences of the ion flux variation amplitudes in the synchronous altitude region (the diurnal behaviour) on particle energies and on the form and rigidity of the particle energy spectrum. The proton fluxes were measured in the energy range E 60–120 keV, and the [N,0]²⁺ and [C,N,0]⁴⁺ ion fluxes in the energy range E 60–70 keV/e.

The ratio of the diurnal variation amplitudes of the studied ions is shown to correspond to the similarity of their energy spectra in the E/Q representation. The magnetically-quiet time gradient of the distribution function F(μ,J,L) in the synchronous-orbit region is shown to be (∂F/∂L)=0 for the H⁺ and [N,0]²⁺ ions and (∂F/∂L) > 0 for the [C,N,0]⁴⁺ ions (at the values of μ corresponding to the examined energy ranges). During magnetically-disturbed periods the inner boundary of the (∂F/∂L)=0 region shifts to lower L and (∂ F/∂L) = O in the synchronous altitude region must be also for the [C,N,O]⁴⁺ ions.