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无碰撞磁场重联地面实验平台的研制与建设
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作者 张乔枫 谢锦林 +6 位作者 桑龙龙 杨发 唐磊 白子逸 刘悠然 胡市航 陆全明 《地球与行星物理论评(中英文)》 2024年第3期317-328,共12页
中国科学技术大学无碰撞磁场重联实验平台(KRX)是以揭示无碰撞磁场重联的触发机制、对无碰撞磁场重联电子扩散区的结构及相关等离子体波动进行深入细致研究为目标而建设的大型等离子体装置,是开展空间环境基本物理过程地面实验模拟的综... 中国科学技术大学无碰撞磁场重联实验平台(KRX)是以揭示无碰撞磁场重联的触发机制、对无碰撞磁场重联电子扩散区的结构及相关等离子体波动进行深入细致研究为目标而建设的大型等离子体装置,是开展空间环境基本物理过程地面实验模拟的综合性平台.装置主体为直线位形,真空室直径3 m,由多段拼接而成,整体呈胶囊型,内部采用2 m×1 m全球最大氧化物阴极源产生均匀的背景等离子体.装置外部环绕10组导向场磁线圈,内部由上下两块平行电流板通同向脉冲电流构建重联磁场位形,脉冲电源采用“H”桥结构实现了可控的变速率重联驱动.在装置四周共开设200多个真空窗口,能够通过探针阵列及太赫兹偏振干涉仪、激光诱导荧光等先进光学诊断系统对磁场重联过程开展全域、主动、高精度的测量.该平台是最新一代磁场重联实验平台,其重联区域尺寸达到10倍离子惯性长度,伦德奎斯特数S有望达到105,为开展无碰撞磁场重联实验创造了良好条件,能够对磁场重联过程开展多尺度、全面细致的研究,是卫星观测和数值模拟研究重要补充.目前,实验平台已完成基础建设以及诊断等关键组件的研制,并在小型装置预研结果的基础上完善了针对多尺度、多磁岛合并、三维磁场重联等热点问题的研究方案. 展开更多
关键词 空间环境 磁场重联 等离子体装置 地面实验
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空间等离子体与垂直无碰撞激波相互作用的数值实验 被引量:6
2
作者 陆全明 李毅 王水 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 1996年第4期287-292,共6页
应用混合模拟方法数值研究了高Alfven—Mach数垂直无碰撞激波与等离子体间的相互作用。结果表明,激波上游的磁场非常稳定,粒子分布近似为Maxwell分布。激波下游磁场存在不规则的湍动,质子分布有一个高能尾,且有些... 应用混合模拟方法数值研究了高Alfven—Mach数垂直无碰撞激波与等离子体间的相互作用。结果表明,激波上游的磁场非常稳定,粒子分布近似为Maxwell分布。激波下游磁场存在不规则的湍动,质子分布有一个高能尾,且有些质子被激波反射。跟踪少量高速质子的计算结果表明,在t=40Ω时约有40%的质于被激波反射,而7%质子可被加速,最大速度值可达到20VA激波区的电场分布对质子的减速或加速起了主要的作用。 展开更多
关键词 无碰撞激波 粒子加速 行星际磁场
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二维混合模拟方法及应用 被引量:4
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作者 陆全明 王水 《计算物理》 CSCD 北大核心 2002年第3期208-212,共5页
设计了一个二维混合模拟程序 ,并用其计算了等离子体物理中的束流不稳定性 .结果表明 ,此程序在计算过程中使能量基本保持守恒 。
关键词 二维混合模拟 束流不稳定性 等离子体 计算 动力学
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行星际结构与垂直无碰撞激波的相互作用 被引量:2
4
作者 陆全明 李毅 王水 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 1997年第3期200-205,共6页
