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2015年  第35卷  第4期

日球层物理和太阳系探测
太阳轨道运动的2400年周期与轨道周期
刘复刚, 郑一, 王建, 罗金明, 鲍锟山
2015, 35(4): 381-392. doi: 10.11728/cjss2014.04.381
摘要(1373) PDF 5318KB(10143)
摘要:
通过对行星会合指数运动学方程生成的数据进行傅里叶变换, 得到了从年、十年、 百年、千年、万年到十万年时间尺度的周期, 发现这些周期具有后者是前者10n 倍的特殊倍乘关系. 如果将通过傅里叶变换得到的年时间尺度最显 著的周期4.96488a设为单位时间步长代入行星会合指数方程, 则可得到稳定 的2400年周期. 在此基础上由2400年周期振幅的差异性又构成了更长时间尺度的 10万年和40~41万年太阳轨道运动特征周期. 这对于揭示太阳轨道运动与太 阳活动的关系, 以及探讨气候千年尺度和轨道周期变化规律的机制具有重要意义.
AUSM系列算法对比研究及背景太阳风初步应用
王涛, 李会超, 张曼, 付华峥
2015, 35(4): 393-402. doi: 10.11728/cjss2015.04.393
摘要:
磁流体力学数值模拟是研究日地物理学现象的一个重要手段. 对比三种AUSM算法, 即AUSM, AUSM+和AUSMPW+, 结合HDC磁场散度消去方法计算多维MHD问题的性能. 通过分析三种算法计算Rotor算例和Orszag-Tang vortex算例的结果发现, AUSM+算法的性能最好. 进一步使用AUSM+算法基于6片网格构造模拟了日冕结构, 计算结果表明这种算法能够正确计算出日冕的大尺度结构. 对于日冕结构模拟块, HDC方法能够较好 地控制磁场散度误差.
Determination of the Kelvin-Helmholtz Wave Parameters on the Magnetopause in Single-spacecraft Observations
LIN Dong, WANG Chi, LI Wenya, TANG Binbin
2015, 35(4): 403-408. doi: 10.11728/cjss2014.04.403
摘要:
Kelvin-Helmholtz (K-H) waves are formed from the triggeringof the K-H instability on the magnetopause, which is a candidatemechanism for solar wind entry into the magnetosphere, especially undernorthward interplanetary magnetic field conditions. In this study, aK-H wave event was identified from the observation of probe Bof the Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms (THEMIS) mission on 15 May 2008. A new method to determinethe wave parameters of the K-H waves in single-spacecraft observationsis proposed. The dominant wave period is determined by three kinds ofspectrograms for three key parameters, namely the ion density, the iontemperature, and the z component of magnetic field. The phasevelocity is estimated by calculating the center-of-mass velocity of thedetected K-H vortex region. This approximation is validated bycomparison with other alternative methods. The method to determine thewave parameters is a first step to further study K-H wave properties and their relationship with interplanetaryconditions.
磁尾等离子片中偶极化锋面的数值模拟研究
申井然, 曹晋滨, 吕浩宇, 符慧山
2015, 35(4): 409-414. doi: 10.11728/cjss2015.04.409
摘要:
利用守恒型TVD格式对8波模型磁流体方程组进行数值模拟, 对磁尾中偶极化锋面的物理和演化特性进行研究. 构建了由BBF类型通量管机制产生的偶极化锋面数值模拟模型, 该模型由磁尾平衡模型、亚暴增长相模型和亚暴触发及BBF形成模型三部分组成. 数值模拟结果很好地再现了磁尾中BBF类型通量管机制产生的偶极化锋面特性. 伴随着高速 流的出现, 磁场Bz分量呈非对称双极变化结构, 即锋面前减小为负值, 在锋面上急剧增大. 当Bz增大到极大值后回落并趋于稳定. 随着偶极化锋面伴随地向高速流向地球运动, 偶极化锋面上Bz的变化越来越小.
X级以上耀斑与地磁效应关系研究
朱漪婷, 宗位国, 裴世鑫
2015, 35(4): 415-423. doi: 10.11728/cjss2015.04.415
摘要:
统计研究了2010年1月至2012年12月期间所有与耀斑爆发相伴生的日冕物质抛射(CME) 引发的地磁暴事件. 结果表明, 对于CME源区其主要分布在日面 45°E-45°W, 占总数的78.95%, 且西半球比东半球多, 即源区位于西半球的CME易产生地磁效应; X级耀斑与地磁效应的关联性更高, 60.0%的 X级耀斑在其爆发后的2~3天内观测到地磁暴, 而其他级别的耀斑与地磁效应的关联性低得多, 均不足10%; 通过对此期间日面爆发的所有X级耀斑研究分析后发现, 对于源区位于日面东经45°E-45°W 的X级耀斑, 若在其爆发过程中没有大尺度日面扰动, 则无伴生CME且后续产生地磁效应的可能性很低. 由此提出一种通过分析日面观测数据进行地磁暴预报的方法.
