焦耳加热是电离层-热层进行全球尺度循环的主要能量来源之一。外部注入的能量首先被储存在极区大气当中,然后通过等离子体-中性成分的相互作用被逐渐转移到电离层-热层的其它位置当中。一方面中性离子在外加电场的作用下被离子流所拖拽,另一方面焦耳加热会产生压强梯度,驱动中性成分运动,所以由于焦耳加热导致的极区扰动会显著地影响电离层-热层能量的全球分配。而电离层-热层体系对外界驱动的响应由于受到焦耳加热的能量分配、外加电场的变化、以及电离层-热层系统本身结构特征等因素影响,呈现出极强的不均匀性以及半球非对称性,所以电离层-热层对外加驱动的响应一直以来都是被关注的焦点问题之一。　　通过使用全球地基台站观测数据、理论与经验模型、以及卫星数据等手段,研究者对电离层-热层的非对称响应有了一定认知,然而这一现象背后的物理机制仍然有待进一步的探索。例如,当不同的驱动因素共同作用时,极区焦耳加热的过程会使电离层热层体系对于外界驱动产生怎样的非对称响应?除了短时地磁扰动所观察到的响应不对称性之外,电离层-热层响应的长年统计有何规律?非对称的地磁偶极场形态对热层在外加驱动下的响应所起的作用?电离层热层在极区驱动下的响应具体会呈现出何种效应?能否对电离层参量进行模式化研究,以检测其在太阳辐射、地磁扰动、焦耳加热、极光粒子沉降等多种因素的控制下的短期响应和长期变化趋势?　　本文采用个例分析与统计相结合,模型与卫星数据相结合的方法,利用CHAMP卫星、GITM理论模型、EOF经验模型,对以上述问题为代表的电离层-热层在外界驱动下的短期响应和长期变化过程进行了研究和探讨。本文研究工作主要包括以下四个部分。　　个体的磁暴事件以及热层半球响应的不对称性已经被一些研究者所关注。然而对于热层密度响应的解释,以及长年数据的统计平均的工作仍然较少有人涉及。本文使用CHAMP卫星测量的热层大气密度首先对一起代表性的地磁扰动下的热层响应事件进行分析,并进而针对2001-2007年的102起磁暴事件进行统计分析,以探究高纬热层大气密度在实际地磁扰动下的响应并给出可能的解释。　　地磁扰动期间热层质量密度的重新分布受到地磁场形态的影响,而地球偶极磁场相对地心既有倾斜(tilt)又有偏移(offset),所以使得偶极轴与地球表面分别相交于距离地理北极7°和距离地理南极14°的地方。使用含有不同偶极场形态的理论模型为我们提供了研究电离层-热层系统对于外加驱动响应的有力手段。本文利用GITM理论模型,研究了四种不同地磁场形态下的热层在外加驱动下的响应,讨论了由于倾角和偏移所导致的偏心地磁场所造成的热层密度响应在南北半球存在不对称现象,并系统的描述了不同地磁场形态所起的作用。　　电离层里的等离子体和中性风运动是受到地磁场的显著控制的。由于磁偶极轴与地球自转轴的偏差,磁层能量的输入因磁极所处的不同位置而变化,因此电离层-热层体系对外界驱动事件的响应具有时间效应。本文利用GITM理论模型给出了高纬电场的增强所导致的南北两极的热层大气温度和中性风场的变化,描述并解释了这一时间效应。　　在电离层-热层体系对于外界驱动的短期响应和长期变化趋势的定性分析和定量研究时,经验模型高效的运算速度和准确的预报能力使其在处理大规模的数据量的时候体现出优势所在。本文采用了经验正交函数法对电离层总电子含量TEC进行建模,以研究其长期的变化趋势和磁暴扰动时期的短时响应,从而进一步理解电离层热层体系在太阳辐射、地磁扰动、焦耳加热、极光粒子沉降等多种因素的控制下的响应。　　本文结构安排如下,第一章简述电离层.热层的物理过程、能量来源、以及响应特征;第二章介绍本文分析过程所使用到的理论模型、经验模型和卫星数据;第三章至第六章阐述本文主要分析结果;最后是结论部分。