地球的荧光屏效应

人类观赏极光已经有数千年的历史了,不过,一个根本的问题是,极光是如何产生的?太阳似乎是极光产生的原因之一。数十年来,太空科学家已经知道,在太阳活动较为旺盛的时候,极光的出现也较为频繁。在地球表面,我们可以藉由观测极光来监测太阳的活动。许多教科书将极光的成因,归咎于     

基于U-net的紫外极光观测极光卵形态提取

极光卵形态提取是极光研究的重要手段.如何提高强干扰背景下的紫外极光图像极光卵形态提取精度,目前仍是一个难题.本文提出一种基于深度学习语义分割模型U-net的方法,实现了对极光卵形态的高精度提取.在Polar卫星紫外极光观测数据的实验结果表明,该方法相比于已有算法精度更高,对完整型极光卵和缺口型极光卵图像均能得到更加精确的提取结果,特别是针对强日辉干扰、灰度不均匀和对比度低情况下的紫外极光图像时,该方法显示了明显优势.      

地球自转对北极黄河站观测日侧极光弧运动的影响

利用北极黄河站全天空极光数据,采用AACGM模型,将日侧极光弧映射到地磁坐标系,定量计算地球自转导致的极光弧运动速度.对于任意一条极光弧,其偏斜角定义为极光弧方向与当地地磁东西方向的夹角.研究发现,地球自转产生的速度由极光弧离开天顶的距离和偏斜角决定,其中偏斜角的影响更为重要,其还决定速度的方向.在4年的观测数据中,提取超过40000张出现极光弧的图像,计算极光弧偏斜角.计算结果表明,日侧极光弧的偏斜角随磁地方时增大而逐渐减小,并在大约10:00MLT（磁地方时）附近发生反转.由于偏斜角的反转,地球自转产生的极光弧运动在晨侧多为极向运动,到午后多为赤道向运动.相比午前,午后的运动更为明显,最大速度可超过300m·-1.      

极向运动极光结构和喉区极光光学观测特征的对比分析

利用中国北极黄河站高时间分辨率的三波段全天空成像仪极光观测数据,联合太阳风和行星际磁场等观测,分析了极向运动极光结构（PMAFs）和喉区极光的形成及演化特征.研究发现:一系列PMAFs与喉区极光事件同时出现在观测视野中,其中PMAFs主要发生在日侧极隙区极光卵赤道向边界的极向一侧,沿东西方向分布,点亮后向高纬运动;喉区极光紧靠PMAF一侧发生,从极光卵赤道向边界向低纬延伸,沿南北方向分布,点亮后向高纬偏西方向运动;观测期间PMAFs发生频率高于喉区极光;当PMAFs与喉区极光同时出现时,PMAFs可以与喉区极光几乎同时出现或略晚于喉区极光出现,持续时间较喉区极光短.观测结果表明:与PMAF相对应的磁层顶重联过程和与喉区极光对应的磁层顶凹陷导致的磁重联过程在日侧磁层顶上的相邻区域分别发生,两种极光事件的形成过程相对独立,可能不存在相互触发关系.      

北极黄河站极光亚暴期间低热层大气中性风研究

极光亚暴是地球空间基本的能量输入、耦合及耗散过程,其对低热层大气中性风的影响不容忽视,对这一问题进行深入研究具有重要意义.2010年11月,中国北极黄河站(78.92°N,11.93°E)安装了一台自主研制的全天空法布里-珀罗干涉仪(FPI)并开始进行正常观测,为中国首次获得了极光亚暴期间的FPI观测数据.根据2012年越冬期间的观测情况,对2012年11月12-14日及12月09-11日两个极光亚暴事件期间的数据进行处理,计算得到了5级干涉环对应的风场.亚暴期间风场变化与地磁活动变化的对比分析表明,风速的剧烈变化可能是由地磁活动剧烈扰动造成的.针对2012年11月13日00:00UT-02:00UT和2012年12月10日05:00UT-07:30UT的亚暴事件,将全天空相机拍摄到的极光图像与FPI干涉图像对应的视线风场进行对比分析.结果表明在极光活动中,视线风速加强的方向与极光弧的方向垂直,而在极光弧的平行方向,风速相对较小.      

亚极光区极化流发生期间电离层离子下行的统计

亚极光区极化流是地球磁层–电离层耦合过程中最重要的现象之一,对电离层具有重要的调制作用.多数情况下,亚极光区极化流发生时会伴随局地离子上行流动,目前已对其有充分的研究,但对离子下行的研究却甚少.本文分析了DMSP卫星在2001-2015年间16个地磁暴中的观测数据,在483个亚极光区极化流事件中找到102个离子下行事件...     

极光电激流中的暂态过程

本义分析了极光电激流建立阶段的物理过程，认为在此期间存在着一个正反馈，从而导致一种暂态过程的产生。使用一种简化的物理模型，模拟了极光电激流在建立阶段的物理过程，计算结果表明，极光电激流中的暂态过程确实存在，电流、净电荷和电导率在治极光电激流的方向上均存在着传播的阶跃结构.计算结果与有关观测资料符合得很好.     

