等离子体鞘层效应对磁层探测电场仪设计的影响

在空间环境探测中,卫星与等离子体的相互作用会改变背景环境的粒子和电位的分布,从而影响探测器对空间电场的测量.为了给磁层卫星电场探测仪器的研制和设计提供参考,本文以中国未来的磁层电离层探测为背景,针对不同轨道高度的等离子体环境,利用SPIS (Spacecraft Plasma Interaction Software)...     

能量粒子进入磁层的数值模拟研究

来自行星际的能量粒子进入磁层的过程一直是磁层研究的热点,也是空间天气研究关注的焦点之一,而以往的工作大都集中在讨论不同行星际条件下粒子进入磁层的统计规律.本文在T89磁层模式的基础上,建立了太阳能量粒子进入磁层运动的程序,计算了几种不同能量的质子从不同方位角入射到磁层的运动轨迹.模拟结果表明,能量粒子沿着磁力线方向才可能穿越磁层到达地球表面,越偏离这个方向,则越早被反弹.能量越高的粒子进入到地球磁层上空的角度范围越大,但仍然只有沿着磁力线入射的粒子才能到达地球表面.这些结果与理论预言是一致的.      

1993年9月12—14日磁暴期间磁层—电离层耦合分析

采用具有明确物理意义的多个地磁指数，以及地面台站链观测的地磁和电离层参数，对一次典型磁暴期内从极光区到赤道附近电离层电流、电场演化发展的耦合过程作了具体分析．结果表明，地磁指数和观测参数能较好地说明磁层－电离层耦合理论结果的主要特征．     

基于MHD模拟数据的正午午夜子午面磁层顶位形研究

通过分析太阳风-磁层-电离层系统的三维全球磁流体力学(MHD)模型的计算数据, 给出了正午-午夜子午面磁层顶位形的定量模型. 分析表明, 正午-午夜子午面磁层顶位形可以用文献[3]提出的基于卫星观测数据的、描述赤道面磁层顶位形的函数来描述. 与赤道面磁层顶不同, 正午-午夜子午面磁层顶位形更为复杂. 在忽略极尖区(cusp)的简化条件下, 磁层顶位形仍需利用两条曲线来拟合. 太阳风动压Dp与行星际磁场分量Bz是控制磁层顶位形的主要因素. 行星际磁场为北向时, 磁场增强, 日下点距离r0增大; 行星际磁场为南向时, 磁场增强, 磁层顶日下点距离r0减小. 整体而言, 行星际磁场分量Bz由南转北时, r0增大, 且Bz对r0的影响减弱. 太阳风动压Dp是控制磁层顶日下点的主要因素, Dp增大, r0减小. 磁层顶位形的另一个参数磁层顶磁尾张角α, 随着行星际磁场南向分量增强而增大, 即磁层顶张开程度更加显著, 更多的磁通量由向阳侧传输到夜侧; Dp增大, α略增大, 这意味着Dp对磁通量由日侧向夜侧的传输也有一定的贡献.     

MMS星座对磁层顶磁通量绳内离子惯性尺度结构的观测

利用MMS观测数据,对磁层顶通量绳内离子惯性尺度（d_i）的结构进行分析研究.结果发现,许多不同尺度（约1d_i至数十d_i）的通量绳内都存在具有d_i尺度的电流 j _m,其方向在磁层顶局地坐标系的-M方向,即与磁层顶查普曼-费拉罗电流同向,由电子在+M方向的运动（ v _em）携带.这些电流结构具有以下特征：磁鞘与磁层成分混合,磁场为开放形态;离子去磁化,电子与磁场冻结;N方向（即垂直于磁层顶电流片方向）的电场 E _n显著增大,幅度达到约20mV·m^-1,并伴有明显的尖峰状起伏,该增强和尖峰状起伏的电场对应于霍尔电场.分析表明,电流、电子与离子运动的偏离以及霍尔电场之间遵从广义欧姆定律,三者密切关联.进一步对磁层顶磁重联的探测数据进行分析发现,在很多重联区内也存在与通量绳内相似的结构,其尺度约为d_i量级,其中霍尔电场 E _N、电流 j _M和电子速度 v _eM均与通量绳内对应物理量的方向相同且幅度相近.基于上述观测事实,采用经典FTE通量绳模型,对通量绳内电流、电子运动和霍尔电场的起源进行了初步探讨,认为其来源于磁层顶无碰撞磁重联区内的相应结构,并且后者在离子尺度通量绳的形成过程中起到重要作用.     

