地球物理学报  2014, Vol. 57 Issue (11): 3493-3501   PDF    
我国空间物理研究进展
刘立波, 万卫星    
中国科学院地球与行星物理重点实验室, 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
摘要:经过多年的建设与努力,我国日地空间物理与空间天气领域的研究呈现蓬勃的发展态势.《地球物理学报》以空间物理为专辑,集中在2014年11期刊发38篇文章,涵盖了基于"子午工程"观测数据分析在内的空间物理和空间天气方面的一批最新研究成果.这些工作涉及电离层、中高层大气、地磁与磁层、太阳及太阳风等学科方向,还有两篇工作涉及行星空间环境.本文将从这五个学科方向简要地介绍收入专辑的这些工作.
关键词空间物理     空间天气     电离层     子午工程    
A brief overview on the issue on space physics and space weather
LIU LiBo, WAN WeiXing    
Key Laboratory of Earth and Planetary Physics, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
Abstract: The main objective of this special issue of Chinese Journal of Geophysics is to highlight Chinese recent findings in the field of space physics and space weather. The special issue mainly refers to some reports presented at a workshop on Data processing and scientific analysis based on the Meridian Project. However, the special issue is also open for normal submission. There are 38 articles published in this special issue after being subjected to peer-review by two reviewers. The subject of these investigations covers ionosphere, middle and upper atmosphere, geomagnetism and magnetosphere, solar activity and solar wind. In particular, we have two articles to report the findings in planetary space environment. In this article, we will briefly highlight the key points of these works published in this special issue.
Key words: Space physics     Space weather     Ionosphere     Meridian Project    

1 专辑背景介绍

进入21世纪以来,我国空间环境地基观测与研究工作开始有了快速发展.中国科学院日地空间环境观测研究网络和中国气象局电离层监测网相继建成,特别是在综合我国空间环境探测现有台站基础上,近期完成了空间物理重要科学工程——子午工程的建设.子午工程利用东经120°子午线附近,北起漠河、经北京、武汉,南至海南,以及东起上海、经武汉、成都、西至拉萨的沿北纬30°纬度线附近的15个监测台站,建成了一个以链为主、链网结合的,运用地磁(电)、无线电、光学和探空火箭等多种手段的监测网络,形成了对我国并延伸到两极地区的观测覆盖,大大加强了我国地基多层次和多角度的地球空间环境综合研究能力.

我国首台基于先进模块化相控阵设计理念的三亚非相干散射雷达正在筹备建设中,该雷达也是国际上首台位于低纬电离层赤道异常区附近的非相干散射雷达,探测范围将覆盖我国中低纬地区及南海地区,该雷达的建设将极大提高我国在低纬电离层的观测能力,并促进低纬大气层-电离层-磁层耦合的研究.

经过多年的建设与不懈努力,我国日地空间物理与空间天气领域的研究呈现蓬勃的发展态势.

2014年6月22—25日,中国空间科学学会空间物理学专业委员会在漠河召开了“子午工程数据处理与科学分析”专题研讨会.此次会议由中国空间科学学会主办,中国科学院地质与地球物理研究所、国家空间天气科学中心(筹)和中国空间科学学会空间物理学专业委员会承办.来自全国14个单位的53位代表在此次会议上就地磁观测与磁层研究、无线电观测与电离层研究、无线电及光学观测与中高层大气研究、以及空间天气数据处理与管理等进行了报告与交流.

在此次会议上,《地球物理学报》计划以空间物理为专题,采用专辑的形式,集中介绍包括“子午工程”在内的空间物理、空间天气方面的一批最新研究成果.

经过同行评议,2014年11期《地球物理学报》一共刊发有38篇文章.收录入本期专辑的这些工作涉及的学科方向涵盖了电离层、中高层大气、地磁与磁层、太阳及太阳风等学科,还有两篇关于行星及其卫星空间环境的工作.本文将根据学科方向,从五个部分来简要地介绍这些工作.

2 电离层物理与探测研究

地球上空约60~1000 km高度范围的电离层,是日地系统中能量传输和耗散的关键圈层,也是产生空间天气效应的重要区域.电离层所具有的变化性是空间物理学中的一个重大科学问题.作为一个耗散的动力学系统,电离层的变化主要为外部所驱动,因此,深入认识各种驱动因素的作用,并甑别不同驱动源的贡献,是研究电离层变化性的关键.

EUV与X射线波段的太阳辐射支撑了电离层中的光电离及相关光化学过程(Liu et al., 2011b).徐盛等(2014)基于涵盖约一个太阳活动周的电离层观测数据,对比分析了南极中山站及与其地理共轭的北极Tromso站和地磁共轭的Longyearbyen站对太阳活动的响应.他们的结果揭示出,太阳辐射电离产生的等离子体是这三个极区台站电离层F2层的主要来源.电离层F2层峰值电子浓度(NmF2)月中值总体上随太阳10.7 cm修正通量指数F10.7P(Liu et al., 2006)呈线性依赖特性,NmF2的响应存在日变化和季节变化差异,NmF2在Tromso站对太 阳活动响应线性最好,中山站次之,Longyearbyen 站最差.就对太阳活动的响应日变化而言,Tromso站最大值出现在地方时中午附近,Longyearbyen站出现在磁地方时中午,而中山站出现在地方时中午和磁地方时中午之间,这种差异主要源于地理/地磁纬度差异引起的光致电离与极区等离子体对流共同作用.就对太阳活动的响应的季节差异而言,响应强 度在Tromso站冬季最大,夏季最弱,而Longyearbyen 站和中山站出现在两分季,这种差异和这三个台站中性大气原子与分子成分之比R[O/N2]的差异有关.

