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地球系统科学研究态势

中国科学：地球科学 2024年第10期54卷 3065-3090页

作者：郑永飞郭正堂焦念志穆穆朴世龙傅绥燕杨顶辉朱茂炎岩石圈演化与环境演变全国重点实验室中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026 岩石圈演化与环境演变全国重点实验室中国科学院地质与地球物理研究所北京100029 厦门大学海洋与地球学院厦门361102 复旦大学大气与海洋科学系上海200438 北京大学环境学院北京100871 北京大学地球与空间科学学院北京100871 清华大学数学科学系北京100084 中国科学院南京地质古生物研究所南京210008

地球系统可以划分为固体地球系统、表层地球系统和日地空间系统三大组成部分,这三大部分之间不仅存在能量和物质上的相互传输和耦合关系,而且涉及从微观到宏观的多个尺度.地球系统科学以全球性和统一性以及整体观、系统观和多时空尺度... 详细信息

地球系统可以划分为固体地球系统、表层地球系统和日地空间系统三大组成部分,这三大部分之间不仅存在能量和物质上的相互传输和耦合关系,而且涉及从微观到宏观的多个尺度.地球系统科学以全球性和统一性以及整体观、系统观和多时空尺度为特征,不仅着眼于地球各圈层之间在物理、化学和生物上的相互作用,而且以此来研究地球整体及其圈层之间的性质、行为、过程和机制.虽然对这三大系统内部学科领域的研究均取得了长足的进展,但是对它们的整体行为以及个体之间的相互作用仍然认识不足,因此面临不同类型和层次的挑战.固体地球系统由地壳、地幔和地核组成,现有的观测技术难以深入到地幔内部,导致直接观测和数据获取困难;地球内部的高温、高压和强磁场等极端环境,也给观测设备和科学实验带来了巨大挑战.表层地球系统是一个开放的复杂巨系统,其内部各子系统(包括大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈)之间存在复杂的相互作用和反馈机制,使得对表层地球系统的整体行为和长期演化的理解变得困难;生物活动对表层地球系统的影响日益显著,地球内部系统与外部系统之间的耦合更加复杂,如何区分和量化地球圈层相互作用和生物活动对表层地球系统的影响是一个重要挑战.日地空间系统包括太阳活动、地球磁场、大气层、空间天气等多个物理过程,太阳活动对地球空间环境的影响显著,但现有的观测与重建方法和预测模型在精度和时效性方面仍存在不足;如何提高太阳活动的预测能力并减少空间天气灾害的影响是日地空间系统研究的重要课题,如何跨越不同尺度并建立多物理过程的耦合模型是日地空间系统研究的重要挑战.由于上述地球三大系统内部及其之间的各种过程和现象往往跨越多个时间和空间尺度,并且表现出强烈的非线性特征,结果使得对其行为和过程的理解变得复杂多变,这给理论建模和数值模拟带来了巨大挑战.因此,对地球三大系统的研究需要多学科之间的深入交叉和融合,以共同揭示地球系统的基本规律和运行机制.

关键词：地球内部地球外部地球圈层能量交换物质传输

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地磁活动与太阳活动对环电流离子成分与位置的影响

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地球物理学报 2003年第6期46卷 725-730页

作者：傅绥燕宗秋刚濮祖荫刘文龙北京大学地球与空间科学学院空间物理与应用技术研究所 Center for Space Physics Boston UniversityMA02215USA

根据CRRES卫星上MICS离子成分探测器的观测资料以及前人有关AMPTE卫星的观测数据 ,研究了地磁活动和太阳活动性对环电流成分以及各种环电流离子的最大通量位置的影响 .观测表明相对于地磁平静时期 ,在地磁活动的活跃时期 ,环电流中O+ 、... 详细信息

