太阳耀斑驱动的南半球高纬短波衰减研究

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空间天气对电离层电波信号传播的影响通常源于太阳,太阳强磁场重联产生的强烈太阳耀斑和快速日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,CME)会引起各种电离层突然扰动(Sudden Ionospheric Disturbances,SIDs)效应,这些效应是电离层物理研究的重要问题之一。而电离层作为短波广播和长距离通信的高度反射器,不仅会受到太阳活动的影响,还会受到地磁活动、低层大气活动以及共存热层的耦合作用。当电离层发生突扰时,电子和离子的密度、电子和中性粒子的碰撞频率以及电离层高度的变化,会导致短波衰减(Short Wave Fadeout,SWF)、相位异常等影响远距离短波通信、导航定位以及侦查和跟踪雷达系统的灾害现象。研究电离层短波衰减对于理解电离层等离子不规则体及其运动规律,进而避免电离层突扰导致的空间天气灾害有着重要的意义。由耀斑引起的低电离层等离子体密度突然增加会引发明显的高频(3-30 MHz)雷达回波吸收效应。因此本文利用超级双子极光雷达观测网(Super Dual Auroral Radar Network,SuperDARN)中山站高频雷达和GOES卫星X射线的观测数据,统计了在2010-2019年由极端耀斑(9个X级和3个M级)引起的12个SWF事件,对南半球高纬度地区的日侧电离层SWF进行了分析研究。主要结果如下:(1)将SWF按其开始阶段(onset)的持续时间特征分为短型和长型,并分析了两种类型SWF的产生原因。发现背景场向电流的大小与两种类型事件的差异存在相关性,短事件伴随的场向电流较弱,而长事件伴随较强的场向电流;(2)统计研究了南半球高纬地区SWF现象的典型特征,给出了SWF三个阶段的持续时间,其中开始阶段为6分54秒;停电阶段为20分24秒;恢复阶段为39分36秒;(3)发现SWF三个阶段的持续时间与耀斑持续时间都具有很强的相关性,与有效X射线通量积分的相关性也很显著,但与有效X射线通量峰值的关系并不明显。说明有效X射线通量积分更好地反映了电离层的电离效应;(4)耀斑期间,不同速度的电离层回波在开始阶段的衰减速度相同,但在恢复阶段速度绝对值越小的电离层回波恢复的越快。对于不同距离门的电离层回波,近距离门回波对耀斑X射线变化的响应要强于中远距离门的回波,当射线通量超过了10-6W/m~2,回波开始被吸收而表现出下降的趋势。总体而言,南半球高纬SWF持续时间的长短是由不同耀斑辐射的时间分布驱动。短onset事件的耀斑辐射通量上升速率快,在极短的时间内即可获得HF完全吸收所需的辐射能量,这是造成长短事件区分的主要因素。此外,长onset事件中的强背景FAC可能为电子逃逸提供通道,雷达信号与电离层电子碰撞率的降低可以延长开始阶段的持续时间。
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