在第23太阳活动周过渡到第24太阳活动周的期间,太阳活动极度宁静且持续很长时间,其太阳活动水平是最近数个活动周中最低的;其中,年无太阳黑子天数在2008年达266天,位居50年榜首,100年第二.极低的太阳活动条件下电离层成为相关研究的热点,是检验我们对电离层和太阳活动现有认知的极好机会(Liu et al., 2011a; Chen et al., 2011).有趣的是,相对其他太阳活动周,太阳活动总体水平在第24太阳活动周也比较低.于世美等(2014)利用武汉站和日本国分寺站电离层测高仪数据,通过与第23太阳活动周进行对比分析,发现第24太阳活动周的太阳EUV辐射、电离层F区临界频率和峰值高度显著低于第23太阳活动周的同期水平,认为热层和电离层的某些方面在第24周可能存在有别于之前几个活动周观测到的特征,并讨论了可能的机制.结果对深入了解电离层行为及其对太阳活动的响应有科学价值.

Chapman标高Hm是描述F2层电子密度剖面的重要参数,基于Hm可以构建顶部电离层电子浓度剖面.解海永等(2014)利用北京十三陵台站测高仪5年资料,分析了Hm的周日、季节和太阳活动变化,并探讨了其与F2层特征参数(临界频率foF2、高度hmF2 以及IRI底部厚度参数B0)的相关性.

沉降粒子在高纬电离层是一个重要电离源,E层电子密度会因此增强,在特定情形下,E层峰值电子密度甚至超过F层峰值电子密度,这种现象称为E层占优电离层(ELDI).沈格等(2014)利用2009—2011年EISCAT/ESR雷达的场向观测数据,统计分析了低太阳活动期间极区ELDI事件的主要特征,发现极区ELDI在冬季和早春发生率较高.EISCAT雷达(极光椭圆区纬度)观测到的ELDI多出现在磁午夜扇区,ESR雷达(极尖/极隙区纬度)观测到的ELDI多出现在磁正午附近.事例分析揭示出ELDI能分别由电子密度E层增强和F层耗空导致,统计结果却表明E层增强和F层耗空过程在ELDI的形成中均重要.

电离层O+离子上行是磁层O+离子的重要来源,在电离层-磁层耦合中起重要作用.基于DMSP卫星观测数据,周康俊等(2014)统计分析了发生在2001—2005年58个磁暴期间高纬电离层离子上行特征.他们发现,磁暴期间,电离层离子上行主要发生在极尖区和夜间极光椭圆区,且高速的离子上行(≥500 m·s-1)在南北半球表现出不同的时空分布特征.温度和O+密度变化分析表明:DMSP卫星磁暴期间观测到的上行离子更多地源于顶部电离层高度,电子增温起着重要的驱动作用.

极盖等离子体云块是极区一种重要的空间天气现象,备受关注.与日侧磁场重联对应的极区电离层高速流可能对舌状等离子体形成“切割”作用,形成极盖等离子体云块;另一方面,伴随磁场重联,极光粒子沉降会增强F层等离子体密度,又阻碍了“切割”效应.杨升高等(2014)利用一个极区电离层耦合模型,模拟了电场和软电子沉降共同作用下的F 层等离子体密度演化.模拟结果发现,“切割”效应在局部电离层电场超过一定阈值(80 mV·m-1)时能有效发生.

极区中层夏季回波(PMSE)是雷达接收到来自极区中层80~90 km 高度异常强的反射回波,有工作推测PMSE与尘埃粒子浓度之间存在着紧密的关系.徐芳轲和石雁祥(2014)在统计力学框架下,考虑了带电粒子与中性粒子间的碰撞以及对尘埃粒子的充电过程,推导出极区中层弱电离尘埃等离子体中的纵波色散关系,发现极区中层尘埃声波存在不稳定模式,可用于解释极区中层尘埃等离子体的分层结构是如何形成的.

非相干散射雷达是目前地面观测电离层最强有力的手段.在子午工程等支持下,我国首台非相干散射雷达在云南曲靖建成并投入了运行.丁宗华等(2014)介绍了曲靖非相干散射雷达探测的功率剖面与电子密度的初步结果.结合测高仪探测,初步分析了曲靖非相干散射雷达在电离层波动、夜间电子密度增强和暴时变化等研究中的可能应用.

近年来,采用低频星载合成孔径雷达(SAR)的目标探测是一个新的研究热点,但是,SAR成像受到电离层的影响,如背景电离层以及电离层不规则体散射可能影响距离向图像质量.王成等(2014)提出了基于SAR回波信号的三频相位自适应TEC反演新方法.考虑了不规则体多重散射效应引起的TEC估计误差,用于补偿电离层对距离向成像的影响,从而有效提高SAR距离向点目标图像质量.

利用GPS双频接收机接收GPS信号提取电离层总电子含量(TEC)已经成为一种重要的地基手段.在从斜路径TEC解算垂直TEC的过程中,需要确定卫星与接收机的硬件误差和电离层剖面分布模型,通常采用电离层薄壳近似.郭佳鹏等(2014)基于一个等离子体密度模型,以仿真方式研究了电离层薄壳近似下,电离层有效薄壳高度的选择对解算电离层垂直TEC 精度的影响.建议尽可能地采用大仰角卫星数据提高在实际应用中电离层垂直TEC 的解算精度;揭示出有效薄壳高度在白天变化不大(500 km至750 km),但夜晚会在数百公里至超过两千公里的范围内变化.通过对全球八个代表性地点进行计算,在电子密度水平梯度大的地区应用电离层薄壳模型,在较高电子密度地区会得到高估的 TEC值,而在较低电子密度地区得到低估的TEC值.

