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地球空间环境的野外科学观测研究

时间:2019-07-22

中国网络/中国发展门户网站新闻地球磁层,电离层以及中高层大气的扰动直接影响卫星运行和人类健康的安全。通过野外站检测提供实时,准确的空间和环境信息,可以避免空间环境的严重变化,严重影响空间和地面高科技系统,保证国家空间安全。空间环境的发展可以有效地促进空间科学的发展,进而促进空间技术的创新,扩大空间应用,服务于国家的经济和社会发展,实现和平利用空间。它具有国家可持续发展,国防和重大空间科学研究和应用。非常重要的意义。

北京空间环境国家空间科学观测研究站是2007年经国家科技部批准的国家级野外科学观测研究站。隶属于中国科学院地质与地球物理研究所,是日本 - 日本空间环境观测研究网络的骨干站。北京空间环境国家空间科学观测研究站拥有地磁,电离层,中高层大气等多学科综合观测方法,建于北京明十三陵空间环境观测站(成立于1985年)。主站。它位于Mohe(成立于1988年)的三个分站,武汉(成立于1946年)和三亚(成立于1998年),形成在东经120°子午线附近,从北端的漠河出发。大陆到南方的三亚。具有均匀布局的纬度约10°的综合观测空间观测平台链具有同时覆盖不同纬度,不同空间水平(中大气层,电离层,磁层等)和不同空间环境参数的能力。

利用南北布链全面观察中国的空间和环境变化

北京空间环境国家野外科学观测研究站位于区域环境和地貌(地磁,中上层大气和电离层)区域特征和变化观测中,侧重于地球不同层次的空间耦合,进行空间物理与应用基础研究。重视多方位综合链网络观测,新技术和新方法开发,以及国际联合测量与合作,重点关注科学问题驱动的基础研究和国家需求牵引应用基础研究,观察技术特点和创新,数据共享和利用它在中国地面空间环境观测研究中起着示范作用,起着示范作用。

地理位置上,北京野外环境国家野外观测研究站的位置如图1所示。它穿过东亚电离层异常区,蒙古地磁异常区,电离层赤道异常区和电离层SQ电流系统转向区。在典型的空间环境中,中纬度和低纬度地区是观察许多地球和空间物理现象以及中国空间环境扰动特征的“黄金链”。在空间层面,太阳 - 环境环境关系如图2所示。北京空间环境国家野外科学观测?芯空景ǜ髦窒冉牡卮牛缋氩愫椭懈卟愦笃鄄夥椒ā2泷詈瞎叹哂兄匾庖濉T谘Э品矫妫鄄庋芯康哪谌萁岷狭说厍蛭锢硌б患堆Э频牧礁龆堆Э疲哂邢拭鞯奶卣骱偷湫偷难醣硐帧4送猓ü猿嫡竟鄄馐莸姆治觯杂诳怪泄占浠肪衬P脱芯亢驮げ猓月阒泄占溆牍拦こ痰挠τ茫⒒又匾饔谩?

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图1北京空间环境国家野外观测研究站分布图

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图2太阳和空间环境

北京空间环境国家空间科学观测研究站一直引领着国内空间环境观测技术的发展,建成了中国大陆第一个全天空流星雷达,第一个“北斗”电离层观测系统和第一个VHF电离层相干散射/全天空流星双模雷达。目前,有数百种监测设备,包括数字电离层高度计,流星雷达,VHF相干散射雷达,GNSS电离层监测仪,磁力仪和全天空照明器。目标是地磁,电离层和介质。高层大气等。经过几十年的观察和运行,积累了一批具有自主知识产权的国家空间数据资源。

电离层特征参数数据库。武汉变电站是中国第一个开始研究传统电离层垂直探测的地方,可追溯到1937年10月。自1946年以来,武汉变电站自不断的历史变迁以来一直受到关注。它是世界上最古老的电离层测年站之一。 70多年来,它一直被收集和组织成为中国最长的电离层。丢弃数据是了解中国无线电波传播特性和空间环境长期变化的最有价值的数据资源。近年来,在北京,漠河,武汉和三亚的主要站点建立了东经120°的现代电离层数字高度计的经络链。对于了解南北电离层的耦合过程具有重要的科学意义。天气和空间气候学研究提供了最基本的数据支持。