高纬极区离子速度分布函数多项式解及非相干散射谱计算
薛昆, 许正文, 吴健, 张雅彬
2015, 35(4): 424-437. doi: 10.11728/cjss2015.04.424
摘要:
为更准确描述高纬极区电离层离子分布函数, 分别采用弛豫碰撞模型和麦克斯韦分子碰撞模型描述玻耳兹曼方程的碰撞项, 通过求解两种模型下的输运方程, 分别得到两种模型基于麦克斯韦分布下离子分布函数的13矩近似和基于双麦克斯韦分布下离子分布函数的16矩近似. 进一步根据Sheffield理论, 利用两种模型下离子分布函数的13矩和16矩近似, 计算了非相干散射谱, 并对结果进行对比分析. 结果表明, 相对于弛豫碰撞模型, 麦克斯韦分子碰撞模型能更好地描述电离层E层中离子与中性成分的相互作用. 相对于离子分布函数的13矩近似, 16矩近似更适合描述由于电场增加导致的离子温度各向异性特征.
非相干雷达探测低电离层的结果分析
马欣, 陈罡, 钟鼎坤, 赵正予
2015, 35(4): 438-444. doi: 10.11728/cjss2015.04.438
摘要:
位于波多黎各的Arecibo非相干雷达可以获得低电离层电子和离子密度, 利用此非相干雷达数据对中纬度低电离层的运动特征进行研究. 得到了电子密度随时间和高度的变化 情况, 结果显著呈现出周日变化特征, 并分析了电子密度随高度的变化规律. 进一步对数据进行频谱分析, 深入研究低电离层电子密度的周日变化效应. 得到电子密度的高度剖面, 发现从F层底部到E层有明显的等离子体沉降. 低电离层的层结构特征及电子密度变化表明, 在该区域还存在不同程度的等离子体扰动, 由此对低电离层的作用因素 进行分析, 认为大气潮汐或声重波可能对低电离层产生扰动, 即低电离层与大气存在一定程度的耦合作用.
Nonlinear Interactions between the Quasi 5-day Wave and Tides Based on Meteor Radar Observations at Mauiormalsize
GU Jingxiao, HUANG Chunming, HUANG Kaiming
2015, 35(4): 445-452. doi: 10.11728/cjss2014.04.445
摘要:
Nonlinear interactions between the quasi 5-day wave and tides based on meteor radar observation in the Mesosphere and Lower Thermosphere (MLT) at Maui are studied in this paper. Strong sum interaction between quasi 5-day wave and diurnal tide, and evident difference interaction between quasi 5-day wave and semidiurnal tide are observed during the time of attention. However, their difference and sum counterparts are clearly weaker. The secondary waves generated from those interactions beat with the tide and show intense modulation at the period of 5 days which confirms the existence of their interactions. Additionally, correlation coefficients among these waves are calculated to further explore their interactions and find that they can persist for several days although they are highly intermittent. The energy exchange among these waves can be reversible during the observational time. The periods when the significant difference interaction between the quasi 5-day wave and semidiurnal tide occur are much shorter than those when the significant sum interaction between the quasi 5-day wave and diurnal tide occur. Moreover, these two strong interactions can take place simultaneously. In generally, this study provides the proof of nonlinear interactions between quasi 5-day wave and tides which were seldom reported before.
北京地区重力波活动及其波谱的季节分布特性研究
邹旭, 杨国韬, 王继红, 龚少华, 程学武, 焦菁, 岳川, 付海川, 王梓硕, 杨松, 羊现长, 傅军
2015, 35(4): 453-460. doi: 10.11728/cjss2015.04.453
摘要:
利用激光雷达对北京地区上空Na层进行持续观测, 通过连续三年累积的夜间观测数据对北京地区重力波活动及其波谱进行研究. 根据重力波的线性理论计算, 得到北京地区上空的大气密度扰动规律、空间功率谱和时间频率谱. 通过选择重力波波长在1~8km, 具有特定波长以及特定周期为60, 45, 25min的重力波活动辅助研究重力波的季节变化规律, 结果表明北京地区重力波大气密度扰动具有夏季大、冬季小的活动规律. 结合波源与背景风场的季节性变化规律, 分析得出北京上空重力波活动季节性变化的主要原因为青藏高原地形和对流因素与我国北方地区季节性背景风场共同作用的结果.