根据CRRES卫星上MICS离子成分探测器的观测资料以及前人有关AMPTE卫星的观测数据 ,研究了地磁活动和太阳活动性对环电流成分以及各种环电流离子的最大通量位置的影响 .观测表明相对于地磁平静时期 ,在地磁活动的活跃时期 ,环电流中O+ 、He+ + 和He+ 离子的数密度和能量密度占环电流总数密度和总能量密度的份额增加 ,相反H+ 离子所占的比例却明显减少 .太阳活动极大年时环电流中H+ 离子丰度比极小年时低 ,而O+ 和He+ + 离子的丰度却比太阳活动极小年时高 .卫星数据观测还表明 ,在地球磁暴期间 ,环电流中O+ 离子和He+ 离子的最大通量位置会随着地磁的活动径向移动 ,平均来看太阳活动极大年的能量粒子最大数密度位置距离地球比极小年时约小 0 .5RE(RE为地球半径 ) .

关键词：地磁活动太阳活动环电流能量离子

不同起源地磁扰动期间极光沉降能量的统计研究

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地球物理学报 2014年第11期57卷 3766-3776页

作者：陈曦傅绥燕郑玲杨利平崔燕波北京大学地球与空间科学学院北京100871 华盛顿大学地球与空间科学学院西雅图98195 中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190

尽管对极光沉降能量(HP)的研究已经开展很久,但是关于不同行星际扰动源对HP影响的研究仍然很少.本文基于2001—2008年NOAA极轨卫星数据,对三类不同扰动源,即盔状冕流共转相互作用区(CIRs)、伪冕流CIRs和行星际日冕物质抛射(ICMEs)驱动... 详细信息

尽管对极光沉降能量(HP)的研究已经开展很久,但是关于不同行星际扰动源对HP影响的研究仍然很少.本文基于2001—2008年NOAA极轨卫星数据,对三类不同扰动源,即盔状冕流共转相互作用区(CIRs)、伪冕流CIRs和行星际日冕物质抛射(ICMEs)驱动的中等磁暴期间HP的变化进行时序叠加统计分析,讨论了相关太阳风背景参数、地磁活动强度以及耦合函数的有效性;研究了三类磁暴事件期间HP的南北半球不对称性.结果表明,在磁暴之前盔状冕流CIR磁暴的HP明显低于伪冕流CIR磁暴和ICME磁暴,盔状冕流"磁暴前的平静期"与Newell耦合函数关系密切,而与Russell-McPherron效应关系较小.盔状冕流CIR磁暴主相HP高于伪冕流CIR磁暴和ICME磁暴,可能与盔状冕流相应行星际|Bz|和太阳风数密度均较高有关.此外,在Kp≤4时,冬夏季半球HP的差别随着Kp增加而增加,相应的变化规律符合电导率反馈机制的预测;在Kp>4时,盔状冕流磁暴和ICME磁暴冬季半球的HP大于夏季半球的,伪冕流磁暴事件夏季半球的HP大于冬季半球的或与冬季半球的相近.

关键词：极光沉降能量磁暴行星际扰动源耦合函数半球不对称性

南大西洋地磁异常区的辐射环境与低轨卫星粒子辐射通量计算

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地球物理学报 1999年第2期42卷 163-168页

作者：焦维新濮祖荫方晓华傅绥燕北京大学地球物理系北京100871

利用国际地磁参考场模型ＩＧＲＦ９０，分析了南大西洋异常（ＳＡＡ）区磁场变化的特征，计算了低轨卫星轨道积分粒子辐射通量及其随年代的变化。结果表明，在ＳＡＡ上空，同一高度上的磁场随时间的推移而减弱，粒子辐射通量随时间的推... 详细信息

