极光沉降粒子的远紫外辐射特性及探测方法研究

CIOMP OpenIR

	极光沉降粒子的远紫外辐射特性及探测方法研究
	丁广兴
学位类型	博士
导师	陈波 ; 张效信
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	极光太阳风远紫外辐射广角极光成像仪模糊聚类算法
摘要	极光是由太阳风携带的能量粒子沿地球磁场沉降进入极区大气,并与高层大气相互碰撞激发出的光,该现象经常出现在以磁极为中心的环带状区域内,该区域称为极光卵。极光卵的动态变化与电离层、磁层、太阳风以及它们之间的耦合过程有着密切的关系,并且随地磁活动的变化而变化,对其研究有助于理解太阳风与地磁场的活动规律,能够有效的预测亚暴的起止时刻。作为风云三号有效载荷,广角极光成像仪在830Km高度处对地球极光椭圆区远紫外波段(140-180nm)极光形态随时间和空间变化过程探测,获得磁层不同区域的时空信息,为研究极光卵的动态变化提供实时数据。本文主要研究140-180nm波段的LBH(LymanBirge-Hopfield)极光辐射,设计相关算法对已有极光数据进行建模处理,为我国风云三号上的广角极光成像仪观测图像数据分析提供依据。本文采用数值模拟与卫星观测数据统计分析相结合的方法,对极光辐射特征以及极光卵随太阳风、行星际磁场和地磁活动动态变化进行研究,研究内容包括:(1)介绍并分析了多颗用于观测远紫外波段极光辐射的仪器,包括POLAR/UVI,IMAGE/WIC,TIMED/GUVI以及DMSP/SSUSI。分别解析了它们的构造与性能等。描述了我国自主研发的广角极光成像仪的构成和重要性能指标。其观测140-180nm波段的极光LBH辐射,星下点分辨率优于10Km,时间分辨率≤2 min(1帧),其搭载在风云三号卫星上,在830Km高度处总视场达130°×130°,满足了低轨道卫星载荷获取极光卵全貌的要求。(2)利用改进的大气紫外辐射积分代码(AURIC)设计了一种从空间观测数据中分离极光和日辉的算法。改进的AURIC主要表现在更新了初始数据库,计算中沿观测视线加入了太阳天顶角的变化,较原始计算代码能够适用于大视场观测模式下的模拟计算。首先由DMSP F16卫星探测的数据计算出2005年一整年里极区110Km高度处的日辉LBH辐射强度,然后由改进的AURIC进行点对点模拟计算,最后将观测结果和计算结果按地磁指数Ap进行分类并利用多项式拟合确定两者关系。统计分析表明,该方法能够有效的分离极光观测中的日辉成分,尤其是在地磁活动较弱的条件下。(3)利用国外两颗卫星探测器(TIMED/GUVI和DMSP/SSUSI)观测的极光数据图像,采用模糊局部C均值聚类分割算法(FLICM)设计了一套自动提取极光卵极向边界和赤道向边界的算法。并且统计分析了2005年一整年中由该算法提取的极光卵边界与DMSP F13、F14、F15、F16卫星上SSJ探测器探测的沉降粒子边界,对比结果显示该算法提取的边界磁纬度值在2 sigma范围内精度值能够控制在±3MLAT。表明该算法是一种提取极光卵边界的有效算法,为广角极光成像仪采集极光图像数据的处理提供了依据。(4)构建极光卵随太阳风,行星际磁场IMF以及地磁参数的动态响应模型。构建完成了三个极光卵模型,分别包括:极光卵随单一地磁指数Kp的模型(模型1),极光卵多元线性回归模型(模型2)以及极光卵随太阳风-磁层耦合函数?、极光电集流指数AE和环电流指数SYM-H的模型(模型3)。模型1是利用爱泼斯坦方程拟合TIMED/GUVI在轨观测的极光数据构建所得。模型2是利用多元线性回归方程将参数Vsw,Nsw,Bx,By,Bz,AE与由POLAR/UVI观测的极光数据中提取出的边界数据进行拟合,从而构建的极光卵边界模型。模型3首先分析了太阳风和IMF各参量在不同磁地方时MLT区间里与极光卵边界的相关性与变化关系,进而选择了?,AE和SYM-H进行边界建模,边界内部极光沉降电子平均能量与能量通量的分布采用爱泼斯坦方程进行拟合。三个极光卵模型对于研究太阳风,磁层以及电离层的相互耦合,空间天气的预报与现报等具有重要的应用价值和科学价值。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61647
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	丁广兴. 极光沉降粒子的远紫外辐射特性及探测方法研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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