基于紫外极光图像的极光电集流指数模型

极光电集流指数AE是描述地磁亚暴强弱的重要指标,且与极区磁层扰动及极光粒子沉降过程密切相关。因此,建立更加准确的极光电集流指数模型对空间天气的研究具有重要意义。利用1997年POLAR卫星紫外极光图像数据探究了紫外极光图像中极光强度IAP的空间分布与AE指数在不同季节的相关性,并在此基础上提出了基于紫外极光图像的AE指数模型。以网格化方法提取极光强度空间分布特征,采用广义回归神经网络,通过相关系数法和方差选择法构建Cor-GRNN和Var-GRNN两种AE指数模型,并针对冬至月份、夏至月份、分点月份3个季节分别进行训练。研究结果表明,AE指数与IAP具有相似的半年变化趋势,其相关性在不同季节差异较大。相比于太阳风驱动下的AE指数神经网络预测模型,基于极光图像的AE指数模型在ERMS和R2标准上均优于其他模型,其中归一化ERMS小于0.1,模型对于AE指数变化的可解释度提升了10%左右。     

喉区极光的机器识别

喉区极光是一种发生在电离层对流喉区附近的极光现象,是极光卵向低纬侧延伸出的南北向分立结构,其可能对应由磁鞘高速流与磁层顶作用引发的磁层顶重联过程.喉区极光研究对深入理解太阳风—磁层—电离层耦合过程具有重要意义.从长期观测所积累的大量全天空极光观测数据中准确高效识别出喉区极光结构,是开展喉区极光统计研究的基础.本文利用北极黄河站2003—2017年全天空成像仪的极光观测数据,建立了喉区极光图像标注数据集;基于密集连接卷积神经网络（DenseNet）对极光图像全局高维表征的自动学习,首次实现了喉区极光结构的机器识别.算法对喉区极光识别准确率达96%,且具有良好的泛化性能.研究表明基于深度学习的图像识别方法可用于从海量极光观测数据中自动识别喉区极光事件.      

暴时极光区热层大气焦耳加热与F区电离耗空的EISCAT雷达观测

利用ＥＩＳＣＡＴ雷达探测数据，分析计算了太阳活动高年夏季发生的一次强磁暴期间，极光区电离层对流电场、电导率以及焦耳加热速率等着重考察了Ｅ区热怪大气焦耳加热和Ｆ区离子摩擦增温与Ｆ区电子密度耗空的关系发现在下午东向极光电集流期间，电子密度最大耗空出现在Ｆ区３００－３２５ｋｍ高度，时间恰在积分的Ｅ区大气焦耳加热量大值和Ｆ区最大离子增温之后５－１０ｍｉｎ，耗空率达７０％。     

太阳表面的丝状物

2012年8月底，一个太阳丝状物突然抛到宇宙中，产生一次高能的日冕抛射物质。这个丝状物已经在太阳不断改变的磁场上存在了几天，有些还在2天后抵达了地球，造成地球磁层改变而产生炫丽的极光。     

黄河站和Tromso站亚暴期间热层风场观测结果

中高层大气风场探测对研究大气物理过程具有极为重要的意义，尤其是在极地地区，风场对大气结构的影响更为剧烈.针对亚暴期间中国北极黄河站和日本Tromso站上空OI557.7nm气辉层（低热层）中性风场，利用全天空法布里-珀罗干涉仪（all-sky Fabry-Perot Interferometer，all-sky FPI）探测气辉谱线的多普勒频移，反演气辉层的大气风场信息.结果表明，低热层风场平均水平在100m·s-1左右，热层风场在极地地区更为剧烈，纬度相对较低的Tromso站探测到的风速整体小于同期黄河站上空的风速.结合离子风数据，分析离子拖拽和焦耳加热对中性风的影响过程，发现极光亚暴不仅对低热层风场有增强作用，也有明显的抑制效果，但整体风向都垂直于极光弧变化.      

极光西向涌浪的二维模式(线性部分)

极光西向涌浪(WTS)被定义为磁层亚暴开始的重要标志, 它是伴随带电粒子沉降过程在极光带电离层出现的特定的极光运动形态.本文给出了极光西向涌浪的二维动力学模式, 亚暴开始, 伴随粒子沉降在电离层产生离子密度梯度(电导率梯度), 在背景电场中激发出低频漂移波, 它的传播给出极光西向涌浪运动的主要特性.      