全天空流星雷达中的高空大气风场数据库。北京空间环境国家空间科学观测研究站建立了北京,武汉和中国北方三亚的流星雷达观测经络链。通过流星雷达观测和电离层特征参数数据库得到的中大气层风场数据库的组合,对于理解近地空间能量的上下耦合,南北耦合,具有重要的学术意义。和大气/电离层的耦合。该数据库也是覆盖中纬度到低纬度的上,下纬度上,中大气中唯一的连续观测数据库。

GNSS多卫星系统电离层参数数据库。为了整合GPS,GLONASS和“北斗”三个卫星系统的多系统优势,进行电离层探测,并利用中国“北斗”卫星系统的电离层探测和应用能力,北京空间环?彻抑泄巴夤鄄庋芯空窘⒘擞?32个观测站组成的中国GNSS电离层观测网络,并获得了大量GNSS三系统电离层监测数据。建立了世界上第一个GNSS三系统(同时接收GPS,GLONASS和“北斗”三套卫星系统信号)电离层观测数据库。该数据库用于监测和研究中国及其周边地区的电离层结构及其变化,电离层扰动传播,电离层赤道异常峰值和低纬度电离层不规则性。预警工作以及卫星通信和导航等应用研究提供了强有力的数据支持;为南海及周边地区的空间环境监测提供数据保障,提高短波通信的可靠性,提高卫星导航定位的准确性,护航“一带一路”建设。

地磁观测数据库。自20世纪80年代以来,中国科学院地质与地球物理研究所已开始建设地磁台站。建有北京地磁站,漠河地磁站,南极长城站地磁站,南极中山站地磁站和三亚地磁站。其中,北京地磁站是中国大陆第一个国际INTERMAGNET标准地磁站,为国际参考地磁场IGRF模型的修正提供基础数据。地磁观测数据库对于研究地球的成因和演化以及地球不同层的相互作用具有重要意义。

通过层耦合揭示了电离层变化的驱动过程

电离层位于地球上空约60-1000公里处,是太阳 - 地面系统中能量传输和耗散的关键层,也是产生空间天气效应的重要区域。电离层的可变性是空间物理学中的一个主要科学问题。作为耗散动力系统,电离层的变化主要是外部驱动的。因此,深入了解各种驱动因素的作用,确定不同驱动源的贡献,是了解电离层变化的关键。电离层变化驱动过程的研究是空间物理和空间天气科学的重要前沿领域。它还对空间工程支持和空间应用具有重要价值,如卫星通信和定位与导航。

基于对电离层变化研究的科学需求,基于北京空间环境国家野外观测研究站的观测资料,结合卫星观测数据,通过理论模型的发展,数据分析的结合数值模拟,系统研究大气 - 电离层耦合,磁层 - 电离层耦合和太阳辐射最重要的驱动过程对电离层变化的影响及相关结果,获得2015年国家自然科学二等奖奖。已经获得了许多具有重要国际影响的科学发现。

通过大气 - 电离层耦合过程驱动电离层的变化

由地面附近的大气(对流层)中的恶劣天气事件,岩石圈中的地震事件等释放的能量通过动力学和电动力学向上传播,并最终影响电离层的变化。这个过程被称为“大气 - 电离层耦合”(在岩石圈事件中也被称为“岩石圈 - 大气 - 电离层耦合”)是理解电离层变化和能量上下耦合的关键环节,也是今天的电离层物理学。前沿科学问题之一。着眼于大气 - 电离层耦合的科学问题,采用观测,数据分析和数值模拟的方法研究大气波动对电离层的影响。分析揭示了大气波动驱动的电离层变化特征以及相关驱动过程的物理机制。该系统揭示了(岩石圈 - )大气 - 电离层耦合的几个新现象,新过程和新机制,为研究电离层变化提供了新的视角和前景。