随着北斗卫星导航系统的投入使用,全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Systems,GNSS)得到进一步发展和完善.在中国地区,GNSS用户能够接收到超过30颗的卫星信号,将极大地推进中国地区电离层研究,在开展电离层空间天气的监测、预警和卫星定位导航电波修正中发挥重要的作用.熊波等(2014)首次使用北斗、GLONASS和GPS三种GNSS系统的接收机对电离层进行联合探测,利用反演算法提取了电离层TEC参量,并应用于电离层TEC地图、行进式扰动、不规则体结构以及太阳耀斑的电离层响应等方面的研究.

电离层变化的空间相关尺度是进行电离层数据同化的重要参数之一.姚璐等(2014)利用美国喷气动力实验室(JPL)的电离层TEC地图产品,采用统计学中相关距离的定义,通过计算TEC与月均值偏差及其空间相关系数矩阵,分析了2008年和2011年TEC与月均值偏差的空间相关性特征,发现在中国区域电离层TEC与月均值偏差的空间相关呈现椭圆形高斯分布特征,表现为在纬线方向的特征尺度大于沿经线方向.

GNSS技术为重构电离层电子密度三维结构提供了一种新途径.但是,由于GNSS射线的高度角较大,加之地面测站数量的有限性及分布不均匀性,导致基于GNSS的电离层层析成像技术呈现不适定性.在电离层层析成像中,自适应联合迭代重构算法是一种具有较快收敛速度的迭代重构算法,但是要求高精度的迭代初值,因而该方法的应用受到了限制.闻德保等(2014)提出了一种约束自适应联合迭代重构算法,通过附加合理的平滑约束,降低了重构区域内没有观测信息的格网对迭代初值精度的依赖,从而有效地提高了反演结果的精度.赵运超等(2014)以一个电离层经验模式为背景场,利用卡尔曼滤波方法对三频信标TEC进行反演,从而获得了在纬度和高度二维分布的电离层电子密度.

COSMIC卫星星座进行的电离层掩星观测已经成为一种获取全球电离层信息的有效新手段,有必要分析其反演得到的电离层峰值参数在中国区域的精度和可靠性.孙凌峰等(2014)利用2012年漠河站、武汉左岭站和海南富克站垂测仪探测的电离层最大密度(NmF2)和高度(hmF2)参量数据,比较了与COSMIC反演探测的相关性.结果表明,两种探测方式得到的电离层特性参量存在有较高的相关性,相关的程度依赖于所在纬度和季节.其中,NmF2的相关性高于hmF2的,这印证了Hu et al(2014a2014b)的结果.尽管在NmF2的相关性高于hmF2的相关性,hmF2的相对误差却比NmF2的小得多(Hu et al., 2014a),认为COSMIC卫星获得的峰值高度精度高于峰值浓度.存在这种差异的原因在于如何用合适的方程来表征两种观测手段获得的特征参数间的关系.

大功率无线电波对电离层密度和温度的改变是电离层领域的一个重要应用方向,也是一个有趣的科学问题.人们关注利用地基大功率高频电波加热引起的电离层扰动.我国在挪威利用欧洲非相干散射雷达协会(EISCAT)的大功率加热和诊断设施在2011年11月开展了一次电离层加热试验,UHF雷达探测到大空间范围内出现了电子密度明显增强现象.程木松等(2014)利用电子分布函数与等离子体线谱间的关系,仿真了加热实验中观测到的等离子体线谱,认为超热电子是引起电子密度增强的可能机制.

孟兴和方涵先(2014)基于电子能量方程和连续性方程,以数值方式计算发现入射到电离层的大功率无线电波,由此所引起的低电离层电子密度和温度扰动.假设在南京地区发射大功率无线电波,他们考察了所引起的扰动.通过与等离子体相互作用,能够有效造成电子温度的升高,电子密度和温度的扰动幅度随着加热持续时间增长而减小,电子温度和密度扰动的弛豫时间分别为μs和ms量级.

与地震相关的震前和震后电离层异常,已成为地震和电离层领域的一个研究热点.杨许铂等(2014)基于大气层-电离层电动力学理论,推导出了球面坐标系中电离层异常电场方程,在考虑各向异性电导率基础上,建立了一个地震电离层异常电场模式.利用这一模式,数值模拟了中低纬度地震电离层异常电场特性,发现附加电流引起电离层异常电场范围比自身在地表上的分布范围大的多,发生在低纬地区的异常电场主要是纬向.

3 中高层大气物理与探测研究

高层大气波动,如重力波,其传播特性是大气物理的重要研究内容之一.王翠梅等(2014)统计分析了中国低纬地区中层-低热层重力波的传播特征.从海南富克和广西桂平两个台站OH全天空气辉成像仪两年多的观测资料中,分别提取出65个和86个重力波事件,重力波的周期、水平波长和水平相速 度分别分布在4~14 min,10~35 km和20~90 m·s-1 范围;重力波在夏季表现出很强的东北向传播,在冬季主要沿东南和西南向传播.大多数重力波在中层-低热层中表现为耗散传播,背景风场的滤波作用和多普勒频移可能对纬向传播的重力波各向异性起重要的调制作用,非均匀分布的波源和潮汐变化影响经向的各向异性.

梁晨和薛向辉(2014)利用2007—2012年COSMIC卫星的平流层温度剖面,提取了垂直波长在3~10 km的重力波扰动信息,来分析全球平流层大气重力波的分布特征.结果显示,重力波在赤道地区低平流层表现出准两年变化,在35 km以上(高平流层)区域为半年变化;在中高纬度重力波活动表现为冬季强夏季弱.30 km以下重力波活动较强的区域,主要在赤道地区且与强对流区分布基本吻合;在30 km以上区域,重力波活动的强度分布与平流层爆发性增温以及极夜急流有关.