应用一维混合模拟方法数值研究了两种行星际结构──反向磁场和高密度等离子团与垂直无碰撞激波的相互作用.结果表明,随着激波上游区磁场的反向,下游区磁场将逐渐改变符号,且等离子体密度和速度分别呈现较强的湍动.激波上游和下游... 应用一维混合模拟方法数值研究了两种行星际结构──反向磁场和高密度等离子团与垂直无碰撞激波的相互作用.结果表明,随着激波上游区磁场的反向,下游区磁场将逐渐改变符号,且等离子体密度和速度分别呈现较强的湍动.激波上游和下游的物理量依然满足Rankine-Hugonoit关系.当高密度的等离子体团通过垂直无碰撞激波时,部分质子被激波反射,部分质子被加速并进入下游区域.由于质子速度分布为非Maxwell分布,在激波下游也激发出较强的湍动. 展开更多
关键词 无碰撞激波 反向磁场 等离子体团 行星际结构
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准平行无碰撞激波的混合模拟 被引量:3
5
作者 陆全明 王水 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 1998年第1期8-14,共7页
本文应用一维混合模拟方法数值研究了准平行无碰撞激波的结构.结果表明,激波上游的质子和准平行无碰撞激波相互作用后,有部分质子被激波反射,并向激波上游运动很长一段距离,从而激发起束流不稳定性,引起大振幅的共振右旋偏振的低... 本文应用一维混合模拟方法数值研究了准平行无碰撞激波的结构.结果表明,激波上游的质子和准平行无碰撞激波相互作用后,有部分质子被激波反射,并向激波上游运动很长一段距离,从而激发起束流不稳定性,引起大振幅的共振右旋偏振的低频波动.这些波动在太阳风的带动下向激波下游运动,靠近激波后与激波合井,同时在激波的上游不断有新的波动产生.此过程能不断重复地进行.在平行无碰撞激波的情况下,在激波的下游还有大振幅的非共振右旋偏振的低频波动.激波上游的低频波动在向下游运动的过程中强度不断加强,最后超过原来激波的强度,形成新的激波. 展开更多
关键词 无碰撞激波 低频波动 混合模拟 太阳风 磁流
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二维粒子模拟方法及在空间物理中应用 被引量:1
6
作者 陆全明 郭俊 +1 位作者 窦贤康 王水 《计算物理》 EI CSCD 北大核心 2004年第2期137-142,共6页
 在粒子模拟的PIC(particle in cell)模式中,与场有关的物理量如电磁场等分配在固定的网格点上,而粒子则可在计算区域的任意位置上.设计了一个二维三分量的粒子模拟程序,并用它计算了空间物理中两种常见的物理现象:束流不稳定性和磁场...  在粒子模拟的PIC(particle in cell)模式中,与场有关的物理量如电磁场等分配在固定的网格点上,而粒子则可在计算区域的任意位置上.设计了一个二维三分量的粒子模拟程序,并用它计算了空间物理中两种常见的物理现象:束流不稳定性和磁场重联.在束流不稳定性问题中,一束速度为Vb=10VA(VA为Alfv啨n速度)的等离子体在背景等离子中运动,通过波粒相互作用可激发沿磁场方向传播的Alfv啨n波.在磁场重联问题中,具有Harris形态的电流片可自发地引起磁场重联,并且By分量的磁场具有四极形分布. 展开更多
关键词 空间物理 粒子模拟 束流不稳定性 磁场重联 Alfvén波 Harris形态
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空间等离子体环境中的高能带电粒子加速机制 被引量:2
7
作者 陆全明 黄灿 杨忠炜 《航天器环境工程》 2014年第6期571-576,共6页
空间环境中充满能量从几十ke V到几Me V的高能带电粒子,这些粒子可导致在轨航天器表面和内部带电甚至单粒子效应,从而引发航天器故障。高能粒子的产生和日地空间环境中的爆发现象如耀斑、磁层亚暴等密切相关。文章综述了与这些爆发现象... 空间环境中充满能量从几十ke V到几Me V的高能带电粒子,这些粒子可导致在轨航天器表面和内部带电甚至单粒子效应,从而引发航天器故障。高能粒子的产生和日地空间环境中的爆发现象如耀斑、磁层亚暴等密切相关。文章综述了与这些爆发现象相关的磁重联、激波和等离子体波动等加速带电粒子的物理过程。 展开更多
