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.      

高纬极区电离层中离子声波谱线增强的解释

大量的实验研究表明, 在顶部极光区电离层, 利用EISCAT非相干散射雷达和Millstone Hill雷达可以观测到不对称、增强的离子声波谱线. 考虑到低能H+离子束沉降到背景电离层, 以及电离层顶部O+离子的外流事件, 采用含有场向热流项的双麦克斯韦分布描述H+离子束的分布函数, 进而基于离子－离子双流不稳定性理论来解释增强的离子声波谱线. 场向热流的引入可以减小离子声波谱线的不对称现象, 这样得到的结果更符合实际.      

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.      

近地磁尾方位角流期间的场向电流增强

以往研究表明,地向高速流在近地磁尾可演化为方位角流,电离层内的方位角流和极光膨胀活动发生时,通过磁力线追踪到近地磁尾等离子体片的对应部分通常为地向和方位角高速流.通过对2016-2018年THEMIS卫星计划中THA,THD,THE三颗卫星同时观测到的数据进行分析、甄别后,在筛选出的62个事件中挑选一个典型的方位角流事件,与过去单颗卫星在不同时间段内的观测数据统计平均给出的结果进行对比分析发现,三颗卫星同时观测到的数据与过去单颗卫星在不同时间段内观测数据的统计平均结果存在较大差异.通过比较此事件期间等离子体流在xy平面的流场图发现,场向电流的大小与三颗卫星同时观测到的流场剪切度有较好的相关性.研究结果表明,方位角流期间近地磁尾和电离层通过场向电流耦合时,场向电流并不是在一个较宽的磁地方时内均匀分布,而是在一个局域化区域及较短的时间内产生强场向电流,这可能是由于方位角流在xy平面内的强剪切而造成的.      

地球磁层极尖区场向电子事件期间能量特性研究

根据Cluster卫星2001年9月30日在北半球极尖区观测到的一次强扰动场向电子事件数据,分析研究了这次事件期间场向电子的能量特性,讨论了场向电子对太阳风能量向磁层的传输和磁层-电离层耦合过程中能量传输的作用.分析认为,这次电子扰动事件期间电子速度和密度都具有很强的扰动变化,电子速度增加是一个主要特点.本次事件中低能段5~200eV和500~1500eV内的能谱分析结果表明,上行电子通量大于下行电子通量,上行电子主要来源于电离层,说明电离层上行电子在本次事件中具有非常活跃的作用.根据电离层中带电粒子的能量特征分析结果可知,这次事件中电离层起源的上行电子在上行过程中得到了加速.关于加速机制问题还有待深入研究.      

极光区电离层特性和磁层—电离层耦合

本文用EISCAT雷达的综合资料,分析了磁静条件下极光区电离层的季节、昼夜变化,与磁扰时的特殊形态进行了比较,讨论了磁层-电离层耦合对电离层形态的影响.     

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％。     

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。      

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.      

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.      

极区顶部电离层离子上行的太阳活动依赖性研究

利用第23太阳活动周DMSP F12,F13和F15卫星数据,分别对南北半球极区顶部电离层离子上行的太阳活动依赖性进行了研究.结果表明,南北半球上行事件对太阳活动的响应特征基本一致,即高（低）太阳活动时,离子上行通量以及上行数密度较大（小）,但是上行速度及上行发生率较低（高）.以南半球高纬为例,计算得到离子上行通量、数密度、速度及发生率在高低太阳活动条件下的比值分别约为2.26,3.35,0.71,0.51.对离子上行太阳活动依赖性的可能原因进行了分析.不同太阳活动水平下,光致电离及高能粒子沉降的差异会导致电离层离子密度的不同,而电离层离子密度的变化会改变离子elax-elax中性大气之间的碰撞频率,这是影响离子上行发生率的一个重要原因.      

On high-altitude electric fields in the auroral downward current region and their coupling to ionospheric electric fields

The downward field-aligned current region plays an active role in magnetosphere–ionosphere coupling processes associated with aurora. A quasi-static electric field structure with a downward parallel electric field forms at altitudes between 800 km and 5000 km, accelerating ionospheric electrons upward, away from the auroral ionosphere. Other phenomena including energetic ion conics, electron solitary waves, low-frequency wave activity, and plasma density cavities occur in this region, which also acts as a source region for VLF saucers. Results are presented from high-altitude Cluster observations with particular emphasis on the characteristics and dynamics of quasi-static electric field structures. These, extending up to altitudes of at least 4–5 Earth radii, appear commonly as monopolar or bipolar electric fields. The former occur at sharp boundaries, such as the polar cap boundary whereas the bipolar fields occur at softer boundaries within the plasma sheet. The temporal evolution of quasi-static electric field structures, as captured by the pearls-on-a-string configuration of the Cluster spacecraft, indicates that the formation of electric field structures and of ionospheric plasma density cavities are closely coupled processes. A related feature of the downward current is a broadening of the current sheet with time, possibly related to the depletion process. Preliminary studies of the coupling of electric fields in the downward current region, show that small-scale structures are typically decoupled from the ionosphere, similar to what has been found for the upward current region. However, exceptions are also found where small-scale electric fields couple perfectly between the ionosphere and Cluster altitudes. Recent FAST results indicate that the degree of coupling differs between sheet-like and curved structures, and that it is typically partial. The electric field coupling further depends on the current–voltage relationship, which is highly non-linear in the downward current region, and still unrevealed, as to its specific form.     