极光带电急流产生声重波的效率

对大气中声重波的产生源的效率作了分析计算。结果显示,不同源的效率相差很大,而且还随频率、离原的距离和方向,以及不同的波动参量而变。对于极光带电急流产生声重波的源,即洛伦兹力和焦耳加热两个源来说,产生近场声重波的效率以洛伦兹为高、对于沿极光带电急流平面的运场区声重波而言,焦耳加热的效率高得多。但对垂直于极为带电流平面的速度波动则洛伦兹力的产生效率高得多;对于沿极光带电急流平面的法向的远场区内的所有声重波参量而言,洛地兹力的产生效率高得多。      

基于迁移学习的太空台风自动识别

太空台风是极盖区内一种新发现的大尺度亮斑状极光结构，直观表征了地磁平静期的一种堪比磁暴的太阳风能量注入现象，这更新了人们对太阳风–磁层–电离层耦合过程的认识，如何从海量星载极光数据中准确髙效识别出太空台风事件具有重要的科学意义。采用深度学习的方法，通过六种网络模型的对比，最终基于迁移学习和EfficientNetB2网络提出了一种太空台风自动识别方法。在2005-2021年美国国防气象卫星（Defense Meteorological Satellite Program,DMSP）上搭载的紫外光谱成像仪（Special Sensor Ultraviolet Spectrographic Imager,SSUSI）的观测数据中验证了该模型的有效性，识别准确率达到97.7%。研究结果表明，该方法可用于从海量星载极光观测数据中自动识别太空台风事件。     

基于深度表征学习的紫外极光卵图像聚类

极光受太阳风驱动的地磁亚暴等大尺度动力学影响，其形态及演化因不同的太阳风-磁层-电离层耦合作用可能表现不同。目前，极光卵及其形态的归类大多依据极光演化理论作主观定性分析，没有明确的分类标准，故难以借助统计分析方法和有监督分类模型开展客观定量研究。建立了基于深度表征学习的紫外极光卵图像聚类模型（MoCo-GMM），并利用空间环境参数设计了评估模型物理合理性的方法，在大规模POLAR卫星紫外极光卵图像数据上进行了实验，聚类结果不仅具有良好的簇内凝聚性和簇间分散性，且具备一定的物理可解释性，有效实现了基于图像的极光卵及其形态的客观归类。     

太阳"打喷嚏",航天器"躺枪"

人类的航天活动日益频繁,意味着需要应对的空间天气危害挑战越来越多. 幽幽的极光是独特的自然景观,一般情况下只有在南北极高纬度地区的人们才能有幸一览其芳华.极光的出现需要3个条件:大气、磁场与高能带电粒子.太阳不断向太空抛射出带有巨大能量的带电粒子,当这些粒子来到地球附近时,被地球强大的磁场干扰,飞向南北两极,与大气分子...     

极区电离层不均匀结构与增亮极光薄层

磁层亚暴期间随着电子沉降到极区产生极光,一个磁层电场也投射到极区电离层,在电场会聚作用下形成不均匀离子薄层。本文解出稳态动力学平衡E_s层,并把它和反常的极光增亮薄层联系起来,与观测结果比较。      

ICME期间磁暴的太阳风参数和极光沉降能量

基于1995-2004年ICME驱动的强烈磁暴(SA型)、强磁暴(SB型)和延迟型主相暴(SC型)三种磁暴类型,对1AU处太阳风动压、太阳风速度、行星际磁场、EK-L电场以及极光沉降能量进行时序叠加分析,并分别与-vBz耦合函数和Newell耦合函数进行对比.结果表明,三种磁暴在ICME到达前期的太阳风动压较稳定,背景太阳风、极光沉降能量、行星际磁场和磁层存在相对平静期. ICME到达前期SA型磁暴的背景太阳风速度、行星际磁场南向分量以及极光沉降能量的均值高于另外两种磁暴类型,这说明大型日冕物质抛射在ICME到达前就对行星际磁场、背景太阳风和HP产生了影响.磁暴急始后,SC型磁暴的EK-L电场斜率小,峰值延后且行星际磁场北向分量增强,这些都是磁暴主相延迟的表现,极光沉降能量随着行星际磁场转为南向而增加.     

夜侧极区电离层对流对行星际激波的响应

利用超级双子极光雷达网（Super Dual Aurora Radar Network,SuperDARN）高频雷达、北半球IMAGE地磁台链以及南极中山站的极光观测数据,研究电离层对流对2012年7月14日一个行星际激波扰动事件的响应.在18:10UT行星际激波到达地球并与磁层相互作用触发地磁急始和磁层亚暴,SuperDARN雷达观测到北半球夜侧极区电离层对流显著增强,观测视野覆盖黄河站的Hankasalmi雷达观测到从激波到达地球至18:33UT,电离层F层出现剧烈扰动,雷达回波数明显增多,并出现局部对流速度反转现象.18:33UT之后,观测到F层出现三块速度高达600m·s-1的逆阳运动不规则体.而与Hankasalmi雷达地磁共轭的南半球Kerguelen雷达探测到的回波主要来自E层,回波数量几乎无变化,但是Kerguelen雷达观测视野内的中山站全天空光学成像仪观测到极光活动显著增强.南北半球夜侧电离层观测结果的差异,主要是由于它们分别处于极夜和极昼.