通过探测真空紫外辐射来反演电离层是星载光学探测方式之一.风云三号卫星上将搭载电离层光度计来探测OI 135.6 nm和N2 LBH带的气辉辐射.电离层O+与电子的辐射复合过程中可产生135.6 nm辐射,在夜间,其强度与电子密度的平方随高度的积分值成正比.江芳等(2014)考虑该波段辐射会受到大气中氧原子对其多次散射的影响,采用迭代法求解了包含多次散射及大气吸收衰减的辐射传输方程,建立了135.6 nm夜气辉的辐射传输模型,还进行了基于135.6 nm夜气辉的柱发射率获取电离层NmF2及TEC的反演尝试.

光学观测是获取高层大气特性参数的重要手段.胡国元等(2014a)介绍了武汉大学扫描式Fabry-Perot干涉仪(FPI)的研制情况,并与同址流星雷达在98 km 高度上的测风数据进行了比对,还详细分析了FPI 测风系统的精度.他们建议,在FPI 仪器设计之初,就考虑标准具通光孔径和成像物镜焦距的合理组合,认为实际测风误差依赖于元器件的加工和安装精度,以及反演的算法.

通常认为,相对于水平风而言,热层垂直中性风很小,而且测量的难度也导致相关的观测非常缺乏.胡国元等(2014b)提出了一种从F-P干涉图中提取垂直中性风的方法,该方法不需要假设垂直风均值为零,也无需限制FPI的观测方位.采用该方法从北极黄河站全天空FPI观测反演获取垂直风,得到 高热层与低热层的垂直风平均幅值分别为40 m·s-1和15 m·s-1,存在日变化和与地磁活动水平相关的变化.

通常认为,相对于水平风而言,热层垂直中性风很小,而且测量的难度也导致相关的观测非常缺乏.胡国元等(2014b)提出了一种提取垂直中性风的方法.采用该方法进行了从北极黄河站全天空FPI观测获取垂直风,得到高热层与低热层的垂直风平均幅值分别为40 m·s-1和15 m·s-1,存在日变化和与地磁活动水平相关的变化.

热层大气密度是重要的高层大气环境参数,是影响航天器在轨飞行的重要参数.在国际上已经存在多个高层大气经验模式,评价这些模式在地磁暴条件下对热层大气密度的描述能力是在空间天气应用中合理运用这些模式的前提.李永平等(2014)利用中国星载探测器和CHAMP卫星在轨获得的大气密度探测数据,分析了NRLMSISE-00大气模式在2003—2014年强磁扰期间的描述能力.结果显示,强磁扰事件中大气密度出现强烈扰动,相对平静条件,大气密度增加显著;相对而言,现有大气模式给出的响应并不明显,因而需要改进空间天气条件下模式的描述能力.

4 地磁与磁层物理研究

认识电离层上行离子在磁层中的分布及其对磁层的影响,有助于理解磁层-电离层耦合过程.赵凯等(2014)利用第23太阳活动周下降相期间FAST/TEAMS仪器探测资料,计算了H+上行率和净上行积分能通量,来分析南、北半球高纬(>50°)电离层H+的上行强度.结果显示,H+上行强度在磁扰期显著加强,在南半球更明显;在平静期南半球的上行强度小于北半球,但磁扰期两个半球的上行强度相当.还发现磁扰期间H+上行率在极光椭圆带下边界附近增幅最明显,而积分通量在上边界附近增加显著.

孙晓英等(2014)利用OMNI等多颗卫星以及加拿大的8个中高纬地磁台站的观测数据,分析了 2005年8月24日强磁暴主相期间的强亚暴(ALmin~-4046 nT)事件特征.他们的研究表明,强磁暴主相期间的强亚暴具有与普通孤立亚暴明显的不同特征:强磁暴主相期间的强亚暴触发区更靠近地球,X~-6RE;地磁台站在中纬度观测到H分量出现明显的负湾扰,而孤立亚暴时中纬度H分量出现的是正湾扰;推断该亚暴事件很可能是近地磁尾不稳定性触发产生的.

以往模拟显示,低混杂波在磁场重联充分发展之前就消失.2003年5月15日,Geotail卫星在近地磁尾观测到磁场重联,卫星从尾向-南尾瓣侧穿越磁场重联耗散区到地向-北尾瓣侧的过程中,在磁场重联耗散区及附近区域,观测到存在强烈的低混杂等离子体波动的增强,其频率在低混杂频率附近,传播方向主要垂直于背景磁场.李世友等(2014)研究了这一磁场重联耗散区内的低混杂波,发现在磁场重联充分发展之后,在核心区域仍然存在增强的低混杂波.这一工作说明低混杂波贯穿磁场重联的整个发展过程,不同于等离子体模拟的结果.

超低频(ULF)波在亚暴过程中发挥着重要的作用;比如,局地ULF波可瞬时改变磁场位形及伴随的电流中断.马玉端等(2014)分析2004年8月3日近地TC-1卫星探测资料,观测到在磁尾 XGSM~-12RE的等离子体片内伴随着高速流的ULF 波.发现在高速流和振荡减速期间,ULF波的垂直分量振幅大致相当,而平行分量振幅在高速流时强.利用一个扰动双流模型计算了完全磁化离子横场漂移驱动的电磁不稳定性,认为需要考虑平行磁场的离子整体流速对不稳定性激发波频率的可能影响,以及伴随有高速流的 ULF波与不稳定性的相关性.

极光沉降粒子能够产生极区电离,改变高纬热层大气成份和极区电离层电导率分布,其部分能量也转化为极光和高层大气的内能.陈曦等(2014)基于2001—2008年NOAA极轨卫星数据,通过时序叠加统计分析,尝试从驱动磁暴的盔状冕流共转相互作用区(CIRs)、伪冕流CIRs和行星际日冕物质抛射(ICMEs)扰动源的角度来分析磁暴期间极光沉降能量(HP)值及其半球不对称.

