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2013年  第33卷  第6期

日球层物理和太阳系探测
Magnetospheric Boundary Layer Structure and Dynamics as Seen From Cluster and Double Star Measurements
Y V Bogdanova, C J Owen, M W Dunlop, M G G T Taylor, A N Fazakerley
2013, 33(6): 577-603. doi: 10.11728/cjss2013.06.577
摘要:
In this review, we discuss the structure and dynamics of the magnetospheric Low-Latitude Boundary Layer (LLBL) based on recent results from multi-satellite missions Cluster and Double Star. This boundary layer, adjacent to the magnetopause on the magnetospheric side, usually consists of a mixture of plasma of magnetospheric and magnetosheath origins, and plays an important role in the transfer of mass and energy from the solar wind into the magnetosphere and subsequent magnetospheric dynamics. During southward Interplanetary Magnetic Field (IMF) conditions, this boundary layer is generally considered to be formed as a result of the reconnection process between the IMF and magnetospheric magnetic field lines at the dayside magnetopause, and the structure and plasma properties inside the LLBL can be understood in terms of the time history since the reconnection process. During northward IMF conditions, the LLBL is usually thicker, and has more complex structure and topology. Recent observations confirm that the LLBL observed at the dayside can be formed by single lobe reconnection, dual lobe reconnection, or by sequential dual lobe reconnection, as well as partially by localized cross-field diffusion. The LLBL magnetic topology and plasma signatures inside the different sub-layers formed by these processes are discussed in this review. The role of the Kelvin-Helmholtz instability in the formation of the LLBL at the flank magnetopause is also discussed. Overall, we conclude that the LLBL observed at the flanks can be formed by the combination of processes, (dual) lobe reconnection and plasma mixing due to non-linear Kelvin-Helmholtz waves.
基于AMS-01实验估算羊八井处原初宇宙线的流强和能谱
祝凤荣, 冉政, 徐立军, 高林超, 梁含笑, 史亚利, 贾焕玉
2013, 33(6): 604-607. doi: 10.11728/cjss2013.06.604
摘要:
利用Alpha Magnetic Spectrometer(AMS)实验对近地空间不同地磁纬度处不同能量原初宇宙线微分能谱的观测,通过积分近似计算和拟合方法,研究得出西藏羊八井地磁纬度处原初宇宙线质子动能在0.44~4.31GeV,4.31~12.38GeV,12.38~199.06GeV区间内的积分流强与拟合能谱函数以及原初宇宙线氦核在刚度区间6.92~14.45GV,14.45~229.9GV的积分流强与拟合能谱函数,为近一步进行羊八井处本底宇宙线流强估算奠定了基础.
中低纬度Pc3-4地磁脉动特性研究——子午工程数据分析初步结果
张青梅, 王赤, 李晖, 李传起
2013, 33(6): 608-616. doi: 10.11728/cjss2013.06.608
摘要:
利用新建成的子午工程地磁台站数据,对比分析了地磁平静期间(2011年3月20-27日)和磁暴期间(2011年9月25日至10月1日)Pc3-4地磁脉动的时空分布特征及其对行星际条件的响应.数据分析结果表明,中低纬度(1.3<L<2.3,L为磁壳参数)的Pc3-4地磁脉动在这两个时期内的分布存在明显的晨昏不对称性,在昼侧前出现明显的Pc3-4地磁脉动并与行星际上游波动密切相关,其振幅增强可能与太阳风动压脉冲相关,高速太阳风更易导致Pc3-4地磁脉动;而对于近赤道低纬(L<1.3)区域,无论是在地磁平静期还是磁暴期均未能观测到Pc3-4地磁脉动,Pc3-4地磁脉动存在明显的纬度效应.
基于稀疏地磁数据的中低纬度磁暴感应地电场的算法研究
吴伟丽, 刘连光
2013, 33(6): 617-623. doi: 10.11728/cjss2013.06.617
摘要:
强磁暴产生的地磁感应电流是诱发电力系统灾害性事故的关键因素,预防与控制地磁感应电流的必要途径是评估其在系统中的水平.掌握磁暴感应地电场的时空分布是评估所在区域电网地磁感应电流的基础,可为研究与防治电网磁暴灾害提供参考.在中国现有稀疏分布的地磁台观测数据基础上,建立了电离层等效球面元电流系统模型,并将其与复镜像法结合,建立了磁暴感应地电场和地磁场的计算模型.利用磁暴期间实测的地磁台站数据进行了计算,算例结果与平面波理论计算结果的对比证明了算法的正确性与有效性.计算结果可直接应用于电力系统的地磁感应电流计算,为分析电力系统磁暴灾害风险提供参考.
