极区极夜期间E层占优电离层的分布特征

E层占优电离层是指E层的峰值电子密度大于F层的峰值电子密度(NmE>NmF)时的电离层,记为ELDI(E-Layer Dominated Ionosphere)。针对ELDI,利用2007—2010年的COSMIC(Constellation Observing System for Meteorolo-gy,Ionosphere,and Climate satellite)掩星数据,在修正地磁纬度-磁地方时标系下统计分析了它在南北极区极夜期间(南北半球的冬至日前后30天)的分布特征,结果表明极夜期间电离层ELDI特征明显,其分布与极光椭圆位形基本一致,而且其在夜侧的发生率较高,特别是磁子夜之后,北极为70%左右,而南极为90%左右;另外南极的ELDI特征在磁纬度分布上要略宽于北极的分布范围。在ELDI高发区,电离层峰值电子密度要高于其两侧地区,特别是在夜侧,尤其是磁子夜前的峰值电子密度要接近甚至大于磁正午的峰值电子密度,在南极地区格外明显;而且ELDI高发区内的E层的电子含量(TECE)、电离层总电子含量(TECI)及TECE占TECI的比重(TECEI)都高于其两侧地区,北极TECE和TECI大于南极,而TECEI则是南极大于北极。这些现象主要是由于极夜期间极区高能粒子沉降引起底部电离层电离率增大所致;同时,由于地磁轴偏离地理轴的程度在南极要大于北极,使得极夜期间南极地区的电离层的电子密度,特别是在F层要相应地小于北极地区,从而导致了极夜期间南北半球极区电离层ELDI特征之间差异。

磁暴期间极区电离层等效电流无旋分量变化1.个例分析

磁暴期间极区电离层电导率分布发生变化,导致场向电流和电离层电流无旋分量形成的电流回路也随之发生复杂变化.通过地磁反演获取极区电离层等效电流,有助于分析磁暴期间上述电流回路变化规律.本文应用低秩近似方法实现了极区INTERMAGNET地磁台网磁扰观测资料的反演,获得了2015年9月20日、11月30日两次典型磁暴活动期间北半球极区电离层等效电流信息,重点考察了无旋分量在磁暴期间变化规律.主要结论有:电离层等效电流包含无源分量和无旋分量,磁暴期间总体呈现为无源分量主导,无旋分量占比较少的特征;磁暴急始阶段,地磁场扰动源主要来自磁层顶,电离层电流没有明显变化;磁暴主相阶段,极区电离层等效电流无源分量呈双涡结构,与以往的研究一致,而无旋分量主要由晨侧流向昏侧;恢复相阶段,极区地磁活动减弱,等效电流无源分量双涡结构发生演化,无旋分量中由日侧流向夜侧的电流成分增加;恢复相后期等效电流无旋分量主要由昏侧流向晨侧,与主相时相比流向相反.无旋电流流向的变化能够反映场向电流在电离层中的闭合电流的总体流向变化,流向出现反转可能是受场向电流变化的影响.

极区电离层N_(m)F_(2)观测与国际参考电离层对比研究

利用南北极极隙区与极光带纬度3个台站对电离层F2层峰值电子密度(N_(m)F_(2))长达1个太阳活动周的观测数据,对国际参考电离层IRI-2016模型在极区的适用性进行系统的定量研究。结果表明,在极光带纬度的北极Tromsø站,IRI预测与观测符合最好,大部分季节相对误差在40%以内,在太阳活动高年略好于太阳活动低年。在极隙区纬度的南极中山站和Longyearbyen站,IRI预测精度在太阳活动低年高于太阳活动高年。在中山站和北极Longyearbyen站仅个别月份相对误差在20%以内,大部分月份相对误差超过40%,冬季相对误差接近100%,特别是Longyearbyen站,在太阳活动高年冬季相对误差超过100%。从季节上看,3个台站都是冬季符合最差,夏季符合最好。IRI-2016模型对极区电离层进行预测时,难以如实反映极区等离子体对流和能量粒子沉降等极区特有的物理过程对极区电离层N_(m)F_(2)的影响。