磁静日的地磁场太阳周日变化叫做太阳静日变化,记作Sq,是重要的电离层电流体系.Sq电流体系的产生与太阳密切相关,因此太阳活动对Sq电流体系造成的影响是备受关注的.赵旭东等(2014)收集1996—2006年INTERMAGNET地磁台网全球地磁观测数据以及国家地磁台网中心的地磁观测数据,采用球谐分析建模方法,分离出Sq内外源的等效电流体系,分析了一个太阳活动周Sq内外源等效电流变化.他们发现,Sq内外源等效电流强度在太阳活动高年期间明显大,在太阳活动上升年和下降年期间小;季节上,等效电流最大强度出现在太阳活动高年期间两分点季,而其他年份在当地半球夏季;但是,Sq内外源等效电流焦点的纬度变化与太阳活动不存在显著相关.

刘晓灿等(2014)利用2009年国家地磁台网的35个地磁台站密集高精度绝对矢量磁场观测数据,采用球冠谐分析方法反演得到Sq内外源电流体系,给出了Sq外源电流体系的电流涡中心强度与位置等特征量随季节变化.

安振昌等(2014)从地磁测量、地磁图和地磁模型研究角度,回顾了中国地磁学的发展历程,评述了地区、全国地磁图和地磁场模型发展情况,并对今后我国地磁测量、地磁模型和编绘地磁图研究工作提出了建设性意见.

5 太阳活动与太阳风研究

磁层顶作为地球空间的一个重要界面,由太阳风与地球磁场的相互作用形成.王明等(2014)基于全球磁流体力学的模拟结果,在确定日下点磁层顶的位置和张角基础上,研究了日下点磁层顶张角与太阳风参数的相关性,分析了行星际磁场北向和北向时磁压、热压在磁层顶处的主导地位,以及太阳风压力系数随太阳风动压、行星际磁场大小和方向、日下点磁层顶张角等的变化,这些工作对理解太阳风与磁层相互作用有参考价值.

利用合适的机会,以搭载方式进行空间探测,成为突破我们目前缺乏空间科学探测器的一条途径.作为我国气象业务卫星,风云二号系列卫星以自旋稳定方式工作于地球静止轨道.韦飞等(2014)介绍了风云二号F星太阳X射线探测器的设计情况,以及发射前标定试验与在轨运行获得的初步探测结果.太阳X射线探测器是该系列卫星的有效载荷,相比过去同类设备进行了显著的技术改进,具有精细能谱分辨能力,能够观测耀斑过程X射线能谱的时间变化特征,可用于对太阳耀斑的监测,以及预警包括太阳质子事件在内的灾害性空间天气事件.

地磁暴是极端的空间天气事件,一般认为由太阳风中的行星际磁场南向分量与地球磁层的相互作用引起.包含行星际磁场南向分量的多种行星际结构均可能引起地磁暴.认识与预报地磁暴的关键是确定地磁暴的行星际源.史良文等(2014)建立了一个地磁暴列表,给出了2007—2012年间51次Dstmin≤-50 nT(中等以上磁暴)事件.利用WIND和ACE卫星的行星际磁场及太阳风等离子体观测数据,认证了这些地磁暴事件的行星际源.分析发现,与日冕物质抛射相关的行星际结构引起了65%的中等以上地磁暴,共转相互作用区引起了31%的地磁暴.在2007—2009年的太阳活动低年,共转相互作用区是引起地磁暴的主因;在2010—2013年的太阳活动上升期和高年,日冕物质抛射相关结构引起了大部分中等以上地磁暴.

太阳活动存在22年变化周期,但其成因是长期争论的科学问题.刘复刚和王建(2014)借助于创建的行星会合指数及开普勒第三定律,计算了太阳绕太阳系质心运动周期,发现太阳绕太阳系质心运动存在与太阳磁场变化吻合的22.20年周期,可能引发太阳活动和太阳磁场变化.从太阳系角动量守恒的角度,通过分析太阳轨道运动角动量对太阳自转运动角动量的调控作用,发现应用太阳自转角速度的变化对太阳黑子活动周强弱变化的解释更具有说服力,从而提出了两者之间的成因联系,这为解释太阳活动准22年周期的成因机制提供了新的线索.

6 行星物理研究进展

通过行星及其卫星的研究,是深入认识地球空间环境的重要途径,正在成为空间学科新的生长点.

地磁场起源于地球地核发电机,存在多重时间尺度的变化,如发生地磁场倒转现象.地磁倒转与大气逃逸、乃至生物圈的影响是一个广为关注的重要科学问题.魏勇和万卫星(2014)通过梳理五十年以来对地磁倒转与生物灭绝因果关系的研究,评价了“一对一”假说(每次地磁倒转与每次生物灭绝相对应的)以及“多对一”假说(地磁倒转会导致氧逃逸增加,并且多次地磁倒转所导致的大气氧损失是可以积累的).

木卫二作为木星四个大型卫星中最小的一颗,位于木星磁层中木卫一等离子体环的外边缘.木卫二在木星磁层中运动,与快速共转的木星磁场相互作用形成木星极光中木卫二的尾迹,此尾迹反映了磁通量管对木星电离层电流的注入过程.木卫二与磁层的相互作用存在两个理论:电磁回路理论(赤道面等离子体与电离层存在电磁回路驱使赤道面等离子体随木星共转,电流在磁通量管中发展)和阿尔芬侧翼理论(木卫二在与背景等离子体相对运动时,木卫二附近产生的电流等由阿尔芬波携带向木星传播,电流在阿尔芬侧翼发展).卢斌和陈出新(2014)应用细丝理论数值模拟木卫二磁通量管对木星电离层电流的注入过程,发现电流的波动现象与阿尔芬翼理论相近,但是,磁力线与木卫二的接触时间较长,形成角度也比阿尔芬翼理论预计的更大,说明受到电磁回路的影响.

