星载远紫外极光_气辉探测发展综述

第23卷 第5期地 球 物 理 学 进 展V ol.23 N o.52008年10月(页码:1474~1479)

PRO GR ESS IN GEO PH YSICS

Oct. 2008

星载远紫外极光/气辉探测发展综述

王咏梅, 付利平, 王英鉴

(中国科学院空间科学与应用研究中心,北京 100190)

摘 要 地球热层和电离层是近地卫星运行的主要场所,也是空间天气对人类活动影响的重要区域.气辉和极光是高层大气中的重要发光现象,其辐射特性、特别是紫外波段的辐射特性,是高层大气和电离层物理化学过程信息的重要来源.本文详细分析了国外远紫外极光/气辉探测和相应探测器的发展里程,并结合我国相关研制技术和水平,提出了发展星载极光/气辉探测的基本考虑和建议.关键词 远紫外,空间天气,极光,气辉,探测器

中图分类号 P352 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2008)05-1474-06

Review of space -based FUV aurora/airglow observations

WANG Yong -mei, FU L-i ping, WANG Ying -jian

(Ce nter f or S p ace Sc ienc e and Ap p lied Resear ch ,T he Ch ine se A cad emy of S cie nces ,B eij in g 100190)

Abstract T he t her mospher e and ionospher e ar e t he primar y reg io ns of near space satellite in or bit,as well as the im -por tant area w her e space w eather affects human activit y so much.A ir glow and auro ra are impor tant o pt ical phenome -na.T heir r adiation,especially ult rav iolet radiatio n co ntains fundamental chemical and physical infor mat ion about up -per atmo sphere and iono sphere.In this paper ,the dev elo pment of far ultr avio let auror a /air glow measurement and two -dimensio n detector for F U V are rev iewed.T hen based o n our actual technical level,a pr oposal for developing our space -based aur or a/air glow measur ement is presented.

Keywords far ultrav iolet,space w eather,aur or a,air g low ,detector

收稿日期 2007-11-10; 修回日期 2007-12-20.基金项目 国家自然科学基金项目(40474051)资助.

作者简介 王咏梅,女,1967年生,博士,从事空间物理和空间环境探测研究工作.(E -mail:wym @)

0 引 言

地球空间由中高层大气、电离层和磁层组成,由于太阳风、行星际粒子和地球磁场的共同作用,其间的中性大气成分、电离成分、带电粒子、高能质子和电子等发生着极其复杂的相互作用,构成了地球空间环境多时空变化的复杂体系.

随着空间时代的来临,人类更加关注各种空间暴对人类空间活动及无线电通讯的影响.极光和气辉是地球空间重要的自然发光现象,极光由太阳风和磁尾带电粒子体进入近地空间和大气中的分子原子相互作用激发产生的,主要发生在高纬地区;而气辉是由太阳短波紫外辐射激发大气中的分子原子所致,在全球各地区均可观测到.极光和气辉的特性与太阳活动周期、地磁活动强度以及高层大气、电离层的状态密切相关,极光可作为与磁层相连的近地过

程的监视器;而气辉的辐射特性、特别是远紫外波段

的谱特性,是中间层、低热层、电离层物理化学过程信息的重要来源,由于远紫外辐射信息几乎不受地表及边界层大气复杂背景影响,已成为分析太阳活动-磁层-电离层-热层-中高层大气能量传输和转换、地球高层大气和电离层参量日常监测的重要手段[1~5];另外极光作为重要的地球辐射背景,对空间

目标识别和监视也有着重要意义[6,7]

.