研究了低纬电离层经度“四波”结构的日变化和气候变化特征,揭示了“四波”结构与大气潮的耦合机制(图3)。利用全球GPS网络的电离层全电子含量观测数据,采用长波频谱分析方法提取电离层经度的“四波”结构。第一个系统揭示了电离层(季节)“四波”结构的日变化和气候特征。变化,太阳活动依赖性等):从中午到午夜出现“四波”结构,波形向东漂移,白天漂移速度稍慢,夜晚更快;春季,夏季和秋季发现“四波”强度较弱。强劲,冬季消失,太阳活动略有增加,在大气两年的湍流期间略有增加。通过与同期卫星观测资料的对比,可以得出结论,电离层经度的“四波”结构与高层大气中非迁移潮汐DE3模型的东西风成分有很强的相关性。 (与相应的南北风成分无关)。性别)。在数据分析的基础上,结合数值模拟,提出了电离层与大气潮耦合的物理模型。此外,利用卫星观测数据,首次发现顶部电离层中的电子温度具有经度“四波”结构,表明两个“四波”结构的强度显示出显着的负值。相关。波结构的物理原因。

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图3“四波”结构的季节变化和太阳活动调制的变化

发现了与汶川地震相关的局部电离层异常增强,并提出了垂直电场耦合的解释(图4)。通过收集和分析2008年汶川地震期间的各种电离层观测结果,我们发现了与地震有关的局部电离层异常,纠正了先前普遍认为电离层在地震前总是被削弱的观点。需要指出的是,在地震孵化期间产生的地球表面上的垂直电场可以更好地解释观测到的电离层的异常增强。新发现和机理解释已成为后续地震电离层耦合研究的基础和出发点。

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图4地震前局部电离层电子浓度的异常增加

驱动磁层 - 电离层耦合过程对电离层变化的影响

在磁暴期间,耦合到高纬度电离层的磁层能量导致电离层扰动传播到低纬度和赤道;映射到高纬度电离层的磁层电场强烈扰动也渗透到低纬度电离层,加剧了电离层喷泉效应。磁暴期间电离层变化的研究一直是“磁层 - 电离层耦合”的焦点,也是空间天气研究的重点。围绕磁层 - 电离层耦合,研究了超电离层风暴的产生和演化。发现了异常大的磁暴期间电离层的超级效应和重新分层结构,揭示了不同经度扇区的电离层风暴和电离。层扰动的区域特征(图5)。

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图5:超电离层风暴的产生和演变

分析了特大磁暴期间低纬电离层风暴的演变过程,揭示了超电离层风暴的形成机制。利用全球电离层雷达和GPS网络探测,发现了非常磁暴期间低纬度电离层的“超级喷泉”效应和电离层重叠结构。通过该模式的计算,证实了太阳风场向南转弯过程中磁层亚暴的连续爆炸形成了长期的阿尔方弱屏蔽效应,导致强磁层电场频繁渗入低纬度电离层。研究发现,在磁暴恢复阶段,电离层赤道异常抑制的半球不对称性与能量注入的半球不对称性有关。通过对非相干散射雷达数据的分析,发现超大磁暴期间磁层的夜间穿透效率远高于白天,这证实了磁层电场的渗透效率和当天的渗透效率。 - 配置的不对称性。

得到了非常磁暴期间电离层行波扰动的全局分布特征。在全球GPS网络观测和电离层高度计密集阵列观测的基础上,实现了在时间和空间上大规模连续观测磁暴期间的大规模电离层扰动。利用二维精细图像显示的电离层扰动从高纬度向中低纬度传播和衰减,由特大磁场引起的电离层扰动的等值面为4000 km,并对相关性进行了分析。建议。电离层扰动的向西移动是由极区电流增强区的快速移动引起的。大规模电离层扰动分为三种类型:南向扰动,极区活动激发的北向扰动,以及昼夜交替线引起的向西扰动。研究发现,高纬度地区的扰动发生率与地磁扰动一致,且较低。纬度地区的电离层扰动受地磁扰动和背景电离层变化的双重调制。

太阳辐射和相关光化过程对电离层变化的驱动

EUV和X射线带中的太阳辐射是电离层的电离和热源,它主导电离层中的光电离和相关的光化学过程,因此太阳辐射(即太阳活动)的变化直接导致电离层的变化。它是日土关系的核心研究课题。着眼于太阳辐射周围电离层的变化和相关的光化过程,研究了电离层对极端太阳活动的响应,并发现了电离层对极端主动太阳辐射的一种新型“非线性放大响应”。第一个观测证据表明极端宁静期间电离层发生异常下降,这揭示了太阳辐射作用于电离层的新机制。这些成果促进了对电离层离子活度响应的深入研究,促进了太阳关系研究领域的新发展,为改进电离层模型的实际应用做出了重要贡献。