参考文献
[1] An Z C, Peng F L, Liu S H, et al. 2014. Inspection and study on the geomagnetic survey, charts and models during 1683—1949 in China. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3795-3803,doi:10.6038/cjg20141133.
[2] Chen X, Fu S Y, Zheng L, et al. 2014. Auroral hemispheric power during geomagnetic storms driven by different interplanetary disturbances. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3766-3776,doi:10.6038/cjg20141130.
[3] Chen Y, Liu L B, Wan W X. 2011. Does the F10.7 index correctly describe solar EUV flux during the deep solar minimum of 2007—2009?. J. Geophys. Res., 116, A04304, doi:10.1029/2010JA016301.
[4] Cheng M S, Xu B, Wu Z S,et al. 2014. A large increase of electron density in ionospheric heating experiment. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3633-3641,doi:10.6038/cjg20141117.
[5] [JP]Ding Z H, Yu L, Dai L D, et al. 2014. The preliminary measurement and analysis of the power profiles by the Qujing incoherent scatter radar. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3564-3569,doi:10.6038/cjg20141109.
[6] Guo J P, Zhang D H, Hao Y Q, et al. 2014. Simulation study of effective ionospheric shell height based on Global Core Plasma Model. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3577-3585,doi:10.6038/cjg20141111.
[7] Hu G Y, Ai Y, Zhang Y G, et al. 2014a.A method for vertical neutral wind in the thermosphere deduced from all-sky FPI measurements. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3695-3702,doi:10.6038/cjg20141124.
[8] Hu G Y, Ai Y, Zhang Y G, et al. 2014b. Thermospheric wind observation by a scanning Fabry-Perot interferometer during MERINO campaign. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3688-3694,doi:10.6038/cjg20141123.
[9] Hu L, Ning B Q, Liu L B, et al. 2014a. Validation of COSMIC ionospheric peak parameters by the measurements of ionosonde chain in China. Ann. Geophys., 32, 1311-1319, doi:10.5194/angeo-32-1311-2014.
[10] Hu L, Ning B Q, Liu L B, et al. 2014b. Comparison between ionospheric peak parameters retrieved from COSMIC measurement and ionosonde observation over Sanya. Adv. Space Res., 54, 929-938, doi: 10.1016/j.asr.2014.05.012.
[11] Jiang F, Mao T, Li X Y, et al. 2014. The research on NmF2 and TEC derived from nighttime OI 135.6 nm emission measurement. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3679-3687,doi:10.6038/cjg20141122.
[12] Li Y P, Zhu G W, Qin G T. 2014. Significant difference of the thermospheric density between the mode and observation values of satellite during different geomagnetic storm events and at different altitudes. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3703-3714,doi:10.6038/cjg20141125.
[13] Li S Y, Zhang S F, Cai H, et al. 2014. Intense lower hybrid waves within the reconnection diffusion region near X-line by Geotail observation. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3746-3753,doi:10.6038/cjg20141128.
[14] Liang C, Xue X H, Chen T D. 2014. An investigation of the global morphology of stratosphere gravity waves based on COSMIC observations. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3668-3678,doi:10.6038/cjg20141121.
[15] Liu F G, Wang J. 2014. The 22-year cycle of solar revolution round the solar mass center and its relation with the solar activity. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3834-3840,doi:10.6038/cjg20141137.
[16] Liu L B, Chen Y, Le H, et al. 2011a. The ionosphere under extremely prolonged low solar activity. J. Geophys. Res., 116, A04320, doi:10.1029/2010JA016296.
[17] Liu L B, Wan W X, Chen Y D, Le H J. 2011b. Solar activity effects of the ionosphere: A brief review. Chinese Sci. Bull., 56(12): 1202-1211,doi: 10.1007/s11434-010-4226-9.
[18] Liu L B, Wan W X, Ning B Q, et al. 2006. Solar activity variations of the ionospheric peak electron density. J. Geophys. Res., 111, A08304, doi:10.1029/2006JA011598.
[19] Liu X C, Chen H R, Zhao X D, et al. 2014. Characteristics of inner and external geomagnetic Sq current system in China. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3789-3794,doi:10.6038/cjg20141132.
[20] Lu B, Chen C X. 2014. Numerical simulation of Europa's plasma wake. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3851-3858,doi:10.6038/cjg20141139.
