极地研究杂志

极地研究杂志2024年第1期

• 南极冰穹A的天文台址测量进展

  商朝晖,胡义

  越来越多的观测证据表明, 昆仑站所在的冰穹A地区在光学、红外和太赫兹等波段都有着地面最佳的天文观测条件。它具有优异的自由大气视宁度, 极低的可沉降水汽含量, 非常暗的夜天光背景, 以及连续数月的极夜可观测时间等。通过对最近17年的工作总结, 着重介绍冰穹A全面的台址测量工作, 并展示测量结果以及最新的进展。

• 北极航道短波组网通信效应及极区粒子沉降对其影响的研究

  葛淑灿,徐彬,李海龙,徐彤,朱梦言,蒙林,吴健

  北极航道是指穿过北冰洋, 连接大西洋和太平洋的海上航道, 北极航道的快速发展对世界政治经济格局将产生深远影响。现有极区单台站短波通信易受极区恶劣空间环境因素的影响, 可通率不高, 无法对北极航道船舶的安全航行提供可靠保障。本文针对北极航道短波通信保障需求, 搭建基于确定性模型的短波通信覆盖区评估理论框架, 探究复折射指数射线追踪功率计算方法, 进而评估北极航道短波组网通信效应, 同时开展了高能粒子沉降等极区电离层扰动对北极航道短波传播效应影响的研究, 旨在为短波组网北极航道通信效能评估与站网规划设计提供理论基础。

• 极区电离层NmF2观测与国际参考电离层对比研究

  徐盛,李培豪,廖小倩,刘瑞源,陈相材

  利用南北极极隙区与极光带纬度3个台站对电离层F2层峰值电子密度(NmF2)长达1个太阳活动周的观测数据, 对国际参考电离层IRI-2016模型在极区的适用性进行系统的定量研究。结果表明, 在极光带纬度的北极Tromsø站, IRI预测与观测符合最好, 大部分季节相对误差在40%以内, 在太阳活动高年略好于太阳活动低年。在极隙区纬度的南极中山站和Longyearbyen站, IRI预测精度在太阳活动低年高于太阳活动高年。在中山站和北极Longyearbyen站仅个别月份相对误差在20%以内, 大部分月份相对误差超过40%, 冬季相对误差接近100%, 特别是Longyearbyen站, 在太阳活动高年冬季相对误差超过100%。从季节上看, 3个台站都是冬季符合最差, 夏季符合最好。IRI-2016模型对极区电离层进行预测时, 难以如实反映极区等离子体对流和能量粒子沉降等极区特有的物理过程对极区电离层NmF2的影响。

• 基于小波分析的地磁甚低频脉动指数及其在高磁纬度地区甚低频脉动共轭对比研究中的应用

  徐中华,C.,Robert,Clauer,Michael,D.,Hartinger,Hyomin,Kim,Daniel,R,Weimer

  地磁甚低频脉动是甚低频磁流体波在磁层中传播的地面表现, 开发近实时空间天气产品来监测这些地磁脉动至关重要。本文基于小波分析提出一种地磁甚低频脉动指数, 并将其应用于研究在南极洲及西格陵兰岛的磁共轭位置观测到的地磁甚低频脉动。研究结果表明, (1)该指数可有效识别 Pc4—Pc5 频率范围内的脉动事件(包括瞬态事件), 并获得甚低频脉动在时域和频域的重要特征。(2)基于共轭位置地磁脉动的小波分析比较揭示了冬至日、夏至日条件下南北半球甚低频脉动的相似性和差异。本研究也表明, 南北半球磁共轭位置观测到地磁脉动存在的差异受到行星际磁场条件、磁场拓扑、观测磁纬度和日照等条件影响, 需要进一步研究案例中实际磁层和电离层配置以及驱动条件。

• 基于双层聚类信息的极光亚暴自动检测

  王平,韩冰,李洁,胡泽骏,尚军亮,葛道辉,袁玉卓

  极光亚暴与太阳风和地球磁场的耦合过程有着紧密的联系, 对其发生和发展机制的研究, 有助于深入地分析行星际磁场、地球磁层和地球电离层的相互作用, 了解太阳风携带的大量能量在地球空间的输运过程, 对地球空间环境预警具有重要的意义。Polar卫星搭载的紫外极光图像成像仪能够全天候地获取紫外极光图像, 在紫外极光图像中可以完整地展示出极区极光的亮度和尺度变化, 尤其是可以清晰地展示出亚暴膨胀相的极光点亮和亮斑膨胀现象。现有的极光亚暴事件检测方法通常需要人工设计特征和相关规则库, 耗时耗力。本文利用紫外极光图像提出了基于双层聚类信息的亚暴事件检测方法, 实现了紫外极光图像数据中的亚暴事件自动检测。同时, 针对极光亚暴事件检测依赖手工设计特征, 设计了子空间聚类指导的三维卷积特征自动提取网络; 针对极光图像帧间存在成像角度差异, 利用地磁纬度和磁地方时信息对极光序列中图像的空间位置进行校正; 针对卫星成像位置变化导致的成像噪声, 利用极光图像级聚类保留极光亮斑区域和剔除未成像或噪声区域。主观和客观实验结果表明, 本算法提升了亚暴事件检测的查全率。

