● 摘要
低轨道卫星通常位于电离层顶部到内磁层底部。在这个空间内，岩石圈、中高层大气、电离层和内磁层紧密联系，相互作用，形成一个复杂的耦合系统。在这个空间内从上而来的扰动主要来源于太阳的强烈活动及其相应的磁暴、亚暴等活动；从地球方向从下而来的扰动主要来源于地震、闪电、大气潮汐、人工甚低频发射站等引起的各种尺度的电磁波动。本论文总结了近几年有关卫星观测的地震空间电磁异常现象，发现卫星观测的与地震活动相关的空间电磁波频率范围覆盖了非常广的频段，可以从几Hz延伸到MHz，甚至到HF频段，并且与来自空间的各种电磁波动混杂在一起。为了将源于地球方向的地震电磁扰动信息与其他非震扰动源区分开来，需要对空间电磁背景场有充分的了解和认识。本论文利用低轨道卫星DEMETER数据研究了磁暴期间、强震期间ELF/VLF频段电磁波的变化特征，以期对这个轨道高度上的电磁扰动信息有一个较为全面的了解。
本论文重点研究了VLF频段的哨声模合声波，分别研究了赤道区和高纬度的合声波现象，首次发现了磁洞边缘激发哨声模合声波现象以及高纬度合声波穿越等离子体层层顶的证据；统计研究了ELF/VLF电磁波在CME驱动的强磁暴期间、7级以上强震前后的时空变化特征。具体研究成果为：
研究发现磁洞边缘具备了哨声模合声波的激发条件。THEMIS的D颗卫星2011年5月18日在近地空间赤道区域观测到了一个爆发性整体流（BBF）事件后形成的磁洞结构，并发现在这个磁洞的边缘产生了强烈的哨声波。过去的研究认为这种类型的哨声波通常发生在磁洞中心，因为在那里的磁场强度最小，然而我们研究首次发现了哨声波主要产生在磁洞边缘，而不是磁洞中心。基于THEMIS卫星的加密观测数据进行的波矢量分析结果证实了这些哨声波很可能是合声波。根据投掷角为函数的电子相空间密度进一步证明了在磁洞边缘的电子温度各向异性很显著，而且电子呈现“pancake”分布，这种条件非常有利于哨声模的激发。另一个重要的发现就是观测到这个离子尺度的磁洞，不是当地形成的，很有可能由多次不稳定重联过程中形成的多重偶极化锋面结构有关系，其直接证据就是在磁洞中心存在的磁岛结构或者等离子体团。
首次发现了高纬度合声波穿越等离子体层层顶的证据。研究发现2006年4月14日一个CME驱动的强磁暴期间DEMETER卫星观测到了从几Hz到20 kHz的电磁波动增强现象。发现这些强烈的电磁波主要在高纬度地区，大约磁纬40°—60°，主要沿着赤道电子回旋频率0.1—0.5传播，而不随DEMETER卫星的当地电子回旋频率。根据合声波与等离子体层层顶的关系来看，这些下频带合声波主要在等离子体层层顶外传播，然而发现从磁暴主相到早期恢复相的一个较短时间范围内，这些合声波能越等离子体层层顶，到达较低的L值区域进入电离层传播。
过去的数值模拟认为等离子体层外的合声波是层内的嘶声波的来源。观测上的证据主要为磁暴期间CRRES卫星和Cluster卫星观测的合声波和嘶声波具有很好的相关性，但是缺乏合声波穿越等离子体层层顶的直接证据。本项研究成果从低轨道卫星DEMETER的观测上提供了合声波能够穿越等离子体层层顶的直接证据。
统计研究获得了ELF/VLF电磁波在强磁暴期间的时空变化特征。利用DEMETER卫星研究了CME驱动的强磁暴期间ELF/VLF电磁波在整个磁暴期间的时空变化特征。基于案例和统计分析发现CME事件与低轨道卫星空间的ELF/VLF电磁波的波幅存在良好的相关性：当CME携带的激波或者磁云撞击地球磁场，压缩磁层后，立即在低轨道卫星空间引起强烈的ELF/VLF电磁波辐射现象；然后从主相初期ELF/VLF电磁波强度出现了短暂的回落；接着最强的电磁波出现在主相后期到恢复相的初期；在较长的恢复相期间ELF/VLF电磁波的消长主要依赖于亚暴活动。日侧ELF/VLF波动比夜侧强烈，且波增强持续时间在日侧也比夜侧长久。