南极中山站电离层的极区特征

本文利用 1996年的电离层数字测高仪DPS 4所测的foF2 、foE以及从美国NOAA和DMSP卫星观测估算的半球功率指数和午夜极光区赤道侧边界纬度等资料 ,考察中山站电离层的极区特征 .结果表明 ,在太阳和地磁宁静环境下 ,冬季极夜磁正午中山站处于极隙区中心时 ,电离层内的电离密度达全天的最大值 ;上、下午各有数小时间隔位于极光带内时 ,高能粒子的电离作用也很重要 ;夜间进入极盖区后 ,电子密度则很低 .夏季极昼时 ,太阳EUV辐射的电离效应使电离层电离密度比冬季值大许多 ,而且 ,日变化的最大值时间也提前了 1～ 2h .强磁扰时 ,极隙区和极光带均向低纬侧移动 ;中山站上空的电子密度会大幅度下降 .在中等扰动环境下情况更加复杂 :磁正午前后极隙区内软粒子沉降的电离强度有所减小 ,而上、下午极光区内的高能粒子电离则有较大增加 .

极区电离层闪烁特征初步分析

介绍了中国在极区的电离层闪烁观测研究工作,通过对Sodankyl和Troms两个观测站2004年3月至2008年9月期间的电离层闪烁观测数据的统计分析,给出了太阳活动低年该地区电离层闪烁的变化特征:随着太阳活动程度的降低,闪烁事件明显减少;由于极区与低纬地区电离层闪烁产生机制不同,极区闪烁形态主要表现为相位闪烁,幅度闪烁很少;极区闪烁不只是发生在地方时的晚上,白天也会有闪烁出现;并且,极区闪烁对季节没有明显的依赖关系,可发生在任何季节;但是,极区闪烁事件对地磁活动存在明显的响应.

北极区低电离层加热效应的数值模拟研究

从等离子体能量守恒方程和连续性方程出发,以国际参考电离层(IR I2000)和大气模型(MSIS)为背景,通过数值方法模拟研究大功率无线电波对北极低电离层的电子密度和电子温度的扰动效应。结果表明,在外加强电磁场作用下,电离层等离子体中的带电粒子(主要是电子)动力学温度得以升高而产生等离子体温度扰动;由于电子温度升高,等离子体碰撞频率增加且电子的复合系数减小,诱发电子密度扰动;电子密度和电子温度的扰动幅度随着加热时间的推移而减小,即扰动趋于饱和;电子密度扰动的弛豫时间较电子温度扰动的弛豫时间大;在泵波频率大于电离层临界频率的条件下,泵波频率越高,其激发的电子温度和电子密度扰动效应也就越弱。

极隙区纬度太阳活动高年背景电离层特征

本文利用 EISCAT-Svalbard 雷达1999年3月至2003年2月期间观测数据,对太阳活动高年前后极区电离层 F 区电子密度随高度和地方时的二维分布进行统计分析,研究极隙/极盖区背景电离层特征,并与 IRI-2001模式预测结果进行比较。分析结果表明,在 ESR 雷达所在纬度,不存在“冬季异常”现象;但首次发现,此处电离层冬季日变化存在磁午夜前主极大。另外,无论在什么季节,白天时段 ESR 雷达上空电子密度都在磁正午附近有一极大值。与 IRI 模式的比较表明,模式预测的 F 区电子密度与 ESR 实测结果存在较大偏差,在500km 高度以上的顶部电离层和冬季,差别尤其明显。简要讨论了软粒子沉降对造成电子密度日变化磁正午极大的作用和冬季磁午夜前主极大的形成机理。

极区电离层F_2层峰值电子浓度对太阳活动依赖性的共轭研究

本文利用南极中山站(ZHS),以及北极与其地理共轭的Tromso站(TRO)、地磁共轭的Longyearbyen站(LYB)各自约一个太阳活动周的观测数据,对比分析了极区电离层F2层峰值电子浓度(NmF2)对太阳活动的依赖性.结果表明,三个台站NmF2月中值随修正太阳10.7cm通量指数F10.7P(简称P)增大在总体上呈线性增长,这说明在这三个台站,太阳辐射仍是其F2层主要电离源.其中TRO站NmF2与P线性关系最好,ZHS站的次之,LYB站的最差.在日变化中,TRO站NmF2对太阳活动响应最为敏感的时刻出现在地方时中午附近,LYB站出现在磁中午,ZHS站则出现在地方时中午和磁地方时中午之间.这主要是由地理/地磁纬度差异引起的不同强度的光致电离与极区等离子体对流共同作用的结果.在年变化中,TRO站NmF2随太阳活动变化上升最快的季节出现在冬季,夏季上升最慢.在ZHS站与LYB站,NmF2对太阳活动变化的响应都在两分季最为敏感.这种季节上的差异则是由于三个台站光致电离与中性大气成分R[O/N2]的不同所致.