• 极盖区等离子体云块触发的极向边界点亮事件的观测研究

  赵变龙,邢赞扬,张清和,马羽璋,王勇,胡泽骏,张佼佼,王翔宇,陆盛,张端

  极盖区等离子体云块是电子密度比背景高出2倍及以上的高密度不均匀体, 极向边界点亮是夜侧极光卵极向边界亮度显著增强的极光结构。探究极盖区等离子体云块与极向边界点亮现象的形成和演化以及二者之间的关系对理解极区电离层-磁层耦合具有重要意义。本文基于北极黄河站全天空极光成像仪、欧洲非相干散射雷达(EISCAT)、SuperDARN雷达和GPS TEC等多手段观测数据, 揭示极盖区等离子体云块运动到夜侧极光卵极向边界, 进而触发极向边界点亮的完整过程。研究结果表明, (1)高密度等离子体云块从极盖区运动到夜侧极光卵极向边界时, 极向边界附近的极光强度明显增加, 即出现了极向边界点亮现象。(2)极光亚暴发生后, 极光卵极向膨胀, 极向边界到达EISCAT Svalbard 42 m雷达观测视野。该雷达观测到了高密度、高电子和离子温度的结构, 并伴随着电子密度峰值高度下降和离子上行等现象, 这与高密度等离子体云块的输运和当地的极光粒子沉降密切相关。(3)从日侧向夜侧输运的等离子体云块到达夜侧极光卵极向边界附近时可能触发极向边界点亮, 并且影响等离子体云块和极光粒子沉降接触区域的等离子体特征, 这有助于加深我们对夜侧极区电离层-磁层耦合过程的理解。

• 浅谈极区空间物理学的科学革命

  宋璞

  极区空间物理学重要的研究方向之一是剖析南北两极的热层、电离层和磁层的耦合问题。本文简明扼要地描述了极区空间物理学的一场革命——即理论框架的革新。这场科学革命是用磁流体力学理论取代电机工程理论, 目前进行得比较缓慢, 但将在今后的30~50年彻底改变人们对于热层-电离层-磁层的认知。

• 南极大视场望远镜光学系统研究进展

  吴之旭,陈超,姜鹏,丛迦南,杨浩,李正阳

  南极特殊环境可为天文台址提供绝佳的天文观测条件且具有极高的空间碎片过境频率等特性, 因此, 南极大视场望远镜在天文观测、空间碎片管理和深空探测等领域具有重要研究意义。本文基于南极天文观测科学目标的需求, 综合考虑南极天文台址视宁度数据要求, 针对满足南极使用的大视场望远镜光学系统关键科学问题, 首先总结与分析了南极天文台址的特征。其次, 我国先后在南极地区部署的几批大视场光学望远镜, 囊括了几类典型的大视场光学系统, 本文详细探讨了南极大视场望远镜目前采用的多类典型大视场光学系统的设计理论, 并对南极地区现有和规划中的大视场望远镜项目进行了全面的阐述, 介绍了这些系统的关键技术特点。最后, 深入探讨了南极大视场望远镜在天文探测科学研究领域所取得的重要进展, 重点介绍该领域的前沿动态与一些关键性的突破。

• 南极光学天文望远镜控制软件关键技术

  李晓燕,李运,孙天瑞,杨世海,杜福嘉,徐灵哲

  南极天文望远镜控制软件是望远镜软件系统的重要组成部分, 是控制计算机在望远镜用户层和设备层之间运行的关键技术。对于用户层, 控制软件需具备全自动观测的交互接口、卫星通信条件下的远程访问和故障诊断等功能; 对于设备层, 控制软件不但要完成对天体目标的精确指向和精密跟踪、计算并补偿系统误差和控制关键部件以达到目标像质, 而且需实现对电源分配系统、除霜及加热系统的控制、设备及环境信息的采集和监测等。相比于普通台址, 在南极大陆运行的光学天文望远镜有其独特的特点, 控制软件需进行特殊设计。本文重点从操作系统选择、远程建立望远镜指向误差修正模型方法、全自动观测软件接口、卫星通信及远程运维、望远镜实时状态监测和故障诊断等方面探讨了南极天文光学望远镜控制软件的关键技术和设计原则, 并展望未来技术的发展, 为南极天文望远镜的研制和控制系统研发提供技术储备。