该系统认识到电离层对极端太阳活动的响应的全球特征,并首次发现电离层对极端活跃太阳活动的响应的新型非线性放大。基于对世界各种电离层的长期观测,发现冬季半球高纬度地区的电子密度随着太阳活动的增加而非线性地放大,这纠正了先前对太阳能的片面理解。电离层的活动响应。通过分析改进的太阳活动指数(P指数)与多波段太阳辐射和电离层电离强度之间的相关性,统计证实新指数可以更可靠地估计太阳辐射的变化,并实现更准确的变化。电离层。定量估计。基于二次多项式回归模型,揭示了电离层变化类型与太阳活动(线性增长,非线性饱和度,非线性放大)及其纬度,高度,季节和当地时间之间的关系。电离层对太阳活动响应的全球图像。研究结果对电离层空间环境的建模和预测具有重要价值,并已应用于电离层经验模型。

发现电离层对极端宁静期间太阳活动变化的响应减缓特征。通过对电离层全球历史数据的分析,发现自极低太阳活动(23/24太阳活动周)观测记录以来电离层电子密度和高度降至最低值,电离层具有太阳辐射强度。对下降变化的响应具有减慢的特征(图6)。分析表明,在这个非常低的年份,电离层变化的主导因素是太阳紫外线辐射的减少,而不是温室效应或地磁活动。这种新的认识决定了太阳辐射长期变化对电离层长期趋势的重要性,并为电离层的长期趋势提供了新的思路。这一发现引起了广泛关注,并已成为研究的热点。他加入了这项研究,并推动了太阳能关系研究领域的新发展。

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图6极端太阳活动期间电离层响应的一种新型非线性放大

揭示了电离层高度剖面对太阳活动的依赖性,并提出了电离层随太阳活动变化的新动力学解释(图7)。通过对非相干散射雷达历史观测数据的分析,发现电离层剖面的高程随太阳活动呈线性增加,即电离层随高度方向的太阳活动增加而扩大,电离层响应提出了太阳活动。线性放大类型可以由电离层剖面高度的增长和动力学过程引起。

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图7极端宁静下的电离层变化

结论

野外站是人类了解自然现象,探索自然规律,追求人与自然和谐共存的重要科学观察和研究基地。中国科学院地质与地球物理研究所经过长期建设和运行,使北京空间环境国家野外科学观测研究站初具规模,获得了长期,全面,丰富的第一手资料。科研信息,有效改善中国。空间科学研究的原始创新能力。

在中国科学院太阳与空间环境观测研究网,重大科技基础设施项目,“东半球空间环境地面综合监测经络链”和国家重大科研仪器开发项目的支持下,北京空间环境国家野外科学观察研究站处于空间环境中。磁层,电离层,中上层大气和地球磁场是主要的观测和研究对象,形成多方法和多参数综合观测,并具有同时观察不同经纬度变化,不同空间水平的能力。中国空间环境的不同观测参数。长期的多学科观测研究积累了大量的数据,不仅丰富了相关学科的内容,而且为学科理论和前沿问题的研究做出了重要贡献,并将在跨学科领域的创建中发挥重要作用。和新领域的发展。扮演一个重要角色。

未来,北京野外环境国家野外观测研究站将重点关注以下三个方面:1。提高空间环境关键领域的探测能力。通过增加观测点和综合无线电和光学观测方法,加强电离层异常区,低纬电离层闪烁高发区和南海区的综合勘探能力。 2利用创新技术开发和建立适用于空间环境的大型检测设备。包括用于地面空间观测的最强大的探测方法 - 非相干散射雷达和能够在很宽的范围内探测低纬度电离层不规则的高频雷达。 3改进网络综合检测。通过与医院内外相关单位的合作,开展了流星雷达,电离层高度计和空间光学观测设备的网络探测。 (作者:李宁白琦全国大师朱秀娴,中国空间研究所北京地质与地球物理研究所环境研究所《中国科学院院刊》饲料。)

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