极区顶部电离层离子上行—DMSP卫星观测

本文利用DMSP卫星离子漂移速度测量数据,对高纬顶部电离层离子整体上行进行研究,主要考察平静时和磁暴期间离子上行强度与发生率随MLT(晨昏两侧)分布规律的变化；以及磁暴期间强的离子上行与等离子体对流及其剪切之间的关系。研究发现,磁暴期间强上行事件的发生率比平静期高近2倍,发生率的晨昏不对称性出现逆转,由平静时昏侧发生率较大变为磁暴期间晨侧发生率较大；磁暴期间晨侧离子上行速度的分布向速度高端加权,平均速度大于昏侧,最大上行速度远大于昏侧；强的离子上行往往与强对流剪切或强对流本身相伴随。

极隙区场向电流对高纬电离层电场和电流体系的影响

用Ｋａｍｉｄｅ－Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ方法，在行星际磁场具有较小的北向分量，且｜Ｂｙ｜＞＞｜Ｂｋ｜时，对磁语和磁扰状态以及Ｂｒ＞０和Ｂｙ＜０等不同情况，分别计算了场向电流引起的电离层电势、电场和电流体系．结果表明，极隙区场向电流的存在使高纬向日面区域的电势发生畸变，当Ｂｙ＞０时，无论是磁扰还是磁静日，极隙区电场具有显著的北向分量；等离子体对流有较大的西向分量；电离层电流为东向电流．当Ｂｙ＜０时，电场和等离子体对流的方向与Ｂｙ＞０时相反；电离层电流在磁抗日有西向分量，但在磁静日没有西向分量．电导率对电场和电流体系的影响十分明显，磁扰极光带电导率增强使电流涡从背阳面向向阳而漂移，与静日相比，磁扰时极隙区场向电流引起的电场畸变更为明显，但电场和电流强度的大小却基本保持不变．

不同能谱沉降电子对极区电离层的影响

利用极区电离层自洽模型,考虑沉降电子引起的电离,计算了极区电离层的高度积分电导率和F层电子浓度,模拟了不同能谱分布的沉降电子对极区电离层的影响.研究发现不同能谱分布沉降电子对电离层电导率的影响不大,在能通量一定的情况下,平均能量是影响电导率大小的决定因素.而能谱对F层电子密度影响较大,随着平均能量的增加,能谱对电子浓度的影响越显著.在平均能量大于1 keV(甚至更低)时,修正的麦克斯韦分布谱能明显地增强F层电子浓度.

不同上边界条件下的极区电离层数值模拟

利用一维自洽的极区电离层模型,研究了沿磁力线方向不同电离层-磁层耦合条件下极区电离层的响应。此模型在110—610 km的电离层空间区域内,综合求解描述极区电离层的连续性方程、动量方程和能量方程,以得到电离层数值解。研究发现,上边界条件在200 km以上的高度能显著地影响电离层参量的形态。较高的O^+上行速度对应较低的F层峰值和较高的电子温度。不同边界O^+上行速度对应的温度高度剖面完全不同。200km以上电子温度高度剖面不但由来自磁层的热流通量所控制,同时还受到场向O^+速度的影响。对利用电离层模型研究电离层内部物理过程提出了建议。

极隙区极光粒子沉降对电离层影响的模拟研究

利用一维自洽的时变极区电离层模型,研究极隙区极光粒子沉降对极区电离层F层电子密度影响的时变过程。假设一维时变电离层模型描述的磁流管中F层等离子体在对流作用下经过极隙区,随对流路径的不同,磁流管在极隙区经历的时间不同,以此考察极光粒子沉降作用下电离层随时间的演化过程。数值计算结果表明,当磁流管在极隙区停留的时间足够长,F层电子密度能显著增大。然而在磁流管经历极隙区实际时间较短的情况下,极隙区极光粒子沉降对F层电子密度的影响并不大。本文还给出了统计对流模型作用下磁流管在经历极隙区时,有沉降粒子作用和没有沉降粒子作用两种情况下,F层等离子体的时间变化过程的差异。