[21] Ma Y D, Cao J B, Fu H S, et al. 2014. ULF wave accompanied with high-speed flows observed by TC-1 in the near magnetotail and the instability analysis. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3754-3765,doi:10.6038/cjg20141129.
[22] Meng X, Fang H X. 2014. Preliminary simulation of heating effects of the lower ionosphere in Nanjing District. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3642-3649,doi:10.6038/cjg20141118.
[23] Shen G, Cai H T, Li F, et al. 2014. EISCAT/ESR radar observations of ELDI in polar region during solar minimum. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3532-3540,doi:10.6038/cjg20141105.
[24] Shi L W, Shen C L, Wang Y M. 2014. The interplanetary origins of geomagnetic storm with Dstmin≤-50 nT in 2007—2012. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3822-3833,doi:10.6038/cjg20141136.
[25] Sun L F, Zhao B Q, Yue X A, et al. Comparison between ionospheric character parameters retrieved from FORMOSAT3 measurement and ionosonde observation over China. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3625-3632,doi:10.6038/cjg20141116.
[26] Sun X Y, Duan S P, Liu W W. 2014. Multi-satellite joint observations of an intense substorm during the main phase of 24 August, 2005 storm. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3729-3745,doi:10.6038/cjg20141127.
[27] Wang C, Zhang M, Xu Z W, et al. 2014. A new approach of TEC retrieval from the space-borne SAR. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3570-3576,doi:10.6038/cjg20141110.
[28] Wang C M, Li Q Z, Xu J Y, et al. 2014. Statistical characteristics analysis of atmospheric gravity waves with OH all-sky airglow imagers at low-latitude region of China. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3659-3667,doi:10.6038/cjg20141120.
[] Wang M, Lu J Y, Li G. 2014. The study of the solar wind pressure coefficient. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3804-3811,doi:10.6038/cjg20141134.
[29] Wen D B, Lü H Z, Zhang X.2014.A new method of ionospheric tomographic reconstruction. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3611-3616,doi:10.6038/cjg20141114.
[30] Wei F, Zhang X X, Zhang B Q, et al. 2014. Pre-flight calibration and the first results for the Solar X Ray Spectrometer (SXRS) onboard FY-2F satellite. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3812-3821,doi:10.6038/cjg20141135.
[31] Wei Y, Wan W X.2014.Fifty-year investigation of the causal relation between geomagnetic reversal and mass extinction. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3841-3850,doi:10.6038/cjg20141138.
[32] Xie H Y, Ning B Q, Liu L B,et al. 2014. Statistical analysis of the ionospheric Chapman scale height at Beijing. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3523-3531,doi:10.6038/cjg20141104.
[33] Xiong B, Wan W X, Ning B Q, et al. 2014. Investigation of mid- and low-latitude ionosphere based on BDS, GLONASS and GPS observations. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3586-3599,doi:10.6038/cjg20141112.
[34] Xu F K, Shi Y X.2014.Studying the dust-acoustic modes of dusty plasma in the polar mesosphere. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3558-3563,doi:10.6038/cjg20141108.
[34] Xu S, Zhang B C, Liu R Y. 2014. Comparative studies on solar activity variations of NmF2 at the Arctic and Antarctic Stations. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3502-3511,doi:10.6038/cjg20141102.
[35] Yang S G, Zhang B C, Zhang Q H,et al. 2014. Numerical simulation of the role of dayside magnetic reconnection in polar cap patch formation. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3551-3557,doi:10.6038/cjg20141107.
[36] Yang X B, Zhou C, Liu J, et al. 2014. A numerical study of Seismic-related electric field in the ionosphere. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3650-3658,doi:10.6038/cjg20141119.
[37] Yao L, Zhang X M, Yu T. 2014. A study of spacial correlation of monthly mean deviation of ionospheric TEC over China. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3600-3610,doi:10.6038/cjg20141113.
[38] Yu S M, Hao Y Q, Zhang D H, et al. Low ionization level of northern midlatitude ionosphere in solar cycle 24. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3512-3522,doi:10.6038/cjg20141103.
[39] Zhao K, Jiang Y, Men K P, et al. 2014. Interhemispheric comparisons of ionospheric upflow H+ at various geomagnetic activity levels using FAST observations. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3715-3728,doi:10.6038/cjg20141126.