Klobuchar模型的实用分析与改进
赵威, 张成义
2013, 33(6): 624-628. doi: 10.11728/cjss2013.06.624
摘要:
电离层延迟误差是无线电信号传播中不可忽视的误差源.GPS特许用户利用双频接收机的双频观测值直接对电离层延迟进行实时测定,其所得结果精度很高.多数普通用户所使用的单频接收机依靠电离层模型对其进行误差修正,效果不很理想.本文通过WUHN观测站双频接收机10天的实测数据对GPS广播星历采用的Klobuchar模型进行了验证,其结果与前人论述相一致.此外,经由反映太阳活动强度的太阳相对黑子数对Klobuchar模型提出了新的改进方法.实验数据结果表明,该方法对此模型修正效果有大幅提升,对原模型修正效果>50%的修正率由60%左右提升至85%以上,>80%的修正率由10%左右提升至40%以上.在实际应用中单频接收机用户可以参考本文改进方法对Klobuchar模型进行修正.
北极黄河站极光亚暴期间低热层大气中性风研究
熊波, 张燕革, 艾勇, 张虹, 刘珏
2013, 33(6): 629-636. doi: 10.11728/cjss2013.06.629
摘要:
极光亚暴是地球空间基本的能量输入、耦合及耗散过程,其对低热层大气中性风的影响不容忽视,对这一问题进行深入研究具有重要意义.2010年11月,中国北极黄河站(78.92°N,11.93°E)安装了一台自主研制的全天空法布里-珀罗干涉仪(FPI)并开始进行正常观测,为中国首次获得了极光亚暴期间的FPI观测数据.根据2012年越冬期间的观测情况,对2012年11月12-14日及12月09-11日两个极光亚暴事件期间的数据进行处理,计算得到了5级干涉环对应的风场.亚暴期间风场变化与地磁活动变化的对比分析表明,风速的剧烈变化可能是由地磁活动剧烈扰动造成的.针对2012年11月13日00:00UT-02:00UT和2012年12月10日05:00UT-07:30UT的亚暴事件,将全天空相机拍摄到的极光图像与FPI干涉图像对应的视线风场进行对比分析.结果表明在极光活动中,视线风速加强的方向与极光弧的方向垂直,而在极光弧的平行方向,风速相对较小.
天气尺度到气候尺度太阳风变速对中高纬大气环流的影响
黄静, 周立旻, 肖子牛, 陈涛
2013, 33(6): 637-644. doi: 10.11728/cjss2013.06.637
摘要:
通过对冬季太阳风短时(天气尺度)降速与北大西洋涛动和北极涛动等北半球中高纬度环流指数的时序重叠分析,结合对1963年以来48个冬季太阳风平均速度与北极涛动等指数的相关分析发现,从短时太阳风降速到向亚极光带沉降的辐射带高能电子通量显著下降,北极涛动也有迅速的响应,这预示着从太阳风到大气环流存在天气尺度的短时关系链,在这一时间尺度现有理论中仅有“空间粒子-大气电-云微物理”联系机制能较好地解释;太阳风速度与北极涛动的正相关信号在气候尺度上也有显著体现,太阳风可能通过高能电子沉降与北半球冬季中高纬度环流相联系,这表明太阳风通过大气电-云微物理过程驱动的过程是太阳活动影响气候变化的不可忽视的途径;开展太阳风起源、空间环境与大气(环流、电场)和地磁系统的联合观测及数值模拟是揭示日地天气与气候联系的重要研究内容之一.
星载FPI探测低热层温度的研究
刘珏, 艾勇, 张燕革, 胡国元, 熊波, 陈瑶
2013, 33(6): 645-650. doi: 10.11728/cjss2013.06.645
摘要:
80~350km高度区域的大气温度与风场探测研究对于认识全球性空间动力学和日地耦合机制具有重要科学意义.法布里-珀罗干涉仪(FPI)能够通过分析接收光的干涉环反演计算出一定高度大气层的风场和温度.近年来,中国利用多种地基探测设备对中高层大气进行了观测研究,对于温度反演和星载探测技术的研究开始起步.本文基于系统传输函数和发射谱线函数的卷积,讨论了利用FPI探测高空大气温度反演计算的原理;分析了星载FPI探测的方法,根据星载FPI探测与地基探测的不同点,仿真了星载探测干涉图;结合中国观测技术现况及空间探测需要,讨论了发展星载空间环境探测仪的可行性.
微重力和空间生命科学
辐射条件下微藻基因表达内参基因的选择
蔡文凯, 胡金璐, 李双双, 单革, 王高鸿
2013, 33(6): 651-658. doi: 10.11728/cjss2013.06.651
摘要:
作为空间辐射的一种主要成分,紫外辐射可广泛引起陆地植物与水生生物细胞及其组份的破坏.荧光定量PCR技术广泛应用于各类胁迫环境下,研究目的基因的转录水平.在荧光定量PCR中选用合适的内参基因,能够更加准确地校正和标准化目的基因转录水平.本实验研究了辐射条件下水生生物莱茵衣藻6个传统内参基因18SrRNA,GAPDH,β-actin,β-tubulin,EF1-α和UBC基因表达的稳定性.经GeNorm软件研究分析,在辐射条件下,莱茵衣藻18SrRNA基因表达最不稳定,而选用β-actin和GAPDH作为双内参,可以得到更精确的实验结果.