远紫外极光/气辉空间探测和应用研究在国外早已进入成熟阶段,并为此建立了配套的可用于远

紫外波段的大气紫外辐射传输模式[8,9]

,许多产品已直接参与到空间天气和空间环境预报的业务运行当中;在国内,极光/气辉空间探测尚处于初级阶段,理论研究工作也仅限于对一些地面探测数据的分析处理和电离层模型的建立工作[10,11].鉴于远紫外极光/气辉在空间科学研究和军事中的广泛应用前景,

5期王咏梅,等:星载远紫外极光/气辉探测发展综述

本文重点就国外星载极光/气辉探测和探测器发展进行综述,提出我国远紫外极光/气辉探测的发展思路,以推动我国在这方面的研究工作.

1 极光/气辉的空间探测

1.1 国际极光/气辉空间探测发展

远紫外(FUV)极光/气辉的空间探测试验开始于20世纪60年代末期~1967年发射的OGO -4卫星上搭载了紫外气辉光谱仪(U AS),用于测量110~340nm 波段气辉的光谱辐射特性,但第一幅地球FU V 辐射完整图像是1972年Apollo 16搭载的Far U ltraviolet Camera Spectrogr aph 从月球上拍摄到的(图1),该仪器探测到了地冕、极光、气辉和赤道气辉带等[12].在1978年发射的DOD/S3-4卫星上的VUV 试验装置(Vacuum U ltraviolet Back -g round Satellite Ex periment)试验之后,正式拉开了空间远紫外极光/气辉探测的序幕.

图1 1972年从月球上首次拍摄到的地球极光、气辉图像

Fig.1 F irst F U V image o f the Ear th -taken fro m

the M oon by the A po llo 16crew

就极光/气辉的卫星探测而言,可分为极光形态探测和极光/气辉电离层探测两种.极光形态探测主要关注极光卵区时空变化及其与太阳活动和磁暴的关系,主要运行在大椭圆轨道上;而极光/气辉电离层探测是全球空间天气系统的重要组成部分,它主要监测极光/气辉辐射强度和谱分布特性,用于研究相应的热层、电离层大气主要微量成分、电子密度、粒子浓度等空间环境参数,同时还可研究高纬能量粒子注入特性及中性大气成分对能量注入的响应特性,该类仪器适合搭载在大倾角、极轨圆轨道卫星上[13]

,高度通常为600~1000km.1.1.1 极光形态探测

对极光形态的空间探测,主要代表仪器有1981年发射的DE -1卫星上搭载的SAI(T he Spin -Scan

Aur oral Imag er)

[14,15]

,用于可见和FUV 波段的全

球极光成像,在FU V 波段探测部分,采用牛顿望远镜+滤光片轮+光电倍增管式光度计,为提高量子效益、减小长波辐射影响,采用CsI 阴极、M gF 2窗材料的光电倍增管,图2为SAI 观测到的1983年6月13日亚暴期间一次极光动力学演变过程.

图2 SAI 观测到的1983年6月13亚暴期间

一次极光动力学演变过程

F ig.2 T he dynamic pro cess of A uro ral Substor m

obser ved by SAI o n 13June 1986

1986年2月22日瑞典发射的Viking 极轨卫星上搭载了紫外极光成像仪(U AI)[16](如图3所示).它由两个相机组成,可分别对134~180nm 和123.5

~160nm 波段进行成像,前者采用BaF 2滤光片和CsI 阴极材料微通道板(M CP),后者采用CaF 2滤光片和KBr 阴极材料M CP.光学系统采用了逆Cas -segr ain 望远镜系统,探测器选用的是曲面MCP+光纤+CCD,仪器视场20b @25b ,空间分辨率20~30km,每20s 得到一幅全球极光全貌图.UAI 是一个独具创新的仪器,它的最大特点是仪器结构紧凑,并实现了对极光形态的可视化探测,特别适合于在高轨道卫星上的极光探测.在随后的20多年时间内,UAI 及相应的改进型远紫外极光成像仪在各种高高度、大椭圆轨道卫星上[17~19]

为研究太阳-磁层相互关系提供了丰富的极光探测数据.另外,加拿大计划在2008年实施发射的RAVENS (Recur rent Auroral Visualization of Ex tended Northern Storms)卫

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