太阳风向磁层输入电磁能量研究

利用全球磁流体力学（MHD）模拟结果,通过确立包含磁层顶的太阳风流线内边界来识别三维磁层顶位形,并以极尖区位置作为磁层顶日侧与夜侧的分界线,在此基础上定量研究了不同条件下穿过磁层顶向磁层内输入的电磁能量. 研究发现,磁层顶的能量传输与太阳风条件密切相关,磁重联是控制电磁能量传输的重要机制. 结果表明,当IMF（行星际磁场）南向时,极尖区后方的磁尾附近存在电磁能输入最大值,当IMF北向时,电磁能输入最大值发生在极尖区附近;南向IMF条件下,在IMF强度增大或太阳风密度增大时,磁层顶电磁能传输的电磁能量比北向IMF条件时增加更显著. 太阳风通过调节磁层顶面积间接影响到磁层顶能量传输大小. 研究还发现,北向IMF与南向IMF条件下穿过磁层顶的电磁能输入的比值范围约为10%～30%,此比值一定程度上反映了北、南方向IMF与地磁场磁重联效率的比值.     

自旋平台双球型电场仪数据校正方法

双球型电场仪通过测量两探针的电势差和间距获得空间电场.当电场仪应用于自旋平台时,因柔性伸杆扰动带来的双球位置偏差会影响电场计算结果.本文提出一种利用自旋平台上两个电探针的电场探测自洽特性对探针位置进行校正的方法,实现了对双球型电场仪在轨数据的校正.对探空火箭电场仪的实测数据处理过程是在消除平台对电场仪的干扰后,使用所提出的校正方法对测量电场的矢量大小和方向进行校正.通过将修正结果与未校正数据和理论模型数据进行对比,验证了方法的有效性.     

火星磁层顶形成和变化的理论研究

考虑太阳风动压与行星电离层中的带电粒子热压及磁压之和平衡,建立了有大气（电离层）的行星磁层顶形成的理论模型,结合卫星对火星的观测数据,对子午面内向日侧火星磁层顶位形进行了数值计算和分析,研究了火星磁层顶位形及其与太阳风动压之间的变化关系．结果认为,火星磁层顶位形与地球磁层顶相似．太阳风动压越大,火星磁层顶越靠近火星;太阳风动压越弱,火星磁层顶越远离火星．根据火星内秉磁矩从古到今逐渐减小的观点,探索了大尺度磁场（内禀磁矩）对火星磁层顶的贡献作用,结果认为大尺度磁场越强,火星磁层顶越远离行星．这对于进一步研究火星磁层的长期演化以及其他行星磁层的位形变化都具有重要的意义．     

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.     

太阳风--磁层相互作用的磁流体力学数值模拟研究

磁层位于地球空间的最外层, 太阳风与磁层的相互作用是空间天气变化因果链中承上启下的关键环节, 是揭示地球空间天气基本规律的关键科学课题. 地球空间由于时变、多成分、多自由度的关联相互作用,使得传统的理论分析变得非常困难. 数值模拟作为近几十年发展起来的一个新的研究手段,对地球空间的理论和应用研究产生了深刻的影响. 国际上磁层的全球MHD数值模拟工作开始于20世纪70年代末, 最初的研究局限于二维空间. 由于磁层内在的三维特性, 20世纪80年代三维MHD数值模拟工作兴起. 本文简要说明了三维全球磁层MHD (磁流体力学)研究的特点及现状, 给出了三维全球磁层模型的基本框架, 综述了行星际激波与磁层相互作用、大尺度电流体系、重联电压和越极电位、磁层顶K-H不稳定性等方面的太阳风--磁层相互作用的MHD数值模拟的研究进展.     

电场的标定方法

介绍了球载双球式电场仪、微火箭电场仪和地面旋转式电场仪等3种仪器的标定方法.电场涉及空间物理、空间环境和雷电及地震等多种自然现象的特征参数,对电场的探测或监测应用日益广泛.在我国目前尚未建立电场的国家标准和军用标准的情况下,通过研制的较简易的电场标定系统,对不同结构的电场仪进行标定,均获得了与理论计算相符的结果,为电场测量数据的可信度提供了依据.     