The exit of the photoelectron flows from the ionosphere of the Earth after X-ray burst

The process of the disturbance formation and evolution in the ionosphere of the Earth with a pulsed source of X-ray radiation is studied. The region of altitudes H > 100km, where nonlocal effects are essential, is examined. The formation of current system developed by noncompensated photoelectron flows is studied in detail. Time characteristics of the photoelectron flows leaving the ionosphere are calculated. A possibility of the plasma turbulence excitation by these fluxes is analyzed.     

太阳活动低年广州地区地磁扰动与电离层闪烁的统计特征分析

基于肇庆地磁台的地磁监测数据和广州气象卫星地面站建立的华南地区GPS电离层闪烁监测网的监测数据, 统计分析了2008年7月至2010年7月太阳活动低年期间广州地区地磁扰动与电离层闪烁的关系. 用肇庆台地磁水平分量H的变化量换算出肇庆地磁指数K, 以此来代表广州地区地磁扰动情况.分析结果表明, 磁暴/强地磁扰动对广州地区电离层闪烁的发生总体表现为抑制作用, 电离层闪烁主要发生在低K值期间, 而在K ≥ 4时电离层闪烁的发生呈下降趋势. 电离层闪烁发生率随季节和地磁活动的变化规律表现在, 春季的弱闪烁发生率、夜间中等以上闪烁发生率和夏季中等以上闪烁的发生率明显与地磁活动指数K相关, 即随$K$指数的增大而减小; 在秋季和冬季闪烁发生率与K指数变化无明显关系. 同时还综合分析了地磁与太阳活动的变化对电离层活动的影响, 广州地区闪烁主要发生在太阳活动较低的磁静日期间.      

来自电离层的尾向流对近地磁场位形的影响

探测一号(TC-1)卫星的观测结果表明,尾向流能够拉伸近地磁尾的磁力线,从而导致磁场位形改变.尾向流具有垂直于磁场的速度分量,这种垂直磁场的速度分量会导致磁力线向尾向拉伸,磁场的结构由偶极型变为非偶极型.而随尾向流的终止,地向流的出现,磁场的结构由非偶极型变为偶极型,磁力线恢复原状.另外在磁场的结构由非偶极型变为偶极型的过程中,伴随磁能的释放热离子温度的迅速升高,温度由各向同性逐渐趋向各向异性.其次,观测结果显示来自电离层的尾向流对磁场By分量有重要的影响,能够引起磁场By分量的显著增强.上述分析结果表明来自电离层的尾向流对近地磁尾动力学过程有着重要的影响.      

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.     

地球磁层亚暴统计分析

利用AL和AE指数对第24个太阳活动周发生的亚暴事件进行统计分析.主要统计了关于磁层亚暴的强度,亚暴初值与恢复值的关系,亚暴持续时间,亚暴恢复相与增长相（包括膨胀相）持续时间的关系等.统计结果表明:在第24个太阳活动周中2008-2016年发生的亚暴事件大部分比较剧烈,其峰值大都在200～1200nT;初值和恢复值大都在30～100nT,并且事件占比符合正态分布;大部分亚暴都能恢复到亚暴初值60nT以内,并且差值越小,事件的占比越大.大部分亚暴的持续时间较长,在100～400min之间,其中增长相（包括膨胀相）持续时间均在120min以内,并且持续时间越长,其事件占比越小;大部分亚暴事件的恢复相持续时间在60～300min之间,并且呈现出正态分布特征.绝大多数亚暴事件的恢复相持续时间为增长相持续时间的10倍以下,其中约一半亚暴事件的恢复相持续时间为增长相持续时间的1～4倍.这说明亚暴的能量聚集速度约为能量释放速度的1～4倍.      

Multi-point observations and modeling of subauroral polarization streams (SAPS) and double-peak subauroral ion drifts (DSAIDs): A case study

While subauroral polarization streams (SAPS) are well recognized as representatively one of the most important features of magnetosphere-ionosphere (M-I) coupling processes in the subauroral region, the double-peak subauroral ion drifts (DSAIDs) is a newly recognized ionospheric phenomenon, categorized as a subset of subauroral ion drifts (SAIDs). In this study, we investigate both SAPS and DSAIDs that appear during the storm main phase of the 17 March 2015 event through a combination of multi-point observations and numerical simulations. We find that when SAPS/DSAIDs are observed by the DMSP spacecraft near the dusk subauroral region, strong electric fields are detected minutes later by the Van Allen Probes almost in the same conjugate region near the equatorial plane. Numerical simulations are carried out not only to reveal the global context and dynamic evolution of the SAPS in both the magnetospheric and ionospheric systems, but also to aid the understanding of the effect of conductance on the DSAIDs. Our results confirm that SAPS are indeed associated with Region 2 field-aligned currents (FACs) flowing into the low conductance region. On the other hand, the DSAIDs may be related to the double-conductance-trough in the subauroral region.     

电离层中释放六氟化硫的流场及试验效应模拟

在电离层中释放六氟化硫时，释放初期的六氟化硫流速及流量等条件是影响释放效应仿真的重要因素，对仿真结果的准确性具有一定的影响.传统的六氟化硫释放引起的电离层效应仿真中并未讨论.基于Fluent流场仿真软件，针对不同释放初始条件并结合六氟化硫容器的结构，对六氟化硫释放过程中温度、压强以及喷口流速、流量等参数变化情况进行仿真计算，得到了以上参量在释放过程中的变化情况，并将其作为电离层化学物质释放三维动力学模型的初始参数，获得了更加精确的六氟化硫电离层释放效应仿真结果.