影响卫星故障的空间天气分析
张晓芳, 刘松涛, 吴耀平
2015, 35(4): 461-472. doi: 10.11728/cjss2015.04.461
摘要:
基于美国国家地球物理数据中心(NGDC) 2384例和中国19颗卫星的263例卫星故障信息, 结合1963-2012年小时平均的多种空间环境数据, 定量分析了三种卫星故障发生期间的空间要素特征, 探讨单粒子锁定(SEU)、表面充电致静电放电(ESD)和内部深层充电所致电子引起的电磁脉冲(ECEMP)与空间天气事件的可能联系, 得出以下主要结论. (1)大部分SEU和ECEMP发生于空间天气平静时, 但在其前后3日内地磁活动达到了磁暴水平, 相对来说比例最大的发生在Dstmin之后第3日 (48~72h). (2) ESD受地磁活动和高能电子通量影响明显. 与磁暴、相对论电子通量增强事件的季节性相对应, 两分点附近ESD和ECEMP的发生率高; 93.6% 的 ESD发生前后72h内地磁活动达到磁暴水平, 故障发生时间均匀分布在 Dstmin前0~48h 和后0~24h; 54.9%的ESD 发生时处于地磁暴期(Dst <-30nT), 以-50~-30nT的小磁暴水平居多; 40.6%的ESD发生于高能电子通量高水平期(≥ 103pfu, 1pfu =1cm-2·s-1·sr-1), 81.9%的ESD发生前后72h 内高能电子通量峰值≥ 103pfu, 发生率最高时段为电子通量峰值前 48~72h. (3)高能电子对中国同步轨道卫星的SEU影响明显, 42.5% 故障发生 时高能电子通量≥ 103pfu, 故障在峰值前48~72h和峰值后48~72h 的发生概率相当, 约为23.0%. (4)同步轨道卫星SEU受太阳质子事件的影响相对较大, 22.5%的中国同步轨道卫星故障发生前后72h内发生了太阳质子事件, 季节性不明显.
微重力和空间生命科学
LED光谱对模拟空间培养箱中植物生长发育的影响
张岳, 潘璟, 孙卫宁, 郑慧琼
2015, 35(4): 473-485. doi: 10.11728/cjss2015.04.473
摘要:
通过研究在空间植物培养箱中利用LED作为光源对植物生长发育的作用, 并以荧光灯作为对照, 评估LED光源在空间植物培养中的优缺点, 可为中国即将在空间实验室天宫二 号和空间站中开展的高等植物生长实验提供参考. 利用不同比例的红光与白光LED组合光源, 研究光谱组成(红蓝光比例)、光照强度、光周期和气体流通等条件对于模拟空间 植物培养箱中拟南芥和水稻生长发育的影响. 结果表明, 与荧光灯相比, 红蓝光比例高的LED会导致拟南芥提早开花和水稻叶片的早衰. 红蓝光峰值比在3.9左右时, 拟南芥 和水稻生长最为有利; 红蓝光峰值比超过16则明显抑制拟南芥和水稻的生长, 导致叶片早衰. 另外, 在密闭培养箱中, 光强小于150μmol·m-2·s-1时, 增加光照强度可以部分抵消气体流通不足导致拟南芥植物生长的抑制, 而光照强度大 于150μmol·m-2·s-1时, 光强越大拟南芥的生长发育受到抑制越严重. 水稻对密闭培养环境中高光强的耐受性明显好于拟南芥. 因此, 在设计空间植物培养箱的LED光照系统时, 红蓝光的比例选择是关键, 此外还需综合考虑空间微重力条件下气体对流变化影响植物对光的反应.
