發(fā)布時間：2020-10-23 10:09

　　 極光卵是分布在磁緯60°到80°之間的環(huán)繞著磁極的帶電粒子沉降區(qū)域。該區(qū)域伴隨顯著的極光現(xiàn)象。引發(fā)極光的沉降粒子通常稱為極光粒子。除了卵狀極光帶,還存在一些中尺度的局地極光,它們部分或者完全與極光卵分離而獨立存在。伴隨極光的粒子沉降是連接磁層和電離層的紐帶,研究極光卵和局地極光的形態(tài)和變化對解釋太陽風(fēng)-磁層-電離層耦合過程有重要的意義。以往受地面觀測有限和粒子在軌觀測的時空覆蓋不足的影響,人們對極區(qū)粒子沉降能量的變化特征和形成機制的研究尚不夠深入,包括沉降能量在極光卵的分配隨太陽風(fēng)、行星際磁場和地理條件的變化情況,以及沉降能量受太陽輻射和地磁活動的相對影響。近年來隨著TIMED和DMSP衛(wèi)星的發(fā)射,它們搭載的遠(yuǎn)紫外成像儀器提供了大量的極光觀測數(shù)據(jù),為開展上述研究提供了良好的時空覆蓋。這些全球性的極光成像觀測同時也探測到了形態(tài)豐富的局地極光,包括位于極光卵外的孤立極光,可為研究具體的太陽風(fēng)-磁層-電離層耦合方式提供線索�；�于以上背景,我們?nèi)诤隙鄠�成像觀測儀數(shù)據(jù),如TIMED/GUVI,DMSPF16/SSUSI、F17/SSUSI和F18/SSUSI,聚焦于粒子沉降能量在極光卵內(nèi)外的分布與形成機制,開展了以下研究:(1)首次開展多星成像數(shù)據(jù)的融合,并定量區(qū)分了地磁活動和太陽輻射通量對夜側(cè)粒子沉降總能量的相對影響。利用了 TIMED/GUVI和多個DMSP/SSUSI儀器的多年的長期觀測,獲取了多個成像儀觀測數(shù)據(jù)之間的相互校準(zhǔn)系數(shù),將這些觀測數(shù)據(jù)融合在一起。在此基礎(chǔ)上,按照不同的地磁活動水平(以Kp指數(shù)為代表)和太陽輻射水平(以F107指數(shù)為代表)將觀測數(shù)據(jù)分類,以區(qū)分二者對半球沉降總能量的相對影響。結(jié)果表明,地磁活動寧靜時期(Kp=1),夜側(cè)的粒子沉降能量在太陽活動高年比太陽活動低年大幅減少,而隨著地磁活動的增強(Kp=3),粒子沉降能量對太陽活動依賴性顯著減弱。(2)獲取了夜側(cè)沉降能量在極光卵內(nèi)的分配隨季節(jié)、地磁活動和太陽活動的變化而演化的規(guī)律。通過分析DMSPF16/SSUSI衛(wèi)星在2004-2015年期間對南半球極光能量通量的觀測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)在地磁寧靜至小擾動條件下(Kp=4),冬季極光卵能量的分布受地磁活動的影響更顯著,隨著Kp指數(shù)的增加,冬季強極光能量傾向于沉降到午夜后的區(qū)域。而夏季極光卵能量受太陽活動水平變化的影響更顯著,其原因在于我們發(fā)現(xiàn)的一個新的現(xiàn)象,即夏季極光在午夜前和午夜后區(qū)域后對太陽活動水平響應(yīng)不一致,即午夜前極光隨太陽活動增加而顯著減少,然而午夜后極光隨太陽活動的變化不明顯。這些能量的分布和變化預(yù)期會影響高緯地區(qū)的熱層和電離層,并進(jìn)一步影響中低緯區(qū)域。(3)聯(lián)合極光與波動觀測并結(jié)合理論模擬,發(fā)現(xiàn)磁暴恢復(fù)相期間孤立質(zhì)子極光,并揭示了其可能的波粒相互作用過程。該孤立極光出現(xiàn)在增強的太陽風(fēng)動壓和北向行星際磁場條件下,處于一個中等磁暴的恢復(fù)相期間,并同時出現(xiàn)在南北半球磁緯60°到65°之間,位于極光卵外側(cè),在南北半球分別被POES 19和DMSPF16衛(wèi)星探測到。兩顆衛(wèi)星上的成像儀和粒子在軌探測器均捕捉到此次孤立極光事件。我們進(jìn)一步的分析了同時期同地點的高能粒子在軌探測和地面EMIC波探測數(shù)據(jù),并模擬了相同條件下等離子體層等離子體密度的變化�；�于以上觀測和模擬發(fā)現(xiàn),該南北半球孤立質(zhì)子極光很有可能是共軛的,且與以往大多數(shù)觀測不同,主要由20keV到幾百keV之間能量的高能質(zhì)子沉降導(dǎo)致,未伴隨明顯的電子沉降。其形成原因可能是,增強的太陽風(fēng)動壓壓縮環(huán)電流的高能離子,激發(fā)出EMIC波并與磁暴恢復(fù)相期間大量聚集的高能質(zhì)子(20keV以上)相互作用,最終形成這一罕見的高能質(zhì)子極光。本文的研究工作為人們理解粒子沉降能量分布提供了新的認(rèn)識。極光粒子沉降能量的分布和變化,將顯著改變極區(qū)焦耳加熱能量的分布和變化。這些高緯能量的變化預(yù)期會顯著影響電離層和熱層。本文的研究為人們開展太陽風(fēng)-磁層-電離層-熱層耦合研究提供有利的基礎(chǔ),可為粒子沉降能量建模,以及強極光的探測和地基極光觀測的選址等提供指導(dǎo)。我們在以后的工作中將會繼續(xù)結(jié)合DMSP衛(wèi)星和其他的衛(wèi)星一起研究孤立極光事件,深入討論這些事件涉及的太陽風(fēng)-磁層-電離層耦合機制。結(jié)合電離層和熱層觀測,可進(jìn)一步探討極光能量分布的變化以及大尺度極光弧產(chǎn)生的電離層/熱層效應(yīng),探討具體的太陽風(fēng)-磁層-電離層-熱層耦合方式。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P353
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 帶電粒子的運動
    1.2 極光產(chǎn)生的機制
    1.3 研究極光的意義
    1.4 極光強度分布以及極光卵外孤立極光的研究進(jìn)展
    1.5 本文選題依據(jù)以及主要研究內(nèi)容
第二章 極光的觀測
    2.1 Polar衛(wèi)星和IMAGE衛(wèi)星成像觀測
    2.2 TIMED/GUVI成像儀
    2.3 DMSP/SSUSI成像儀和DMSP/SSJ粒子在軌實測儀
    2.4 NOAA POES衛(wèi)星粒子在軌實測儀
第三章 冬季夜側(cè)粒子沉降總能量隨太陽和地磁活動的變化
    3.1 極光隨太陽和地磁活動變化的研究進(jìn)展
    3.2 多個星載遠(yuǎn)紫外成像儀極光成像觀測數(shù)據(jù)的融合處理
        3.2.1 星載遠(yuǎn)紫外成像儀觀測極光數(shù)據(jù)的處理方法
        3.2.2 TIMED/GUVI和DMSP/SSUSI觀測的極光能量的歸一化
    3.3 夜側(cè)極光卵內(nèi)沉降總能量隨太陽活動和地磁活動變化研究
        3.3.1 冬季夜側(cè)粒子沉降能量隨太陽和地磁活動變化定量研究
        3.3.2 午夜前后極光粒子沉降能量隨太陽活動的變化
    3.4 本章小結(jié)
第四章 夜側(cè)極光分布隨太陽和地磁活動變化的規(guī)律研究
    4.1 極光隨季節(jié)、地磁活動和太陽活動變化的一般規(guī)律
    4.2 DMSP F16/SSUSI的極光成像數(shù)據(jù)分析方法
    4.3 夜側(cè)粒子沉降分析結(jié)果
        4.3.1 夜側(cè)極光能量在不同季節(jié)受太陽輻射和地磁活動的影響
        4.3.2 午夜前和午夜后極光相對強弱的定量分析
    4.4 不同季節(jié)太陽與地磁活動影響粒子沉降能量的物理機制討論
    4.5 本章小結(jié)
第五章 太陽風(fēng)動壓增強導(dǎo)致的孤立極光
    5.1 極光卵外孤立極光弧研究歷史
    5.2 孤立極光的衛(wèi)星觀測結(jié)果
        5.2.1 孤立極光的衛(wèi)星觀測結(jié)果
        5.2.2 DMSP衛(wèi)星觀測到的孤立極光
        5.2.3 NOAA POES衛(wèi)星觀測到的高能質(zhì)子沉降
    5.3 孤立極光的物理機制解釋
        5.3.1 損失錐的改變
        5.3.2 EMIC波與環(huán)電流質(zhì)子相互作用
    5.4 本章小結(jié)
第六章 工作總結(jié)與展望
    6.1 本文工作總結(jié)
    6.2 未來工作展望
參考文獻(xiàn)
致謝
在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王修云;劉峰;;若夠幸運,就能看見歐若拉[J];世界博覽;2016年24期