磁暴期间极光椭圆与极盖区电离层效应比较研究——F区负暴

联合利用EISCAT和E Svalbard非相干散射雷达数据 ,研究 1 997年 5月强磁暴期间向阳侧极盖与极光椭圆区电离层F区负暴 .发现在磁暴主相和恢复相初期 ,极光椭圆和极盖区电离层都在大约 1 90km高度出现类似F1的峰 ,F2主峰完全消失 ,F区电子密度大幅度下降 .但离子温度的变化在两个区域很不相同 ,在极光椭圆区大幅度升高 ,而在极盖区没有显著变化 ,反映出引起F区负暴的主要机制在两个区域不尽相同 .强对流电场引起大气焦耳加热与离子增温而使O+ 离子消失的化学反应速率增大所导致的电离损失 ,对极光椭圆区负暴起主要作用 ;而输运过程 ,特别是持续长达数小时的沿场上行离子流 ,对极盖区负暴起重要作用 .磁暴主相期间 ,当EISCAT雷达位于等离子体对流涡旋转换区下方时 ,在无焦耳加热与离子摩擦增温的情况下 ,观测到由顶部电离层O+

极区顶部电离层离子上行的太阳活动依赖性研究

利用第23太阳活动周DMSPF12,F13和F15卫星数据,分别对南北半球极区顶部电离层离子上行的太阳活动依赖性进行了研究.结果表明,南北半球上行事件对太阳活动的响应特征基本一致,即高(低)太阳活动时,离子上行通量以及上行数密度较大(小),但是上行速度及上行发生率较低(高).以南半球高纬为例,计算得到离子上行通量、数密度、速度及发生率在高低太阳活动条件下的比值分别约为2.26,3.35,0.71,0.51.对离子上行太阳活动依赖性的可能原因进行了分析.不同太阳活动水平下,光致电离及高能粒子沉降的差异会导致电离层离子密度的不同,而电离层离子密度的变化会改变离子-中性大气之间的碰撞频率,这是影响离子上行发生率的一个重要原因.

宇宙线Forbush下降对极区低电离层的影响

本文从宇宙线在极区电离层电离的理论出发,分析了宇宙线Forbush下降对极区低电离层的影响,并结合南极中山站(69°24′24″S,76°22′40″E)Riometer仪器记录到的一个极夜期间Forbush下降事例,分析了宇宙线Forbush下降和宇宙嗓声负吸收之间的关系,较好地解释了Forbush下降对宇宙噪声吸收的影响。

极区电离层与磁层-电离层耦合

本文利用欧洲空间局设在北极区的非相干散射雷达系统EISCAT的观测资料讨论磁层-电离层耦合。磁静日和磁暴期间的观测样本比较表明,磁层基本过程对极区电离层有重要影响。这不仅说明极区电离层可看作这些过程的“全景屏幕”,也表明在南、北极区(特别是磁共轭点)进行同时观测的重要意义。文中还对进一步的南极研究课题提出了一些建议。

极光区电离层扰动的两种类型

本文从ＥＩＳＣＡＴ探测资料分析确认，沉降粒子对极光区电离层的电离生成率有极重要的作用，但高能和低能粒子的有效电离高度范围完全不同，另一方面，磁层对流的增强却常使Ｆ层电子密度Ｎ下降，１９８５年１月２８～２９日期间出现Ｎ（Ｅ层）Ｎ（Ｆ层），且１４７ｋｍ以上Ｎ随高度增加而下降的典型扰动剖面。这是高能粒子和强磁层对流共同作用的结果。１９９３年２月１６～１７日期间，中午前后ＮｍＦ异常地增大，而Ｎ（Ｅ层）却无明显变化。这是与前者特征不同的另一类典型剖面。

2004年12月13日IMF北向期间极区亚暴电离层电动力学特征

利用KRM地磁反演方法,结合北半球中高纬度地磁台站数据,研究了2004年12月13日行星际磁场北向期间发生的亚暴事件,极区电离层电动力学参量(电流矢量、等效电流函数以及电势)的分布特征.结果表明,在该亚暴膨胀相起始后,午夜之前西向电集流急剧增强,且等效电流体系表现为夜侧双涡,同时伴随夜侧增强的南向电场.由于极弱的直接驱动过程,卸载过程引起的电离层效应得到清楚显示.卸载过程在膨胀相期间起绝对主导性作用.同时,夜侧电导率的增强是电集流区域电流急剧增强的主要原因.

极区电离层等离子体云块的形成和演化

极区电离层等离子体云块的形成和演化给人类的通信、导航、电力设施和航天系统等造成很大危害。因此。相关研究也是国际空间天气学领域中最重要的课题之一。