电网时间同步技术标准制定

电网时间同步系统对电力工业非常重要,制定电网时间同步技术标准也很重要。介绍了国家电力公司华东公司的企业标准《华东电网时间同步系统技术规范》的制定过程和主要内容,并对编制中问题及其改进加以讨论,指出制定标准货柜繁殖是电力时间同步网建设的第一步,需要各方面的协作努力,尤其是管理、培训等“软件”工作跟上去,才能使电网的时钟等“硬件”设备充分发挥作用。     

电推进羽流诊断中阻滞势分析器的快速处理算法

介绍了一种基于统计方法分析阻滞势分析器响应曲线的数据处理算法. 该算法可以在电推进诊断中快速提取待测粒子的环境参数. 通过对阻滞势分析器测量得到的U-I响应曲线物理性质的分析, 推导出以曲线中所有测量值为基础提取粒子温度和密度的统计处理算法. 以具体卫星电推进诊断中对阻滞势分析器的测量要求以及工程参数为例, 设计并进行了仿真模拟实验. 在设计要求的测量范围内, 利用本文算法得到的离子密度的平均误差为6.62 %, 粒子温度的平均误差为7.45 %. 通过分析算法运算量, 在实际工程中采用12 MHz主频的8031处理器可以在0.5 s内完成本算法全部处理过程.     

Effect of the Interplanetary Electric Field on the Magnetopause From Global MHD Simulations

The north-south component B_z of the Interplanetary Magnetic Field (IMF) and solar wind dynamic pressure P_d are generally treated as the two main factors in the solar wind that determine the geometry of the magnetosphere. By using the 3D global MHD simulations, we investigate the effect of the Interplanetary Electric Field (IEF) on the size and shape of magnetopause quantitatively. Our numerical experiments confirm that the geometry of the magnetopause are mainly determined by P_dB_z, as expected. However, the dawn-dusk IEFs have great impact on the magnetopause erosion because of the magnetic reconnection, thus affecting the size and shape of the magnetopause. Higher solar wind speed with the same B_z will lead to bigger dawn-dusk IEFs, which means the higher reconnection rate, and then results in more magnetic flux removal from the dayside. Consequently, the dayside magnetopause moves inward and flank magnetopause moves outward.      

用于压电料位计的微弱信号检测电路设计

设计了一种用于压电料位计的微弱信号检测电路,从防积分饱和电荷放大、带通滤波、精密检波、两级比较和逻辑控制五个方面介绍了其工程实现。能够实现单极性电源供电处理交流信号,实时监测料位计输出电荷大小,并转换为开关信号输出;具备灵敏度调节功能,可以根据不同物料的阻尼特性,有针对性地设置动作阈值;能够根据用户需要设置输出电平极性,提高了料位计的灵活性和适应性。结合理论计算、仿真分析和试验测试,验证了设计的合理性和正确性。     

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。     

电离层水平电场与风场的耦合模拟研究

设计了一个将电离层水平电场与风场耦合的模拟方案,研究了电流函数和风场在耦合前后的变化与差异. 研究发现,水平电场与风场相互反馈后,风场的变化比电流函数小. 经向风在白天有较明显的差异,夜晚的差异比白天小,主要出现在中高纬地区,并随高度的增加而增大,300km左右达到最大值,其后几乎保持不变. 纬向风有与经向风相似的变化,但纬向风耦合前后的差异比经向风小. 电流函数在耦合后有较大改变,两个涡旋强度都有较强增加,并且北半球的增强大于南半球,而夜晚差异较小. 结果表明,在研究的高度范围内,风场对电场的控制作用大于电场对风场的影响.     

基于里德堡原子相干效应的微波电场测量技术研究进展

近年来,采用里德堡原子的微波电场测量技术得到了迅速发展,获得了广泛应用。该电场探测技术是一项全新技术,可以将微波电场通过基本物理常数与频率测量直接关联,具有测量动态范围大、测量灵敏度高和测量不确定度小的特点,有望替代传统溯源路径,直接关联国际单位制（SI）。本文基于里德堡原子相干效应的微波电场测量技术原理,针对国内外微波电场的高准确度、高灵敏度和极化方向测量技术发展现状,和对微波电场测量的工程化光源系统,蒸气室探头的仿真验证实验和集成式蒸气室探头的设计研究等方面的相关进展做了详细介绍。     

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。