关键词 空间等离子体 高能带电粒子 磁重联 激波 波和粒子相互作用
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空间等离子体中二维电子相空间空洞 被引量:1
8
作者 陆全明 黄灿 《中国科学技术大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2007年第8期879-884,共6页
利用二维粒子模拟方法分别研究了弱磁化(Ωe=0.5pωe,其中Ωe和ωpe分别为电子的回旋频率和等离子体频率)和强磁化(Ωe=2.0pωe)等离子体中电子双流不稳定性激发静电波的非线性演化过程.结果表明,在这两种情况下,基本的物理过程都是一... 利用二维粒子模拟方法分别研究了弱磁化(Ωe=0.5pωe,其中Ωe和ωpe分别为电子的回旋频率和等离子体频率)和强磁化(Ωe=2.0pωe)等离子体中电子双流不稳定性激发静电波的非线性演化过程.结果表明,在这两种情况下,基本的物理过程都是一个几乎单色的静电波在波动的线性阶段被激发,随后在非线性阶段这个静电波的波形互相合并,直至最后形成一个或几个静电孤立结构,这些结构对应于电子速度相空间中的空洞.所不同的是,在弱磁化等离子体中,形成的孤立波有着二维结构,即在两个方向都是有界的.而在强磁化等离子体中,所形成的孤立波是准一维的,即在平行于背景磁场方向是有界的,而在垂直于背景磁场方向是无界的,但是在此方向上无论是平行还是垂直电场都是有变化的.如沿着平行于背景磁场的方向切割静电孤立结构,这两种情况下的孤立波的平行电场都具有双极结构,而垂直电场有单极结构,这些结果和在地球极区上空的观测相符.另外,在强磁化等离子体中,电子空洞可激发静电哨声波,并破坏这些静电孤立结构,直至静电哨声波足够强后这些静电孤立结构消失. 展开更多
关键词 电子空洞 静电孤立结构 粒子模拟 静电哨声波
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二维等离子体并行PIC模拟的性能分析及应用
9
作者 陆全明 窦贤康 +1 位作者 王水 王曙 《计算物理》 EI CSCD 北大核心 2005年第3期264-270,共7页
 通过区域分解法实现了二维等离子体粒子模拟程序并行化,并将此程序运行在由16个PentiumⅢ1 6GCPU组成的微机机群上,对其性能进行了测试.结果表明,在计算规模一定的情况下,并行程序的并行效率随计算结点的增加而降低;而在计算节点不变...  通过区域分解法实现了二维等离子体粒子模拟程序并行化,并将此程序运行在由16个PentiumⅢ1 6GCPU组成的微机机群上,对其性能进行了测试.结果表明,在计算规模一定的情况下,并行程序的并行效率随计算结点的增加而降低;而在计算节点不变的情况下,并行效率随计算规模的增加而增加,并行计算更适合于计算规模大的物理问题.利用此并行程序计算了等离子体中的束流不稳定性,结果表明,在波动激发的线性增长阶段,等离子体束流激发的Alfv啨n波基本上沿背景磁场方向传播,其波数满足共振条件ω-kVb=-Ωi,其中ω和k分别为Alfv啨n波的频率和波数,Vb为束流的速度,Ωi为离子的回旋频率. 展开更多
关键词 等离子体 PIC模拟 性能分析 二维 PENTIUM 应用 束流不稳定性 并行效率 程序并行化 区域分解法 粒子模拟 程序运行 并行程序 计算节点 程序计算 物理问题 并行计算 磁场方向 共振条件 CPU 规模 增长阶 激发 波数 频率 波动
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基于Java的粒子模拟程序及其改进
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作者 陆全明 蒋友毅 +2 位作者 王曙 周艳 王水 《计算机工程与科学》 CSCD 2004年第12期67-70,共4页
