How to transform an electromagnetic field across non-inertial frames of reference is a common challenge encountered in electromagnetic space measurements and analyses.Finding clear and precise ways to evaluate transfo...How to transform an electromagnetic field across non-inertial frames of reference is a common challenge encountered in electromagnetic space measurements and analyses.Finding clear and precise ways to evaluate transformation formulas can be difficult.This study presents results of a thorough theoretical investigation that has yielded universal transformation formulas;these transformations are successfully applied to two specific scenarios.We find that,for space plasmas,if the relative velocities of structures are significantly lower than the speed of light,Galilean transformations are suitable.The transformations presented in this paper are applicable,in low speed situations,to electromagnetic fields,electric potentials and magnetic vector potentials,and to charge density and current density,measured in various non-inertial reference frames.Truncation errors associated with these simplified transformations are calculated and shown to be acceptable.These findings have broad implications for space physics measurements and analyses.We address two key issues related to non-inertial frame transformations:first,how to derive a general formula for the rotational electric potential of planets with intrinsic magnetic fields;second,how to verify rigorously the calculation of charge density from MMS(Magnetospheric Multiscale)electrostatic field measurements.We suggest that,due to the validity of the Coulomb gauge,the Poisson equation can be applied in situations of low-speed motion,allowing MMS measurement data to be used to calculate minimal-error charge density.展开更多
现有的电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)时空预测模型主要以堆叠ConvLSTM单元及其变体为主.这种依赖于ConvLSTM的TEC时空预测模型在捕捉局部时空依赖性的时候比较有效.但由于缺乏存储长距离空间记忆的单元,致使长距离的TE...现有的电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)时空预测模型主要以堆叠ConvLSTM单元及其变体为主.这种依赖于ConvLSTM的TEC时空预测模型在捕捉局部时空依赖性的时候比较有效.但由于缺乏存储长距离空间记忆的单元,致使长距离的TEC空间特征依赖难以被ConvLSTM及其变体捕捉.为解决该问题,本文提出了一个基于自注意力记忆卷积长短期记忆网络的电离层TEC时空预测模型SA-ConvLSTM,该模型在具有短期记忆依赖的ConvLSTM基础上,增加了具有长距离记忆依赖的自注意力记忆(self-attention memory,SAM)模块,以便在TEC时空预测中同时兼顾短期记忆和长距离记忆.