空间探测技术
航天器介质放电脉冲频谱特征实验研究
全荣辉, 张振龙, 韩建伟
2013, 33(6): 659-663. doi: 10.11728/cjss2013.06.659
摘要:
空间电子辐射环境下,航天器介质的充放电效应是威胁航天器安全的重要因素.介质放电现象除与材料参数及构型相关外,还与空间电子环境密切相关.本文通过电子枪和Sr90放射源在地面实验装置上模拟空间电子辐照环境,测试了环氧树脂、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等常见空间材料在不同温度、不同电子能量和电子束流强度影响下的放电脉冲,并对放电电流脉冲和电场脉冲进行频谱分析.实验分析结果表明,介质材料的放电电流脉冲频谱具有明显的单峰结构,该峰值与材料厚度和入射电子能量相关,但受材料温度和辐照束流强度影响不大.
SFODB总线在飞行器数据管理中的应用探讨
邱爱华, 张涛
2013, 33(6): 664-671. doi: 10.11728/cjss2013.06.664
摘要:
SFODB(Spaceborne Fiber Optic Data Bus)的提出主要是为解决飞行器内部有效载荷数据率日益提高这一迫切问题,它是一种基于商用异步传输模式(ATM)的高速航天数据总线技术,适合于空间探测器的海量数据包传输.其物理拓扑是由光纤链路连接多个FBIU单元以及单个CFBIU单元组成的环形网络,各节点之间的距离不超过100m,基本数据率可从200Mbit·s-1变化至1Gbit·s-1,并具有极高的实时性和可靠性,相比其他总线网络规模小,性能更优.针对SFODB的特性,分析了其发展现状和技术途径,提出了一种在飞行器内部采用SFODB总线作为主干网的数据网络架构,该网络能完成飞行器内部不同数据率载荷的分类分层可靠传输.在此基础上对SFODB的研究与应用提出了建议.
粒子激发X射线谱仪的热设计和热仿真计算
张家宇, 王焕玉, 张承模, 杨家卫, 梁晓华, 高旻, 汪锦州, 崔兴柱, 彭文溪
2013, 33(6): 672-677. doi: 10.11728/cjss2013.06.672
摘要:
粒子激发X射线谱仪(APXS)安装在月面巡视器外部,利用巡视器的机动性和机械臂的灵活性,可以对月面有研究价值的月岩及月壤进行有针对性的探测.由于裸露在巡视器外部,月球复杂外热流会对APXS产生较大影响.鉴于此,需对APXS进行合理的热设计,以保证APXS的探测器和电子学器件工作在允许的温度范围内.提出了APXS的热设计方案,据此对APXS进行热仿真计算,计算结果得到了相应热平衡试验的较好验证.
子午工程探空火箭伸杆展开机构技术研究
杨萱, 杨华, 孙健, 邹向荣, 马鑫, 周伟
2013, 33(6): 678-682. doi: 10.11728/cjss2013.06.678
摘要:
根据子午工程探空火箭电子和电场探测需求,设计了套筒式伸杆展开机构.通过电子伸杆和电场伸杆的结构方案设计、力学仿真分析,伸杆单项力学试验,伸杆与整箭的匹配力学试验以及伸杆飞行试验验证得出,该伸杆技术方案合理可行,伸杆总体构型、布局设计及结构方案设计满足科学探测各项技术指标的要求.
柔性关节空间机器人基于柔性补偿的模糊鲁棒滑模控制及柔性振动主动抑制
谢立敏, 陈力
2013, 33(6): 683-689. doi: 10.11728/cjss2013.06.683
摘要:
针对参数不确定的漂浮基柔性关节空间机器人系统,研究了其动力学建模过程、运动控制律设计及柔性振动的主动抑制.利用系统动量、动量矩守恒关系和拉格朗日方程建立了系统的动力学方程.为克服传统奇异摄动法仅适用于关节弱柔性系统这一局限性,设计了柔性补偿项来等效提高空间机器人系统中柔性关节的刚度.在此基础上,利用奇异摄动法将系统分解为相互独立的慢变子系统和快变子系统,并分别进行控制律设计.所设计的慢变子系统模糊鲁棒滑模控制律可补偿系统中的不确定参数,减小柔性关节引起的转角传动误差,实现系统期望运动轨迹的渐近跟踪;快变子系统控制律可主动抑制柔性关节引起的系统柔性振动.仿真实验结果证明了该混合控制律的有效性.