2 田葆寧,周學(xué)秋;極尖緯度午后極光嘶聲的極大發(fā)生率[J];南極研究;1996年02期

3 奚迪龍;極光吸收的日變化與季變化[J];南極研究;1988年02期

4 張順榮,資民筠,沈長壽;極光帶電導(dǎo)率的日夜變化對高緯電離層電場的影響[J];北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);1989年03期

5 宋禮庭;極光西向涌浪的二維模式(線性部分)[J];空間科學(xué)學(xué)報;1989年01期

6 木樨;;極地夜空中的璀璨光芒——極光[J];科幻畫報;2018年02期

7 莊洪春;極光帶電急流產(chǎn)生聲重波的效率[J];空間科學(xué)學(xué)報;1995年02期

8 廖晶晶;陳亮;毛伊敏;;極光帶下層區(qū)電雙層及密度空穴[J];強激光與粒子束;2011年10期

9 劉琴韻;;極光一瞥(節(jié)選)[J];小學(xué)生學(xué)習(xí)指導(dǎo);2018年Z1期

10 鄒鴻;肖佐;郝永強;朱文明;吳中祥;向宏文;;太陽寧靜條件下“資源一號”衛(wèi)星星內(nèi)粒子探測器數(shù)據(jù)分析[J];中國科學(xué)E輯:技術(shù)科學(xué);2006年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 周蘇;極區(qū)粒子沉降能量變化及其形成機制研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 廖晶晶;飛行器遠(yuǎn)尾區(qū)及極光帶下層區(qū)電雙層的分析研究[D];南昌大學(xué);2010年

本文編號：2852894