本文介绍了如何用Java实现粒子模拟的面向对象的并行程序设计方法 ,并在由 1 6个Pen tiumIII 1 .6GCPU组成的微机机群上测试了其性能。同时 ,为了提高它的计算性能 ,我们还介绍了利用JNI实现Java和Fortran混合编程的方法 ,即把程序中计... 本文介绍了如何用Java实现粒子模拟的面向对象的并行程序设计方法 ,并在由 1 6个Pen tiumIII 1 .6GCPU组成的微机机群上测试了其性能。同时 ,为了提高它的计算性能 ,我们还介绍了利用JNI实现Java和Fortran混合编程的方法 ,即把程序中计算量较大的部分用Fortran语言代替 ,以提高其计算性能。结果表明 。 展开更多
关键词 混合编程 计算性能 JNI 并行程序设计方法 机群 CPU 科学计算 粒子模拟 计算量 测试
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行星际结构与准平行无碰撞激波的相互作用
11
作者 陆全明 李毅 王水 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 1997年第4期289-293,共5页
应用一维混合模拟方法数值研究了高密度等离子体团和行星际激波与准平行无碰撞激波的相互作用.结果表明,由于推平行无碰撞激波上游的大振幅低频波动的散射,除了在通过激波过渡区时稍有压缩外,等离子体团从激波的上游开始就一直是不... 应用一维混合模拟方法数值研究了高密度等离子体团和行星际激波与准平行无碰撞激波的相互作用.结果表明,由于推平行无碰撞激波上游的大振幅低频波动的散射,除了在通过激波过渡区时稍有压缩外,等离子体团从激波的上游开始就一直是不断弥散的.行星际激波在向准平行无碰撞激波靠近的过程中,会在其上游产生大振幅的低频波动,同时行星际激波的强度不断增加,最后和准平行无碰撞激波会并成一个新的激波。 展开更多
关键词 无碰撞激波 等离子体团 行星际激波 混合模拟
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垂直无碰撞激波中多离子波动和He^(2+)加热
12
作者 陆全明 王水 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 1997年第5期598-605,共8页
应用一维混合模拟方法数值研究了高Alfven-Mach数垂直无碰撞激波中He2+的运动及其加热机制.结果表明,在激波面处将会产生向下游传播的多离子波动,它对He2+加热有着重要影响.He2+的加热过程可能包含两个阶段,由于质子温度各向异性... 应用一维混合模拟方法数值研究了高Alfven-Mach数垂直无碰撞激波中He2+的运动及其加热机制.结果表明,在激波面处将会产生向下游传播的多离子波动,它对He2+加热有着重要影响.He2+的加热过程可能包含两个阶段,由于质子温度各向异性激发的质子回旋波和镜波先使He2+加热,而He2+与多离子波动相互作用进一步使He2+加热到更高的温度. 展开更多
关键词 无碰撞激波 多离子波动 He^2+加热 太阳风
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在微机机群上用PGHPF实现并行粒子模拟
13
作者 陆全明 王水 《计算机工程与科学》 CSCD 2001年第1期65-67,共3页
由微机组成的微机机群因其高性能价格比正受到各研究领域的关注。我们建立了一个有1 6个 Pentium Pro 2 0 0 0 MHz CPU的微机机群 ,并在此微机机群上用 PGHPF实现了二维和三维并行粒子模拟程序。结果表明 ,PGHPF的性能可与 MPI相比拟 ,... 由微机组成的微机机群因其高性能价格比正受到各研究领域的关注。我们建立了一个有1 6个 Pentium Pro 2 0 0 0 MHz CPU的微机机群 ,并在此微机机群上用 PGHPF实现了二维和三维并行粒子模拟程序。结果表明 ,PGHPF的性能可与 MPI相比拟 ,最多用 1 6个 CPU同样能达到比较高的并行效率。 展开更多
关键词 微机机群 PGHPF 并行粒子模拟 计算机仿真
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磁场重联的二维粒子模拟研究 被引量:4