将DEMETER观测19.5 Hz—20 kHz的ELF/VLF波划分成7个不同的频段，进行统计研究发现：
低于3 kHz以下的ELF波动在平静期间很普遍，但是在磁暴期间强烈增强；高于3 kHz上的波主要在磁暴期间增强；高于15 kHz波动的增强主要出现在主相后期到恢复相早期一个较短的时间段内。
低于3 kHz的ELF波出现在较大空间范围内，大概在L值从1.5到～5的区域都观测了增强现象，最大波幅增强主要出现在L值约为3—4的地区；高于3 kHz的电磁波动，特别是9 kHz的波动只能在等离子体层层顶附近或者等离子体层外才能观测到。
统计研究获得了强震前后ELF/VLF电磁波扰动特征。利用DEMETER卫星观测的ELF/VLF[370—897Hz]频段的磁场功率谱密度数据统计研究了2005—2009年北半球7级以上强震前后空间磁场的扰动特征。在震中±10°范围内利用震前2个月至震后1个月的5年同期观测数据构建了背景场，定义了表征空间磁场在地震时段相对于背景场的扰动幅度指标公式。
统计研究发现26个强震中42%的地震主要表现为震前磁场扰动幅度逐渐上升，超过3倍标准差，随后扰动度幅度下降过程中发生地震；35%强震在地震前10天内最大扰动幅度超过3倍标准差，在扰动幅度处于最高值期间发震，震后磁场扰动幅度逐渐回落；23%的强震在震前震后无明显规律。
随机事件测试发现在空间天气平静且无强震条件下随机地点上空的磁场无明显的时空演化规律，且随机地点上空的空间磁场相对于背景场的平均扰动度幅度很小，最大扰动幅度从未超过2倍标准差，并且没有明显的随时间变化特征。
低轨道卫星通常位于电离层顶部到内磁层底部。在这个空间内，岩石圈、中高层大气、电离层和内磁层紧密联系，相互作用，形成一个复杂的耦合系统。在这个空间内从上而来的扰动主要来源于太阳的强烈活动及其相应的磁暴、亚暴等活动；从地球方向从下而来的扰动主要来源于地震、闪电、大气潮汐、人工甚低频发射站等引起的各种尺度的电磁波动。本论文总结了近几年有关卫星观测的地震空间电磁异常现象，发现卫星观测的与地震活动相关的空间电磁波频率范围覆盖了非常广的频段，可以从几Hz延伸到MHz，甚至到HF频段，并且与来自空间的各种电磁波动混杂在一起。为了将源于地球方向的地震电磁扰动信息与其他非震扰动源区分开来，需要对空间电磁背景场有充分的了解和认识。本论文利用低轨道卫星DEMETER数据研究了磁暴期间、强震期间ELF/VLF频段电磁波的变化特征，以期对这个轨道高度上的电磁扰动信息有一个较为全面的了解。
本论文重点研究了VLF频段的哨声模合声波，分别研究了赤道区和高纬度的合声波现象，首次发现了磁洞边缘激发哨声模合声波现象以及高纬度合声波穿越等离子体层层顶的证据；统计研究了ELF/VLF电磁波在CME驱动的强磁暴期间、7级以上强震前后的时空变化特征。具体研究成果为：
研究发现磁洞边缘具备了哨声模合声波的激发条件。THEMIS的D颗卫星2011年5月18日在近地空间赤道区域观测到了一个爆发性整体流（BBF）事件后形成的磁洞结构，并发现在这个磁洞的边缘产生了强烈的哨声波。过去的研究认为这种类型的哨声波通常发生在磁洞中心，因为在那里的磁场强度最小，然而我们研究首次发现了哨声波主要产生在磁洞边缘，而不是磁洞中心。基于THEMIS卫星的加密观测数据进行的波矢量分析结果证实了这些哨声波很可能是合声波。根据投掷角为函数的电子相空间密度进一步证明了在磁洞边缘的电子温度各向异性很显著，而且电子呈现“pancake”分布，这种条件非常有利于哨声模的激发。另一个重要的发现就是观测到这个离子尺度的磁洞，不是当地形成的，很有可能由多次不稳定重联过程中形成的多重偶极化锋面结构有关系，其直接证据就是在磁洞中心存在的磁岛结构或者等离子体团。