为了验证SA-ConvLSTM的性能,本文在12.5°S—87.5°N,25°E—180°E区域内选择3年太阳活动高年和3年太阳活动低年的TEC网格数据,在该数据上,将SA-ConvLSTM与目前主流的TEC时空预测模型ConvGRU、ConvLSTM、PredRNN、Residual Attention-BiConvLSTM及CODE提供的电离层预测产品C1PG进行了对比.结果表明,与C1PG、ConvGRU、ConvLSTM、PredRNN和Residual Attention-BiConvLSTM相比,SA-ConvLSTM的RMSE在太阳活动高年分别降低了6.58%、3.89%、5.79%、1.44%、1.21%;在太阳活动低年分别降低了13.42%、10.26%、11.40%、3.20%、4.37%.此外,本文还在不同月份和纬度区域情况下进行了对比,结果表明,在绝大多数月份和绝大多数纬度区域内,SA-ConvLSTM的预测性能更好.最后本文选取了两次磁暴事件来验证SA-ConvLSTM在极端情况下的预测能力.结果表明,SA-ConvLSTM在磁暴的大多数阶段均优于对比模型.展开更多
自2021年11月以来,火星离子与中性粒子分析仪(Mars Ion and Neutral Particle analyzer,MINPA)持续开展火星空间中离子观测,积累了丰富的科学数据.尽管观测过程中仪器背景信号整体较弱,但在离子信号强度较低的时段,其对离子结构的识别...自2021年11月以来,火星离子与中性粒子分析仪(Mars Ion and Neutral Particle analyzer,MINPA)持续开展火星空间中离子观测,积累了丰富的科学数据.尽管观测过程中仪器背景信号整体较弱,但在离子信号强度较低的时段,其对离子结构的识别和参数计算仍可能产生一定影响.为提高数据的科学适用性,本文系统分析了MINPA离子背景信号的统计特征,揭示其能量分布均匀、方位角与质量组依赖性强、具有随时间演化的特性,并指出不同通道间存在明显差异.基于此,提出了一种根据统计特征的动态背景剔除方法,结合典型观测数据对其有效性进行验证.结果表明,该方法在去除背景干扰、提取真实离子信号方面具有良好效果,特别是在弱信号条件下显著提升了体速度与温度等关键参数的反演精度.本研究为MINPA离子数据的科学研究提供了可靠支撑.展开更多
太阳耀斑是太阳大气中最强烈的爆发现象,能够释放大量能量并产生各种波长的电磁辐射.研究太阳耀斑对于理解太阳活动、空间天气预报以及保护地球空间环境至关重要.本数据集基于夸父一号(ASO-S)卫星搭载的全日面成像仪(Solar Disk Imager,...太阳耀斑是太阳大气中最强烈的爆发现象,能够释放大量能量并产生各种波长的电磁辐射.研究太阳耀斑对于理解太阳活动、空间天气预报以及保护地球空间环境至关重要.本数据集基于夸父一号(ASO-S)卫星搭载的全日面成像仪(Solar Disk Imager, SDI)在莱曼阿尔法波段(121.6±7.5) nm采集的全日面图像数据,通过一套自主研发的太阳耀斑自动识别与关键参数提取算法,系统记录了2024年莱曼阿尔法太阳耀斑事件.该算法可有效避免宇宙线、粒子暴等事件的干扰,能够对不同强度级别的耀斑进行识别,并能对日面上同时发生的多个耀斑进行分别识别与追踪.本数据集收录了耀斑的起止时间、持续时间、发生位置、显著性等关键参数,包含耀斑识别过程记录文档、耀斑事件列表、耀斑峰值时刻快视图像和耀斑区域电影动画等数据.该数据集可为太阳物理学研究、空间天气预报以及相关领域提供重要的科学数据支持.展开更多
磁场重联是宇宙中普遍存在的等离子体过程,是多种天体物理现象中爆发性能量释放的关键机制.它能够将储存的磁场能量快速转化为粒子的动能和热能,同时改变磁场拓扑结构.与地球不同,火星没有全球性的内禀磁层,而是具有局部的岩石圈磁场,...磁场重联是宇宙中普遍存在的等离子体过程,是多种天体物理现象中爆发性能量释放的关键机制.它能够将储存的磁场能量快速转化为粒子的动能和热能,同时改变磁场拓扑结构.与地球不同,火星没有全球性的内禀磁层,而是具有局部的岩石圈磁场,特别是在南半球的磁场较强.这种结构使得太阳风可以直接与火星电离层相互作用,通过质量装载和离子拾取等过程,形成包括弓激波、磁鞘、感应磁层顶和磁尾等结构的感应磁层.行星际磁场(interplanetary magnetic field,IMF)能够轻易穿透较弱的火星电离层,而岩石圈磁场可延伸至高空,形成类似于太阳日冕的复杂磁场拓扑,为磁场重联的发生创造了理想条件.此外,火星电离层中存在多种离子成分(如O_(2)^(+)、O^(+)和CO_(2)^(+)),并且某些区域的碰撞效应使得重联事件表现出与传统无碰撞质子-电子重联模型显著不同的特性.本文全面回顾了火星空间环境中磁场重联的观测、理论和数值模拟研究进展,重点分析了感应磁层顶/电离层顶、电离层内部、磁尾和磁鞘等关键区域的重联现象.来自火星大气与挥发分演化任务(the Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN,MAVEN)和天问一号等探测任务的观测揭示了多样化的重联特征,包括Hall磁场、高速离子喷流、离子加热和拓扑变化.例如,在感应磁层顶,拖曳的行星际磁场与固定的电离层磁场重联产生朝向太阳的喷流,驱动显著的离子逃逸,局部逃逸率高达1.0×10^(24) s^(-1).