14
作者 郭俊 陆全明 +1 位作者 王水 窦贤康 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2003年第4期248-255,共8页
利用二维全粒子模拟方法研究了无碰撞等离子体中的磁场重联过程,得到了不同区域的离子和电子速度分布。计算结果表明,电子和离子在扩散区中的不同动力学特性产生的Hall电流使磁场的y分量B_y呈现四极形分布。离子和电子的速度分布偏离了... 利用二维全粒子模拟方法研究了无碰撞等离子体中的磁场重联过程,得到了不同区域的离子和电子速度分布。计算结果表明,电子和离子在扩散区中的不同动力学特性产生的Hall电流使磁场的y分量B_y呈现四极形分布。离子和电子的速度分布偏离了初态时的Maxwell分布,呈现非局域的多重分布。同时由于磁场重联而产生的电场使电子在X点附近得到加速和加热,因而在电子的能谱分布中形成一高能尾。 展开更多
关键词 磁场重联 二维全粒子模拟 速度分布 等离子体物理 电子 Maxwell分布 高能尾
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日侧极光弧的发光强度与沉降电子能谱的相关关系 被引量:2
15
作者 丘琪 杨惠根 +1 位作者 陆全明 胡泽骏 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2017年第2期489-498,共10页
本文利用中国北极黄河站多波段全天空极光观测数据,选取稳定的日侧极光弧,统计研究了极光强度比I_(557.7)/I_(630.0)与极光发光强度I_(557.7)的相关关系.发现I_(557.7)在午前暖点和午后热点区附近出现极大值,分别为2.2kR和2.9 kR;而I_(6... 本文利用中国北极黄河站多波段全天空极光观测数据,选取稳定的日侧极光弧,统计研究了极光强度比I_(557.7)/I_(630.0)与极光发光强度I_(557.7)的相关关系.发现I_(557.7)在午前暖点和午后热点区附近出现极大值,分别为2.2kR和2.9 kR;而I_(630.0)在磁正午出现极大值,为1.5kR.当I_(557.7)从0.1kR增加到10kR时,极光强度比I_(557.7)/I_(630.0)也由0.2增加到9.结合DMSP卫星探测的沉降粒子能谱数据,找到17个DMSP卫星穿越黄河站上空极光弧的事件,共穿越40条极光弧.得到了沉降电子的平均能量正比于极光强度比I_(557.7)/I_(630.0),沉降电子的总能通量正相关于极光强度I_(557.7)的关系式.利用该关系式反演所有极光弧的电子能谱,发现在午前和午后扇区,产生极光弧的沉降电子主要来源于等离子体片边界层;在高纬出现强度较弱的弧,对应等离子体幔区域.在磁正午附近,沉降电子的平均能量较低,极光弧处于低纬一侧,粒子源区主要是低纬边界层. 展开更多
关键词 日侧极光弧 极光发光强度 电子沉降 等离子体片边界层 低纬边界层
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含水黑云母和角闪石中的氩扩散实验研究 被引量:1
16
作者 陈道公 贾命命 +3 位作者 李彬贤 陆全明 谢鸿森 侯渭 《中国科学技术大学学报》 CAS CSCD 北大核心 1993年第4期424-430,共7页
对含水黑云母(实验温度为800℃、1000℃)、角闪石(实验温度900℃)在压力0.5~2.0GPa时进行了氩扩散研究,发现含水情况下黑云母的氩扩散特性明显地不同于单纯黑云母体系,其扩散系数下降1—2个数量级,活化能有一定增大。压力对含水黑云母... 对含水黑云母(实验温度为800℃、1000℃)、角闪石(实验温度900℃)在压力0.5~2.0GPa时进行了氩扩散研究,发现含水情况下黑云母的氩扩散特性明显地不同于单纯黑云母体系,其扩散系数下降1—2个数量级,活化能有一定增大。压力对含水黑云母和角闪石的扩散和温度的作用相反。 展开更多
关键词 扩散 角闪石 云母 地质年代学
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空间无碰撞激波的数值研究 被引量:4