首次发现了高纬度合声波穿越等离子体层层顶的证据。研究发现2006年4月14日一个CME驱动的强磁暴期间DEMETER卫星观测到了从几Hz到20 kHz的电磁波动增强现象。发现这些强烈的电磁波主要在高纬度地区，大约磁纬40°—60°，主要沿着赤道电子回旋频率0.1—0.5传播，而不随DEMETER卫星的当地电子回旋频率。根据合声波与等离子体层层顶的关系来看，这些下频带合声波主要在等离子体层层顶外传播，然而发现从磁暴主相到早期恢复相的一个较短时间范围内，这些合声波能越等离子体层层顶，到达较低的L值区域进入电离层传播。
过去的数值模拟认为等离子体层外的合声波是层内的嘶声波的来源。观测上的证据主要为磁暴期间CRRES卫星和Cluster卫星观测的合声波和嘶声波具有很好的相关性，但是缺乏合声波穿越等离子体层层顶的直接证据。本项研究成果从低轨道卫星DEMETER的观测上提供了合声波能够穿越等离子体层层顶的直接证据。
统计研究获得了ELF/VLF电磁波在强磁暴期间的时空变化特征。利用DEMETER卫星研究了CME驱动的强磁暴期间ELF/VLF电磁波在整个磁暴期间的时空变化特征。基于案例和统计分析发现CME事件与低轨道卫星空间的ELF/VLF电磁波的波幅存在良好的相关性：当CME携带的激波或者磁云撞击地球磁场，压缩磁层后，立即在低轨道卫星空间引起强烈的ELF/VLF电磁波辐射现象；然后从主相初期ELF/VLF电磁波强度出现了短暂的回落；接着最强的电磁波出现在主相后期到恢复相的初期；在较长的恢复相期间ELF/VLF电磁波的消长主要依赖于亚暴活动。日侧ELF/VLF波动比夜侧强烈，且波增强持续时间在日侧也比夜侧长久。
将DEMETER观测19.5 Hz—20 kHz的ELF/VLF波划分成7个不同的频段，进行统计研究发现：
低于3 kHz以下的ELF波动在平静期间很普遍，但是在磁暴期间强烈增强；高于3 kHz上的波主要在磁暴期间增强；高于15 kHz波动的增强主要出现在主相后期到恢复相早期一个较短的时间段内。
低于3 kHz的ELF波出现在较大空间范围内，大概在L值从1.5到～5的区域都观测了增强现象，最大波幅增强主要出现在L值约为3—4的地区；高于3 kHz的电磁波动，特别是9 kHz的波动只能在等离子体层层顶附近或者等离子体层外才能观测到。
统计研究获得了强震前后ELF/VLF电磁波扰动特征。利用DEMETER卫星观测的ELF/VLF[370—897Hz]频段的磁场功率谱密度数据统计研究了2005—2009年北半球7级以上强震前后空间磁场的扰动特征。在震中±10°范围内利用震前2个月至震后1个月的5年同期观测数据构建了背景场，定义了表征空间磁场在地震时段相对于背景场的扰动幅度指标公式。
统计研究发现26个强震中42%的地震主要表现为震前磁场扰动幅度逐渐上升，超过3倍标准差，随后扰动度幅度下降过程中发生地震；35%强震在地震前10天内最大扰动幅度超过3倍标准差，在扰动幅度处于最高值期间发震，震后磁场扰动幅度逐渐回落；23%的强震在震前震后无明显规律。
随机事件测试发现在空间天气平静且无强震条件下随机地点上空的磁场无明显的时空演化规律，且随机地点上空的空间磁场相对于背景场的平均扰动度幅度很小，最大扰动幅度从未超过2倍标准差，并且没有明显的随时间变化特征。
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