在磁尾,重联事件多发生在太阳风对流电场为负(-E)的半球,表现出与质量相关的离子流出,并导致氧离子的突发逃逸,逃逸率可暂时达到全球水平,如2.4×10^(24) s^(-1).在电离层内部,特别是在强岩石圈磁场区域,开放-开放或拖曳-闭合磁力线之间的重联产生局部加速,并促成环间重联和电子通量增强等现象.本文的重点是磁场重联引发的电离层物质抛射(ionospheric mass ejection,IME),这是一种新发现的现象,类似于太阳的日冕物质抛射(CME).在电离层的低β区域,反向开放磁力线之间的重联会抛射出等离子体空腔,其密度下降数个数量级,伴随的流出速度超过火星的逃逸速度(约5 km/s).MAVEN数据分析表明,IME事件大约每火星日发生三次,每次抛射约1.3 kg的氧离子,累计约42亿年来造成相当于0.046 mm全球水层的氧损失.虽然在当前条件下这一贡献看似较小,但在早期太阳系中,太阳风密度和磁场较强时,大气侵蚀效应可能显著增强.在理论方面,本文介绍了适用于多离子成分重联的多流体广义欧姆定律,扩展了传统的双流体模型.通过无量纲化方法,推导了重离子和轻离子的惯性长度,揭示了分步解耦过程形成的多尺度扩散区,改变了Hall效应、流出结构和无量纲重联率.利用等效质量解释了与质子-电子模型相比的惯性尺度偏差,重离子因受轻离子向外电场影响而具有较大尺度.本文还讨论了碰撞效应,低高度(<300 km)区域的碰撞会展宽扩散区并降低重联效率,可能导致部分碰撞状态,涉及离子-中性或离子-离子相互作用.这些研究不仅阐明了驱动火星大气和水逃逸的能量转换机制,这是火星气候演化和宜居性的关键因素,还推动了基础重联理论的发展.未来,MAVEN与天问一号的多点协同观测,以及与太阳日冕物理的类比,将为这一等离子体过程的天然实验室提供更深入的见解.展开更多
地球辐射带是近地空间高能带电粒子的聚集区域.由于辐射带中的高能粒子对在轨航天器和宇航员的安全构成严重威胁,深入理解辐射带粒子的时空动态演化过程显得至关重要.数据同化方法能够将卫星观测与数值模拟结果有机结合,实现对辐射带粒...地球辐射带是近地空间高能带电粒子的聚集区域.由于辐射带中的高能粒子对在轨航天器和宇航员的安全构成严重威胁,深入理解辐射带粒子的时空动态演化过程显得至关重要.数据同化方法能够将卫星观测与数值模拟结果有机结合,实现对辐射带粒子时空演化过程的重构.本文系统总结了近年来在地球辐射带电子数据同化建模方面的研究成果.首先,详细介绍了基于卡尔曼滤波方法的外辐射带电子三维数据同化模型(three-dimensional data assimilative model of outer radiation belt electrons,TDAMORE).依托TDAMORE模型,开展了基于Van Allen Probes、Arase和FY-4A等不同轨道类型卫星观测数据的辐射带电子同化建模研究.该同化模型充分发挥了卫星观测与数值模型的各自优势,成功重构了外辐射带区域(L=3~7)不同能量与投掷角电子的短期与长期动态演化过程及其对地磁活动的响应特征.基于同化结果,进一步开展了磁暴期间辐射带电子通量的预测研究,并对模型的预测性能进行了评估.最后,本文对辐射带同化模型的未来发展方向和潜在应用场景进行了探讨和展望.展开更多
交换不稳定性广泛存在于工程和自然界中,被认为是木星磁盘内径向物质输运的主要机制之一.本文基于理想磁流体力学理论,考虑了木星内磁层基本物理参数(Feng et al.,2025),获得了未考虑局域近似(扰动波长远小于特征长度)条件下的木星内磁...交换不稳定性广泛存在于工程和自然界中,被认为是木星磁盘内径向物质输运的主要机制之一.本文基于理想磁流体力学理论,考虑了木星内磁层基本物理参数(Feng et al.,2025),获得了未考虑局域近似(扰动波长远小于特征长度)条件下的木星内磁层交换不稳定性色散关系和不稳定判据;通过理论分析获得了木星内磁层交换不稳定性的主要增长模式与增长率.分析结果显示,在当前的参数条件下,在木卫一环内侧区域交换模式稳定;在木卫一环外侧存在交换模式不稳定区间,理论给出了不稳定性发生的空间位置.结果还表明,在木卫一环外侧的离心力与密度梯度共同驱动了交换不稳定性,而偶极磁场曲率与熵梯度对交换模式起致稳作用.当环向模数小于10时,交换不稳定性增长率随环向模数增大而增长;当环向模数大于10时,增长率趋于饱和.交换不稳定性增长率随径向模数增大而减小.理论分析获得的主导模式与数值模拟中增长率最大模式的环向模数(环向模数为m=13)接近.与文献Newcomb(1961)和Ferrière等(1999)的理论结果对比显示,本文推导获得的理论结果与Ferrière理论模型的不稳定区域基本一致,但是与Newcomb理论模型给出的木卫一外侧全区域不稳定的结果有差异.上述差异主要是因为Newcomb理论模型采用平板构型,未考虑弯曲磁场曲率制稳的影响.对比分析显示,理论结果获得的交换不稳定性主导模式(环向模数13)的增长率与Ferrière理论模型增长率接近,这说明局域近似理论能较好地描述木星内磁层交换不稳定性增长过程.与数值模拟结果相比,理论分析获得的主导模式增长率偏高约一个量级.展开更多
