极区粒子沉降能量变化及其形成机制研究

发布时间：2020-10-23 10:09

　　 极光卵是分布在磁纬60°到80°之间的环绕着磁极的带电粒子沉降区域。该区域伴随显著的极光现象。引发极光的沉降粒子通常称为极光粒子。除了卵状极光带,还存在一些中尺度的局地极光,它们部分或者完全与极光卵分离而独立存在。伴随极光的粒子沉降是连接磁层和电离层的纽带,研究极光卵和局地极光的形态和变化对解释太阳风-磁层-电离层耦合过程有重要的意义。以往受地面观测有限和粒子在轨观测的时空覆盖不足的影响,人们对极区粒子沉降能量的变化特征和形成机制的研究尚不够深入,包括沉降能量在极光卵的分配随太阳风、行星际磁场和地理条件的变化情况,以及沉降能量受太阳辐射和地磁活动的相对影响。近年来随着TIMED和DMSP卫星的发射,它们搭载的远紫外成像仪器提供了大量的极光观测数据,为开展上述研究提供了良好的时空覆盖。这些全球性的极光成像观测同时也探测到了形态丰富的局地极光,包括位于极光卵外的孤立极光,可为研究具体的太阳风-磁层-电离层耦合方式提供线索。基于以上背景,我们融合多个成像观测仪数据,如TIMED/GUVI,DMSPF16/SSUSI、F17/SSUSI和F18/SSUSI,聚焦于粒子沉降能量在极光卵内外的分布与形成机制,开展了以下研究:(1)首次开展多星成像数据的融合,并定量区分了地磁活动和太阳辐射通量对夜侧粒子沉降总能量的相对影响。利用了 TIMED/GUVI和多个DMSP/SSUSI仪器的多年的长期观测,获取了多个成像仪观测数据之间的相互校准系数,将这些观测数据融合在一起。在此基础上,按照不同的地磁活动水平(以Kp指数为代表)和太阳辐射水平(以F107指数为代表)将观测数据分类,以区分二者对半球沉降总能量的相对影响。结果表明,地磁活动宁静时期(Kp=1),夜侧的粒子沉降能量在太阳活动高年比太阳活动低年大幅减少,而随着地磁活动的增强(Kp=3),粒子沉降能量对太阳活动依赖性显著减弱。(2)获取了夜侧沉降能量在极光卵内的分配随季节、地磁活动和太阳活动的变化而演化的规律。通过分析DMSPF16/SSUSI卫星在2004-2015年期间对南半球极光能量通量的观测数据,发现在地磁宁静至小扰动条件下(Kp=4),冬季极光卵能量的分布受地磁活动的影响更显著,随着Kp指数的增加,冬季强极光能量倾向于沉降到午夜后的区域。而夏季极光卵能量受太阳活动水平变化的影响更显著,其原因在于我们发现的一个新的现象,即夏季极光在午夜前和午夜后区域后对太阳活动水平响应不一致,即午夜前极光随太阳活动增加而显著减少,然而午夜后极光随太阳活动的变化不明显。这些能量的分布和变化预期会影响高纬地区的热层和电离层,并进一步影响中低纬区域。(3)联合极光与波动观测并结合理论模拟,发现磁暴恢复相期间孤立质子极光,并揭示了其可能的波粒相互作用过程。该孤立极光出现在增强的太阳风动压和北向行星际磁场条件下,处于一个中等磁暴的恢复相期间,并同时出现在南北半球磁纬60°到65°之间,位于极光卵外侧,在南北半球分别被POES 19和DMSPF16卫星探测到。两颗卫星上的成像仪和粒子在轨探测器均捕捉到此次孤立极光事件。我们进一步的分析了同时期同地点的高能粒子在轨探测和地面EMIC波探测数据,并模拟了相同条件下等离子体层等离子体密度的变化。基于以上观测和模拟发现,该南北半球孤立质子极光很有可能是共轭的,且与以往大多数观测不同,主要由20keV到几百keV之间能量的高能质子沉降导致,未伴随明显的电子沉降。其形成原因可能是,增强的太阳风动压压缩环电流的高能离子,激发出EMIC波并与磁暴恢复相期间大量聚集的高能质子(20keV以上)相互作用,最终形成这一罕见的高能质子极光。本文的研究工作为人们理解粒子沉降能量分布提供了新的认识。极光粒子沉降能量的分布和变化,将显著改变极区焦耳加热能量的分布和变化。这些高纬能量的变化预期会显著影响电离层和热层。本文的研究为人们开展太阳风-磁层-电离层-热层耦合研究提供有利的基础,可为粒子沉降能量建模,以及强极光的探测和地基极光观测的选址等提供指导。我们在以后的工作中将会继续结合DMSP卫星和其他的卫星一起研究孤立极光事件,深入讨论这些事件涉及的太阳风-磁层-电离层耦合机制。结合电离层和热层观测,可进一步探讨极光能量分布的变化以及大尺度极光弧产生的电离层/热层效应,探讨具体的太阳风-磁层-电离层-热层耦合方式。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P353
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 带电粒子的运动
    1.2 极光产生的机制
    1.3 研究极光的意义
    1.4 极光强度分布以及极光卵外孤立极光的研究进展
    1.5 本文选题依据以及主要研究内容
第二章 极光的观测
    2.1 Polar卫星和IMAGE卫星成像观测
    2.2 TIMED/GUVI成像仪
    2.3 DMSP/SSUSI成像仪和DMSP/SSJ粒子在轨实测仪
    2.4 NOAA POES卫星粒子在轨实测仪
第三章 冬季夜侧粒子沉降总能量随太阳和地磁活动的变化
    3.1 极光随太阳和地磁活动变化的研究进展
    3.2 多个星载远紫外成像仪极光成像观测数据的融合处理
        3.2.1 星载远紫外成像仪观测极光数据的处理方法
        3.2.2 TIMED/GUVI和DMSP/SSUSI观测的极光能量的归一化
    3.3 夜侧极光卵内沉降总能量随太阳活动和地磁活动变化研究
        3.3.1 冬季夜侧粒子沉降能量随太阳和地磁活动变化定量研究
        3.3.2 午夜前后极光粒子沉降能量随太阳活动的变化
    3.4 本章小结
第四章 夜侧极光分布随太阳和地磁活动变化的规律研究
    4.1 极光随季节、地磁活动和太阳活动变化的一般规律
    4.2 DMSP F16/SSUSI的极光成像数据分析方法
    4.3 夜侧粒子沉降分析结果
        4.3.1 夜侧极光能量在不同季节受太阳辐射和地磁活动的影响
        4.3.2 午夜前和午夜后极光相对强弱的定量分析
    4.4 不同季节太阳与地磁活动影响粒子沉降能量的物理机制讨论
    4.5 本章小结
第五章 太阳风动压增强导致的孤立极光
    5.1 极光卵外孤立极光弧研究历史
    5.2 孤立极光的卫星观测结果
        5.2.1 孤立极光的卫星观测结果
        5.2.2 DMSP卫星观测到的孤立极光
        5.2.3 NOAA POES卫星观测到的高能质子沉降
    5.3 孤立极光的物理机制解释
        5.3.1 损失锥的改变
        5.3.2 EMIC波与环电流质子相互作用
    5.4 本章小结
第六章 工作总结与展望
    6.1 本文工作总结
    6.2 未来工作展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

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本文编号：2852894