空间探测技术
考虑相互碰撞影响的月壤颗粒运动轨迹计算方法研究
郑刚, 崔玉红, 于伟, 任德鹏, 叶青, 耿动梁
2015, 35(4): 486-494. doi: 10.11728/cjss2015.04.486
摘要:
针对登月着陆器下降过程扬起月壤颗粒的运动轨迹及空间分布问题, 提出了考虑月壤颗粒发生完全弹性碰撞和非完全弹性碰撞两种情况的月壤颗粒运动轨迹计算方法. 根据质量守恒和能量守恒定律确定月壤颗粒相互碰撞后的速度, 通过羽流场与月壤颗粒的流固耦合相互迭代计算方法, 获得被扬起的月壤颗粒在羽流场和相互碰撞共同作用下随时间的运动轨迹和空间分布. 基于美国Apollo 11登月过程实测数据, 采用数值模拟对该方法进行验证. 结果表明, 考虑月壤颗粒相互碰撞的影响后, 其运动规律出现较明显的扩散趋势. 进一步考虑月壤颗粒相互碰撞引起能量损失的影响后, 月壤颗粒的扩散趋势有所减弱, 并且扬起的高度随着恢复系数的减小而降低.
非相干散射雷达的空间碎片参数统计分析
代连东, 丁宗华, 赵振维, 许正文, 金旺
2015, 35(4): 495-501. doi: 10.11728/cjss2015.04.495
摘要:
采用匹配滤波方法处理了非相干散射雷达的原始采样数据(时长约7h), 共检测到394个空间碎片, 估算了其轨道高度、径向速度、散射截面、等效直径及径向加速度等参数, 统计分析了这些参数的变化特征, 得到穿过雷达 波束的空间碎片流量约为60h-1, 信噪比为10~1000, 空间碎片主要分布在600~1100km和1400~1600km两个高度区间, 散射截面 10-5~10-2m2, 等效直径3~10cm, 径向速度-1.5~1.5km·s-1, 径向加速度20~90m·s-2, 这对于中国的空间碎片探测与研究具有重要参考意义.
Orbit Design for Twin-spacecraft Space VLBI
ZHANG Cheng, WU Xia, ZHENG Jianhua, WU Ji
2015, 35(4): 502-510. doi: 10.11728/cjss2014.04.502
摘要:
Space Very Long Baseline Interferometry (S-VLBI) is an aperture synthesis technique utilizing an array of radio telescopes including ground telescopes and space orbiting telescopes. It can achieve much higher spatial resolution than that from the ground-only VLBI. In this paper, a new concept of twin spacecraft S-VLBI has been proposed, which utilizes the space-space baselines formed by two satellites to obtain larger and uniform uv coverage without atmospheric influence and hence achieve high quality images with higher angular resolution. The orbit selections of the two satellites are investigated. The imaging performance and actual launch conditions are all taken into account in orbit designing of the twin spacecraft S-VLBI. Three schemes of orbit design using traditional elliptical orbits and circular orbits are presented. These design results can be used for different scientific goals. Furthermore, these designing ideas can provide useful references for the future Chinese millimeter-wave S-VLBI mission.
空间科学任务协同设计过程优化
邓丽, 韩潮, 曹晋滨
2015, 35(4): 511-518. doi: 10.11728/cjss2015.04.511
摘要:
为了对概念设计阶段空间科学任务协同设计过程进行合理规划, 减少设计反馈, 降低系统耦合度, 提出了设计结构矩阵(DSM)过程建模和遗传算法(GA) 过程优化算法. 该方法采用DSM对空间科学任务设计活动序列进行建模, 通过DSM描述设计活动间的信息依赖关系, DSM上三角之和代表该设计活动序列设计反馈次数; 将 DSM对应的设计活动序列视为染色体, 采用GA进行序列优化, 最小化设计反馈次数. 通过过程优化算法获取最佳设计活动序列, 优化设计过程, 降低系统耦合度. 空间科学任务实例分析结果表明, 该方法能够有效应用于空间科学任务协同设计的过程建模和过程优化, 指导设计过程的制定.
MIMO空间通信格约简TH预编码分析与改进
姜斌, 包建荣, 唐向宏, 曾嵘
2015, 35(4): 519-524. doi: 10.11728/cjss2015.04.519
摘要:
为了评价现有MIMO空间通信预编码方案并改进, 分析与仿真了基于迫零和最小均方误差准则的联合LLL格约简非线性TH预编码算法. 在TH预编码基础上, 通过改善信道矩阵奇异性, 提出了改进的格约简TH预编码方法. 仿真表明, 采用最小均方准则的预编码MIMO系统性能优于采用迫零准则的系统; 所提格约简TH预编码算法相对现有的TH编码算法, 在采用LLL格约简而使复杂度下降时, 仍可获得相对较好的误码性能, 适合多天线MIMO空间传输预编码等 应用.