基金supported by the National Natural Science Foundation of China(Grants No.42130202(CS),42564008(YJ))the National Key Research and Development Program of China(Grant No.2022YFA1604600(CS))+2 种基金supported by the Shenzhen Technology Project(Grant no.JCYJ20241202123905008)Ningxia Natural Science Foundation(No.2024AAC03080)the International Space Science Institute(ISSI)in Bern,through ISSI International Team project#556(Cross-scale energy transfer in space plasmas).
文摘How to transform an electromagnetic field across non-inertial frames of reference is a common challenge encountered in electromagnetic space measurements and analyses.Finding clear and precise ways to evaluate transformation formulas can be difficult.This study presents results of a thorough theoretical investigation that has yielded universal transformation formulas;these transformations are successfully applied to two specific scenarios.We find that,for space plasmas,if the relative velocities of structures are significantly lower than the speed of light,Galilean transformations are suitable.The transformations presented in this paper are applicable,in low speed situations,to electromagnetic fields,electric potentials and magnetic vector potentials,and to charge density and current density,measured in various non-inertial reference frames.Truncation errors associated with these simplified transformations are calculated and shown to be acceptable.These findings have broad implications for space physics measurements and analyses.We address two key issues related to non-inertial frame transformations:first,how to derive a general formula for the rotational electric potential of planets with intrinsic magnetic fields;second,how to verify rigorously the calculation of charge density from MMS(Magnetospheric Multiscale)electrostatic field measurements.We suggest that,due to the validity of the Coulomb gauge,the Poisson equation can be applied in situations of low-speed motion,allowing MMS measurement data to be used to calculate minimal-error charge density.
文摘自2021年11月以来,火星离子与中性粒子分析仪(Mars Ion and Neutral Particle analyzer,MINPA)持续开展火星空间中离子观测,积累了丰富的科学数据.尽管观测过程中仪器背景信号整体较弱,但在离子信号强度较低的时段,其对离子结构的识别和参数计算仍可能产生一定影响.为提高数据的科学适用性,本文系统分析了MINPA离子背景信号的统计特征,揭示其能量分布均匀、方位角与质量组依赖性强、具有随时间演化的特性,并指出不同通道间存在明显差异.基于此,提出了一种根据统计特征的动态背景剔除方法,结合典型观测数据对其有效性进行验证.结果表明,该方法在去除背景干扰、提取真实离子信号方面具有良好效果,特别是在弱信号条件下显著提升了体速度与温度等关键参数的反演精度.本研究为MINPA离子数据的科学研究提供了可靠支撑.