利用国际地磁参考场模型ＩＧＲＦ９０，分析了南大西洋异常（ＳＡＡ）区磁场变化的特征，计算了低轨卫星轨道积分粒子辐射通量及其随年代的变化。结果表明，在ＳＡＡ上空，同一高度上的磁场随时间的推移而减弱，粒子辐射通量随时间的推移而增加．对不同高度的卫星，轨道积分粒子辐射通量随年代的变化相差很大，低轨（＜１０００ｋｍ）卫星的变化明显，而＞１０００ｋｍ时变化很小．粒子辐射通量随时间变化的主要原因是ＳＡＡ区的磁壳结构畸变和“移动”，因此，计算不同年代的轨道粒子辐射通量，应使用同年代的磁场模型。近期卫星测量结果表明，这一论断与观测相符。本文提供的计算轨道积分粒子通量方法，结果的可靠性较高，对卫星的合理设计，载人飞船的辐射防护以及卫星的正常运行都有重要参考价值。

关键词：南大西洋地磁异常粒子辐射通量卫星轨道

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太阳活动与全球气候变化

空间科学学报 2011年第5期31卷 549-566页

作者：张亮王赤傅绥燕中国科学院空间科学与应用研究中心空间天气学国家重点实验室北京100190 中国科学院研究生院北京100049 北京大学地球与空间科学学院北京100871

太阳不断向地球辐射电磁波和粒子,太阳辐射是地球气候系统最主要的能量来源.地球气候系统对太阳活动的响应是一个复杂的过程,包括辐射过程、动力学过程以及微观物理过程等.根据太阳辐射的卫星观测结果和重建结果,例举了古气候、温度、... 详细信息

太阳不断向地球辐射电磁波和粒子,太阳辐射是地球气候系统最主要的能量来源.地球气候系统对太阳活动的响应是一个复杂的过程,包括辐射过程、动力学过程以及微观物理过程等.根据太阳辐射的卫星观测结果和重建结果,例举了古气候、温度、大气环流和云量等方面太阳影响气候的观测证据,论述了太阳影响气候的三种可能机制,即太阳总辐射变化可以影响地表温度,并通过海气耦合改变大气环流;太阳紫外辐射通过调制平流层的温度和风场影响下面的对流层;太阳通过行星际磁场调制银河宇宙线,而银河宇宙线通过电离大气影响云量,进而改变地球的能量收支.

关键词：太阳辐射总剂量(TSI) 太阳紫外辐射(SUR) 银河宇宙线(GCR) 气候变化

大磁暴中环电流离子成分的变化及其与磁暴演化的关系

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地球物理学报 2001年第1期44卷 1-11,T001页

作者：傅绥燕濮祖荫宗秋刚肖池阶谢伦 B.Wilken 北京大学地球物理系北京100871 Max-Planck-Institute for Aeronomy Katlenburg-Lindau

利用CRRES/MICS的观测数据 ,研究了磁暴期间内磁层离子成分的变化 .对1 991年两个典型磁暴和 1 2个大磁暴的分析表明 ,组成暴时环电流的离子可以分成两组 ,一组由O+、低能H+和He+组成 ,起源于电离层 (IOP) ;另一组为高能H+和He++,主要... 详细信息

利用CRRES/MICS的观测数据 ,研究了磁暴期间内磁层离子成分的变化 .对1 991年两个典型磁暴和 1 2个大磁暴的分析表明 ,组成暴时环电流的离子可以分成两组 ,一组由O+、低能H+和He+组成 ,起源于电离层 (IOP) ;另一组为高能H+和He++,主要来自太阳风 (SOP) .宁静时环电流主要成分为SOP ,大磁暴主相极大时环电流的主要成分是IOP .大磁暴期间离子可被注入到很低的高度 (L =3— 4) .IOP对环电流的贡献随磁暴强度增大而增加 ,在大磁暴主相极大时可达 80 % (数密度 ) .IOP中O+的快速增减是导致Dst指数在磁暴主相期间快速下降和恢复相中快速增长的主要原因 .小磁暴中 (Dst>- 50nT)