17
作者 王水 陆全明 《天文学进展》 CSCD 北大核心 1997年第3期218-230,共13页
无碰撞激波是空间等离子体和宇宙等离子体中的重要物理现象。文中评述了数值研究空间无碰撞激波的两种方法──粒子模拟和混合模拟,给出了准垂直和准平行无碰撞激波的数值研究结果。还指出了一些尚未解决的研究问题。
关键词 激波 等离子体 空间等离子体 宇宙等离子体
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各向异性等离子体中磁场重联的混合模拟研究 被引量:1
18
作者 郭俊 李毅 +1 位作者 陆全明 王水 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2003年第2期81-88,共8页
应用二维三分量混合模拟方法数值研究了各向异性等离子体中的磁场重联过程.计算结果表明,当等离子体垂直于磁场方向的压强大于平行方向的压强时(P⊥/P∥=1.5),等离子体不稳定性的增长率会大大增强,重联速度也会加快;当等离子体垂直方向... 应用二维三分量混合模拟方法数值研究了各向异性等离子体中的磁场重联过程.计算结果表明,当等离子体垂直于磁场方向的压强大于平行方向的压强时(P⊥/P∥=1.5),等离子体不稳定性的增长率会大大增强,重联速度也会加快;当等离子体垂直方向的压强小于平行方向的压强时(P⊥/P∥=0.6),会出现火蛇管不稳定性,将抑制撕裂模不稳定性和磁场重联过程. 展开更多
关键词 磁场重联 混合模拟 压力各向异性 太阳系 等离子体物理
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雨水对云下污染物清除的Euler模拟 被引量:1
19
作者 姚克亚 黄美元 陆全明 《中国科学技术大学学报》 CAS CSCD 北大核心 1995年第2期148-153,共6页
本文发展了一个一维微物理过程参数化处理的Euler模式,模拟雨水对云下污染物的清除和雨水酸化.给出了云下雨水pH值的垂直廓线以及地面雨水中SO、NO和pH值随时间变化的曲线.比较了NH3、气溶胶、雨强对地面雨水中SO... 本文发展了一个一维微物理过程参数化处理的Euler模式,模拟雨水对云下污染物的清除和雨水酸化.给出了云下雨水pH值的垂直廓线以及地面雨水中SO、NO和pH值随时间变化的曲线.比较了NH3、气溶胶、雨强对地面雨水中SO、NO以及SO2浓度和垂直分布对雨水pH的影响. 展开更多
关键词 欧拉模式 降水 云下污染物 清除 雨水 酸化
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地球自转对北极黄河站观测日侧极光弧运动的影响 被引量:1
20
作者 丘琪 杨惠根 +1 位作者 陆全明 胡泽骏 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2016年第6期909-915,共7页
利用北极黄河站全天空极光数据,采用AACGM模型,将日侧极光弧映射到地磁坐标系,定量计算地球自转导致的极光弧运动速度.对于任意一条极光弧,其偏斜角定义为极光弧方向与当地地磁东西方向的夹角.研究发现,地球自转产生的速度由极光弧离开... 利用北极黄河站全天空极光数据,采用AACGM模型,将日侧极光弧映射到地磁坐标系,定量计算地球自转导致的极光弧运动速度.对于任意一条极光弧,其偏斜角定义为极光弧方向与当地地磁东西方向的夹角.研究发现,地球自转产生的速度由极光弧离开天顶的距离和偏斜角决定,其中偏斜角的影响更为重要,其还决定速度的方向.在4年的观测数据中,提取超过40 000张出现极光弧的图像,计算极光弧偏斜角.计算结果表明,日侧极光弧的偏斜角随磁地方时增大而逐渐减小,并在大约10:00 MLT(磁地方时)附近发生反转.由于偏斜角的反转,地球自转产生的极光弧运动在晨侧多为极向运动,到午后多为赤道向运动.相比午前,午后的运动更为明显,最大速度可超过300m.s^(-1). 展开更多
关键词 日侧极光弧 地球自转 偏斜角 弧运动
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