代数重建法反演环电流分布的初步结果

TC-2卫星携带了高能中性原子成像仪.在理论上可以根据对中性原子的探测通过反演获得磁层中环电流的空间分布.开发了一种新的反演技术和算法来反演环电流的分布.文中将层析成像技术引入反演环电流区离子分布,把磁层空间环电流区域划分为网格并依据层析成像常用的代数重建法反演环电流的分布.反演前后的电流离子分布具有一致性,证实了这种反演方法的可行性.通过对比反演结果与初始分布,模型通过较少的假设和简单的步骤就可以获得全面的环电流信息.      

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.      

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.      

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.      

伴随磁层稳态对流的磁暴及磁暴期间环电流的特征

参考活跃的磁层稳态对流标准，选取了2001—2017年12个伴随磁层稳态对流的磁暴，研究发现这些磁暴存在以下共性:有长达约10h的漫长主相；其SYM-H存在一个最小值的平台期，约持续3～10h；这些磁暴发生时，部分环电流持续位于昏侧，其持续时间和行星际磁场分量B_z的稳定南向驱动时间相等.此外，这些磁暴发生时，其平台期的环电流离子的寿命为2.4～5.5h，比一般的大磁暴事件中离子寿命长，且其寿命与平台期长短没有明显关系.伴随稳态对流的大磁暴发生时，环电流离子寿命长，环电流衰减慢，推测是稳态对流期间能量持续而稳定注入磁层导致的.      

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.      

由环电流的宇宙线效应验证二维对称环电流模型

本文利用不同纬度超中子堆记录的宇宙线强度, 对不同磁暴类型下环电流的宇宙线效应进行了分析。加强的西向环电流使宇宙线截止刚度下降, 在某些特大的磁暴中, 中低纬字宙线截止刚度下降可达1GV以上, 从而使宇宙线强度增加。利用二维对称环电流模式, 从宇宙线的角度计算了环电流的磁暴效应。与实际观测值的对比显示, 除非特大的磁暴过程, 利用该模式所得结果与实际观测符合得较好。      

电离层Es离子分布数值建模

从离子连续性方程和动量方程出发,比较全面地考虑了太阳光电离、星光电离、地冕电离、星际背景电离和流星离子流等电离源,综合分析Es层的主要动力学过程和光化学过程,以风剪切理论为基础,研究中性成分碰撞、电场作用、金属离子作用和分子离子作用等机制对离子分布的影响,建立了一维时变电离层Es物理模型.对离子产生率、垂直方向的离子速度在高度和时间上的变化进行仿真和计算,得到了在电场及风剪切作用下的离子密度剖面24h内的变化规律.根据建立的模型,以昆明相干散射雷达观测的径向风结果作为模型输入参考,仿真并得到了电离层Es电子密度的时空分布,据此反演出电离层Es临界频率f₀E_s.与昆明站电离层测高仪同时间观测的情况进行对比,结果比较一致,验证了建立的Es层物理模型正确性.      

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.      

1997年1月6—11日日地连接事件：对磁暴—环电流—对流电场的讨论

给出了1997年1月6—11日日地连接事件的太阳风和行星际扰动及由此产生的地磁扰动特征．利用这些资料对磁暴-环电流-对流电场的分析表明,磁暴主相（或环电流）的开始主要是IMF南向分量形成的对流电场直接驱动的结果;对流电场在磁暴主相的形成中有极为重要的作用;但在主相发展的不同阶段作用不同     

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.     

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.     

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.      

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...     

A solar wind driven model of geosynchronous plasma moments

We describe a tabular specification model of the density and temperature of ions and electrons at geosynchronous orbit as a function of magnetic local time and solar wind parameters. This model can be used to provide boundary conditions for numerical ring current models. Unlike previous specification models of geosynchronous plasma moments, this model is parameterized by upstream solar wind conditions. We find that solar wind parameters are a better predictor of geosynchronous ion density than magnetospheric indices, and as upstream parameters they are often more appropriate as model inputs since they causally precede the model outputs. Of the upstream parameters that were tested, the best predictors of geosynchronous conditions were the solar wind flow pressure and the magnitude and Z-component of the interplanetary magnetic field.