关键词：磁暴环电流离子成分太阳风电离层数据处理能量粒子 CRRES/MICS观测数据

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磁层顶的涡旋诱发重联和单X线重联

地球物理学报 1993年第5期36卷 553-560页

作者：傅绥燕濮祖荫刘振兴北京大学地球物理系北京大学非线性科学中心北京100871 中国科学院空间科学和应用研究中心北京100080

用二维MHD数值模拟研究了地球磁层顶的涡旋重联和单X线重联,并将两者作了比较。涡旋重联和单X线重联各在Alfvèn马赫数M_Λ大于和小于0.5时出现于向阳面磁层顶。前者所产生的磁岛与涡旋同心重叠;后者磁力线重联仅产生X点,而不闭合形成磁... 详细信息

用二维MHD数值模拟研究了地球磁层顶的涡旋重联和单X线重联,并将两者作了比较。涡旋重联和单X线重联各在Alfvèn马赫数M_Λ大于和小于0.5时出现于向阳面磁层顶。前者所产生的磁岛与涡旋同心重叠;后者磁力线重联仅产生X点,而不闭合形成磁岛,涡旋分布于X点两侧。在涡旋重联的自组织过程中,互螺旋度等近似守恒决定其渐近态的拓扑结构。最后,讨论了这两种重联对通量传输事件所起的不同作用。

关键词：磁场重联涡旋诱发磁层顶地磁场

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中近磁尾等离子体片统计特性研究

地球物理学报 2016年第2期59卷 411-418页

作者：张帅田安民史全岐孙为杰尧中华傅绥燕宗秋刚濮祖荫山东省光学天文与日地空间环境重点实验室空间科学与物理学院山东大学(威海) 山东威海264209 北京大学地球与空间科学学院北京100871 英国伦敦大学学院穆拉德空间科学实验室

本文使用Cluster-C1卫星的CIS仪器和FGM仪器测量得到的质子通量数据和计算的β数据,判断Cluster卫星在地球磁尾不同位置位于等离子体片内的概率.使用2001—2004年7—11月的Cluster-C1数据,分别在行星际磁场南向和北向时,得出X<-10RE区... 详细信息

本文使用Cluster-C1卫星的CIS仪器和FGM仪器测量得到的质子通量数据和计算的β数据,判断Cluster卫星在地球磁尾不同位置位于等离子体片内的概率.使用2001—2004年7—11月的Cluster-C1数据,分别在行星际磁场南向和北向时,得出X<-10RE区域内卫星位于等离子体片的概率在Y-Dz平面的分布图(Dz是卫星到中性片的距离).通过对比行星际磁场南向和北向时的卫星位于等离子体片的概率的分布图,我们发现等离子体片在行星际磁场南向时比在行星际磁场北向时要薄,并且这个效应在磁尾晨昏两侧比在午夜附近明显,同时我们还发现等离子体片在晨侧比在昏侧厚.

关键词：质子通量行星际磁场晨昏不对称

南大西洋异常区内辐射带高能质子辐射环境长期变化的研究

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中国科学（D辑） 2005年第7期35卷 658-663页

作者：谢伦濮祖荫焦维新傅绥燕北京大学地球物理系北京100871

完善和发展了绝热带电粒子漂移壳追踪方法(DSTM),应用该方法进一步研究了内辐射带低高度高能质子辐射环境的长期变化,并与卫星观测做了比较.研究表明,在过去的30年里SAA区1000km高度,高能质子通量显著增强,SAA区质子通量的中心区域显著... 详细信息

完善和发展了绝热带电粒子漂移壳追踪方法(DSTM),应用该方法进一步研究了内辐射带低高度高能质子辐射环境的长期变化,并与卫星观测做了比较.研究表明,在过去的30年里SAA区1000km高度,高能质子通量显著增强,SAA区质子通量的中心区域显著西移和扩大,理论预测结果与卫星的观测事实相符合.高能质子寿命的计算结果证明了DSTM是估算内辐射带高能质辐射环境长期变化的合理方法.

关键词：高能质子长期变化辐射环境南大西洋异常区辐射带带电粒子卫星观测中心区域 DSTM 计算结果预测结果 SAA 低高度通量