文摘太阳耀斑是太阳大气中最强烈的爆发现象,能够释放大量能量并产生各种波长的电磁辐射.研究太阳耀斑对于理解太阳活动、空间天气预报以及保护地球空间环境至关重要.本数据集基于夸父一号(ASO-S)卫星搭载的全日面成像仪(Solar Disk Imager, SDI)在莱曼阿尔法波段(121.6±7.5) nm采集的全日面图像数据,通过一套自主研发的太阳耀斑自动识别与关键参数提取算法,系统记录了2024年莱曼阿尔法太阳耀斑事件.该算法可有效避免宇宙线、粒子暴等事件的干扰,能够对不同强度级别的耀斑进行识别,并能对日面上同时发生的多个耀斑进行分别识别与追踪.本数据集收录了耀斑的起止时间、持续时间、发生位置、显著性等关键参数,包含耀斑识别过程记录文档、耀斑事件列表、耀斑峰值时刻快视图像和耀斑区域电影动画等数据.该数据集可为太阳物理学研究、空间天气预报以及相关领域提供重要的科学数据支持.
文摘磁场重联是宇宙中普遍存在的等离子体过程,是多种天体物理现象中爆发性能量释放的关键机制.它能够将储存的磁场能量快速转化为粒子的动能和热能,同时改变磁场拓扑结构.与地球不同,火星没有全球性的内禀磁层,而是具有局部的岩石圈磁场,特别是在南半球的磁场较强.这种结构使得太阳风可以直接与火星电离层相互作用,通过质量装载和离子拾取等过程,形成包括弓激波、磁鞘、感应磁层顶和磁尾等结构的感应磁层.行星际磁场(interplanetary magnetic field,IMF)能够轻易穿透较弱的火星电离层,而岩石圈磁场可延伸至高空,形成类似于太阳日冕的复杂磁场拓扑,为磁场重联的发生创造了理想条件.此外,火星电离层中存在多种离子成分(如O_(2)^(+)、O^(+)和CO_(2)^(+)),并且某些区域的碰撞效应使得重联事件表现出与传统无碰撞质子-电子重联模型显著不同的特性.本文全面回顾了火星空间环境中磁场重联的观测、理论和数值模拟研究进展,重点分析了感应磁层顶/电离层顶、电离层内部、磁尾和磁鞘等关键区域的重联现象.来自火星大气与挥发分演化任务(the Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN,MAVEN)和天问一号等探测任务的观测揭示了多样化的重联特征,包括Hall磁场、高速离子喷流、离子加热和拓扑变化.例如,在感应磁层顶,拖曳的行星际磁场与固定的电离层磁场重联产生朝向太阳的喷流,驱动显著的离子逃逸,局部逃逸率高达1.0×10^(24) s^(-1).在磁尾,重联事件多发生在太阳风对流电场为负(-E)的半球,表现出与质量相关的离子流出,并导致氧离子的突发逃逸,逃逸率可暂时达到全球水平,如2.4×10^(24) s^(-1).在电离层内部,特别是在强岩石圈磁场区域,开放-开放或拖曳-闭合磁力线之间的重联产生局部加速,并促成环间重联和电子通量增强等现象.本文的重点是磁场重联引发的电离层物质抛射(ionospheric mass ejection,IME),这是一种新发现的现象,类似于太阳的日冕物质抛射(CME).在电离层的低β区域,反向开放磁力线之间的重联会抛射出等离子体空腔,其密度下降数个数量级,伴随的流出速度超过火星的逃逸速度(约5 km/s).MAVEN数据分析表明,IME事件大约每火星日发生三次,每次抛射约1.3 kg的氧离子,累计约42亿年来造成相当于0.046 mm全球水层的氧损失.虽然在当前条件下这一贡献看似较小,但在早期太阳系中,太阳风密度和磁场较强时,大气侵蚀效应可能显著增强.在理论方面,本文介绍了适用于多离子成分重联的多流体广义欧姆定律,扩展了传统的双流体模型.通过无量纲化方法,推导了重离子和轻离子的惯性长度,揭示了分步解耦过程形成的多尺度扩散区,改变了Hall效应、流出结构和无量纲重联率.利用等效质量解释了与质子-电子模型相比的惯性尺度偏差,重离子因受轻离子向外电场影响而具有较大尺度.本文还讨论了碰撞效应,低高度(<300 km)区域的碰撞会展宽扩散区并降低重联效率,可能导致部分碰撞状态,涉及离子-中性或离子-离子相互作用.这些研究不仅阐明了驱动火星大气和水逃逸的能量转换机制,这是火星气候演化和宜居性的关键因素,还推动了基础重联理论的发展.未来,MAVEN与天问一号的多点协同观测,以及与太阳日冕物理的类比,将为这一等离子体过程的天然实验室提供更深入的见解.