[40] Zhao X D, Yang D M, He Y F, et al. 2014. The study of Sq equivalent current during the solar cycle. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3777-3788,doi:10.6038/cjg20141131.
[41] Zhao Y C, Gui X C, Hong Z J, et al. Kalman Filter imaging of ionosphere TEC. Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3617-3624,doi:10.6038/cjg20141115.
[42] Zhou K J, Cai H T, Cheng L J, et al. 2014. Feature of ion up-flow at high-latitude topside ionosphere during geomagnetic storms from the Defense Meteorological Satellite Program.Chinese J. Geophys. (in Chinese),57(11):3541-3550,doi:10.6038/cjg20141106.
[43] 安振昌,彭丰林,刘少华等.2014.1683—1949年中国地磁测量、地磁图和地磁模型的总考评与研究.地球物理学报,57(11):3795-3803,doi:10.6038/cjg20141133.
[44] 陈曦,傅绥燕,郑玲等.2014.不同起源地磁扰动期间极光沉降能量的统计研究.地球物理学报,57(11):3766-3776,doi:10.6038/cjg20141130.
[45] 程木松, 徐彬, 吴振森等.2014.电离层加热实验中超强电子密度增强特征.地球物理学报,57(11):3633-3641,doi:10.6038/cjg20141117.
[46] 丁宗华, 鱼浪,代连东等.2014.曲靖非相干散射雷达功率剖面的初步观测与分析.地球物理学报,57(11):3564-3569,doi:10.6038/cjg20141109.
[47] 郭佳鹏,张东和,郝永强等.2014.基于等离子体GCPM模型对电离层薄壳模型高度的仿真研究.地球物理学报,57(11):3577-3585,doi:10.6038/cjg20141111.
[48] 胡国元,艾勇,张燕革等.2014a.基于全天空F-P干涉仪反演热层垂直中性风.地球物理学报,57(11):3695-3702,doi:10.6038/cjg20141124.
[49] 胡国元, 艾勇,张燕革等.2014b.扫描式F-P干涉仪在MERINO观测中的热层风结果与分析.地球物理学报,57(11):3688-3694,doi:10.6038/cjg20141123.
[50] 江芳,毛田,李小银等.2014.利用OI 135.6 nm夜气辉辐射探测电离层峰值电子密度及电子总含量的研究.地球物理学报,57(11):3679-3687,doi:10.6038/cjg20141122.
[51] 李永平,朱光武,秦国泰.2014.不同高度和不同地磁扰动期间热层大气密度模式值与探测值的显著差异.地球物理学报,57(11):3703-3714,doi:10.6038/cjg20141125.
[52] 李世友, 张士峰, 蔡洪等.2014.磁场重联耗散区内X线附近的强低混杂波的Geotail卫星观测研究.地球物理学报,57(11):3746-3753,doi:10.6038/cjg20141128.
[53] 梁晨, 薛向辉,陈廷娣.2014.基于COSMIC卫星观测数据的平流层重力波的全球分布特征研究.地球物理学报,57(11):3668-3678,doi:10.6038/cjg20141121.
[54] 刘复刚, 王建.2014.太阳绕太阳系质心运动22年周期及其与太阳活动的联系.地球物理学报,57(11):3834-3840,doi:10.6038/cjg20141137.
[55] 刘晓灿,陈化然,赵旭东等.2014.Sq内外源电流体系中国地区变化特征.地球物理学报,57(11):3789-3794,doi:10.6038/cjg20141132.
[56] 卢斌,陈出新.2014.木卫二尾迹的数值模拟.地球物理学报,57(11):3851-3858,doi:10.6038/cjg20141139.
[57] 马玉端, 曹晋滨, 符慧山等.2014.近磁尾TC-1观测到伴随有高速流的ULF波及不稳定性分析.地球物理学报,57(11):3754-3765,doi:10.6038/cjg20141129.
[58] 孟兴, 方涵先.2014.南京地区低电离层加热效应的初步模拟.地球物理学报,57(11):3642-3649,doi:10.6038/cjg20141118.
[59] 沈格, 蔡红涛, 李飞等.2014.低太阳活动期间极区ELDI的EISCAT/ESR雷达观测.地球物理学报,57(11):3532-3540,doi:10.6038/cjg20141105.
[60] 史良文, 申成龙, 汪毓明.2014.2007—2012年Dstmin≤-50 nT的中等以上地磁暴的行星际源统计.地球物理学报,57(11):3822-3833,doi:10.6038/cjg20141136.
[61] 孙凌峰,赵必强,乐新安等.2014.中国区域电离层垂测仪探测参量与COSMIC掩星反演结果比较研究.地球物理学报,57(11):3625-3632,doi:10.6038/cjg20141101.
[62] 孙晓英, 段素平, 刘维宁.2014.2005年8月24日磁暴主相期间亚暴过程的多卫星联合观测分析.地球物理学报,57(11):3729-3745,doi:10.6038/cjg20141127.
[63] 王成, 张民, 许正文等.2014.基于星载SAR信号的TEC反演新方法.地球物理学报,57(11):3570-3576,doi:10.6038/cjg20141110.
[64] 王翠梅, 李钦增, 徐寄遥等.2014.基于OH全天空气辉成像仪观测的中国低纬地区的重力波传播统计特征.地球物理学报,57(11):3659-3667,doi:10.6038/cjg20141120.
[65] 王明,吕建永,李刚.2014.太阳风压力系数的研究.地球物理学报,57(11):3804-3811,doi:10.6038/cjg20141134.
[66] 闻德保,吕慧珠,张啸.2014.电离层层析重构的一种新算法.地球物理学报,57(11):3611-3616,doi:10.6038/cjg20141114.
[67] 韦飞,张效信,张斌全等.2014.风云二号F星太阳X射线探测器在轨探测初步成果.地球物理学报,57(11):3812-3821,doi:10.6038/cjg20141135.
[68] 魏勇,万卫星.2014.地磁倒转与生物灭绝因果关系研究五十年.地球物理学报,57(11):3841-3850,doi:10.6038/cjg20141138.
[69] 解海永,宁百齐,刘立波等.2014.北京地区电离层Chapman标高的统计分析.地球物理学报,57(11):3523-3531,doi:10.6038/cjg20141104.
[70] 熊波,万卫星,宁百齐等.2014.基于北斗、GLONASS和GPS系统的中低纬电离层特性联合探测.地球物理学报,57(11):3586-3599,doi:10.6038/cjg20141112.
[71] 徐芳轲, 石雁祥.2014.极区中层尘埃等离子体中的尘埃声波研究.地球物理学报,57(11):3558-3563,doi:10.6038/cjg20141108.
[72] 徐盛,张北辰,刘瑞源.2014.极区电离层F2层峰值电子浓度对太阳活动依赖性的共轭研究.地球物理学报,57(11):3502-3511,doi:10.6038/cjg20141102.
[73] 杨升高, 张北辰, 张清和等.2014.数值模拟日侧磁场重联对极盖等离子体云块形成的影响.地球物理学报,57(11):3551-3557,doi:10.6038/cjg20141107.
[74] 杨许铂,周晨,刘静等.2014.地震电离层异常电场模拟及初步研究.地球物理学报,57(11):3650-3658,doi:10.6038/cjg20141119.
[75] 姚璐,张学民,余涛.2014.中国区域电离层TEC与月均值偏差的空间相关性研究.地球物理学报,57(11):3600-3610,doi:10.6038/cjg20141113.
[76] 于世美, 郝永强, 张东和等.2014.第24太阳活动周中纬度电离层低电离水平的观测研究.地球物理学报,57(11):3512-3522,doi:10.6038/cjg20141103.
[77] 赵凯, 蒋勇, 门可佩等.2014.不同地磁活动水平下电离层H+上行的半球对比研究.地球物理学报,57(11):3715-3728,doi:10.6038/cjg20141126.
[78] 赵旭东,杨冬梅,何宇飞等.2014.Sq等效电流在太阳活动周中的分析研究.地球物理学报,57(11):3777-3788,doi:10.6038/cjg20141131.
[79] 赵运超,桂晓纯,洪振杰等.2014.电离层TEC卡尔曼滤波成像研究.地球物理学报,57(11):3617-3624,doi:10.6038/cjg20141115.
[80] 周康俊, 蔡红涛, 程力君等.2014.磁暴期间高纬顶部电离层离子上行特征——DMSP卫星观测.地球物理学报,57(11):3541-3550,doi:10.6038/cjg20141106.