地球磁层中低频哨声模合声波与外来嘶嘶声的大规模数据集构建及其在空间天气预测中的应用

本研究通过分析NASA范艾伦探测器和ESA Cluster卫星2001-2020年的1.24亿次磁场波动测量，首次建立了包含仪器噪声阈值的低频哨声模合声波（lower band whistler mode chorus）与外来嘶嘶声（exohiss）综合数据库。研究团队开发了基于频率-时间-仪器设置的新型噪声阈值算法，消除了人工干扰，为辐射带动力学建模提供了关键数据支撑，对空间天气预警和磁层物理研究具有重要价值。

　　

在地球磁层这片无形的保护罩中，电磁波的"交响乐"持续演奏了数十年却鲜被完整记录。其中频率在0.1-0.5倍电子回旋频率（f_ce0）区间的低频哨声模合声波（chorus）和外来嘶嘶声（exohiss），如同宇宙中的神秘信号，既能将辐射带电子加速到相对论能量，又能将其驱散到大气层。然而这些波动幅度的精确测量长期受困于两个难题：仪器噪声干扰的甄别困难，以及传统数据集缺乏统一噪声阈值标准。这导致空间天气模型的基础参数如同"雾里看花"，严重影响辐射带高能电子通量的预测精度。

捷克科学院大气物理研究所（Institute of Atmospheric Physics of the Czech Academy of Sciences）的Ond?ej Santolík团队联合欧美多个机构，在《Scientific Data》发表了突破性解决方案。研究人员整合NASA两颗范艾伦探测器（Van Allen Probes）和ESA四颗Cluster卫星长达20年的观测数据，开发出创新的噪声阈值建模方法。通过建立频率依赖的χ²分布模型（Eq.3-5），首次实现将虚假检测概率控制在10^-7量级。该研究构建的数据库包含两个核心部分：6个航天器的动态噪声阈值记录（Data records 1-6），以及1.24亿次有效测量中提取的合声波/外来嘶嘶声均方根幅度（Data records 7-12）。

关键技术包括：1）基于范艾伦探测器EMFISIS仪器的三维磁场测量和von Hann窗函数修正的功率谱分析；2）Cluster卫星STAFF-SA仪器的多通道噪声本底建模；3）等离子体层顶位置的经验模型（L_pp）验证；4）右旋极化波（E_B>0.2）的椭圆度筛选算法；5）0.1-0.5f_ce0频段的能量积分方法（Eq.8）。

【背景与数据描述】
研究团队首先通过图1展示典型观测案例：2017年9月28日地磁暴期间（Kp指数5^--7^-），范艾伦探测器在等离子体层顶外（L>3.3）记录到强烈的合声波活动（图1b-c中类型2a-f），而在2015年1月1日平静期（Kp指数1-1⁺）则出现无波区间（图1d-f 14:00-17:00 UT）。这些数据揭示合声波/外来嘶嘶声的典型特征：发生在低密度等离子体槽（plasmatrough）区域，频率与赤道电子回旋频率f_ce0（Eq.2）相关，且具有右旋极化特性（E_B>0.2）。

【方法创新】
研究突破体现在噪声阈值建模（图3流程）。针对范艾伦数据中von Hann窗导致的频谱相关性，团队建立双模型架构：核心部分（F_cl）采用修正χ²分布（Eq.4，表1），尾部（F_tl）则用独立参数拟合（Eq.5）。如图5所示，当n_l=32时，该模型完美吻合蒙特卡洛模拟结果（红色实线），而传统模型（蓝色虚线）在尾部严重偏离。Cluster数据则采用标准χ²分布（Eq.3），其噪声本底随时间变化较小（图11），但航天器间差异显著——Cluster 3在70-500Hz频段噪声比Cluster 4高7倍。

【技术验证】
团队用13,810次范艾伦探测器的等离子体层顶穿越数据验证了CRRES模型（Eq.8）的准确性。如图12所示，模型预测与实测的L值差异呈高斯分布（σ=0.75R_E），优于原CRRES模型的0.78R_E偏差。数据一致性验证显示（表3），不同航天器测量的合声波幅度中位数高度吻合（2.14-2.32pT），但空间覆盖存在互补性：范艾伦探测器专注低纬度（|λ_m|<20°），Cluster则覆盖至60°（图13d）。

【结论与意义】
这项研究创建了迄今最完备的磁层波动数据库，其核心价值体现在三方面：1）首次实现噪声阈值的动态量化，使微弱信号检测可靠性提升6个数量级（P₀=10^-7）；2）通过图2的高分辨率频谱（2a-f）与音频文件（Data record 13），直观展示合声波离散结构和外来嘶嘶声连续谱的共存特征；3）建立的L-L_pp参数（Data records 7-12第7列）为辐射带模型提供关键边界条件。该成果不仅为理解电子加速/沉降机制（图10提及的"磁超级暴"效应）奠定观测基础，其噪声建模方法更可推广至其他空间探测任务。正如作者强调，这项数据工程使空间天气预警从"经验推测"迈向"精确计算"的新纪元。