文摘地球辐射带是近地空间高能带电粒子的聚集区域.由于辐射带中的高能粒子对在轨航天器和宇航员的安全构成严重威胁,深入理解辐射带粒子的时空动态演化过程显得至关重要.数据同化方法能够将卫星观测与数值模拟结果有机结合,实现对辐射带粒子时空演化过程的重构.本文系统总结了近年来在地球辐射带电子数据同化建模方面的研究成果.首先,详细介绍了基于卡尔曼滤波方法的外辐射带电子三维数据同化模型(three-dimensional data assimilative model of outer radiation belt electrons,TDAMORE).依托TDAMORE模型,开展了基于Van Allen Probes、Arase和FY-4A等不同轨道类型卫星观测数据的辐射带电子同化建模研究.该同化模型充分发挥了卫星观测与数值模型的各自优势,成功重构了外辐射带区域(L=3~7)不同能量与投掷角电子的短期与长期动态演化过程及其对地磁活动的响应特征.基于同化结果,进一步开展了磁暴期间辐射带电子通量的预测研究,并对模型的预测性能进行了评估.最后,本文对辐射带同化模型的未来发展方向和潜在应用场景进行了探讨和展望.
文摘交换不稳定性广泛存在于工程和自然界中,被认为是木星磁盘内径向物质输运的主要机制之一.本文基于理想磁流体力学理论,考虑了木星内磁层基本物理参数(Feng et al.,2025),获得了未考虑局域近似(扰动波长远小于特征长度)条件下的木星内磁层交换不稳定性色散关系和不稳定判据;通过理论分析获得了木星内磁层交换不稳定性的主要增长模式与增长率.分析结果显示,在当前的参数条件下,在木卫一环内侧区域交换模式稳定;在木卫一环外侧存在交换模式不稳定区间,理论给出了不稳定性发生的空间位置.结果还表明,在木卫一环外侧的离心力与密度梯度共同驱动了交换不稳定性,而偶极磁场曲率与熵梯度对交换模式起致稳作用.当环向模数小于10时,交换不稳定性增长率随环向模数增大而增长;当环向模数大于10时,增长率趋于饱和.交换不稳定性增长率随径向模数增大而减小.理论分析获得的主导模式与数值模拟中增长率最大模式的环向模数(环向模数为m=13)接近.与文献Newcomb(1961)和Ferrière等(1999)的理论结果对比显示,本文推导获得的理论结果与Ferrière理论模型的不稳定区域基本一致,但是与Newcomb理论模型给出的木卫一外侧全区域不稳定的结果有差异.上述差异主要是因为Newcomb理论模型采用平板构型,未考虑弯曲磁场曲率制稳的影响.对比分析显示,理论结果获得的交换不稳定性主导模式(环向模数13)的增长率与Ferrière理论模型增长率接近,这说明局域近似理论能较好地描述木星内磁层交换不稳定性增长过程.与数值模拟结果相比,理论分析获得的主导模式增长率偏高约一个量级.
