电离层-热层参数的经度差异及其世界时变化

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随着航天技术与无线电波通信技术的发展,地球近地空间天气变化对人类生活的影响越来越重要。电离层-热层(Ionosphere-Thermosphere,IT)系统是近地空间的重要组成部分,其高度范围内运行着大量航天器。开展热层和电离层参数(如中性风和大气密度、电子密度)的空间分布研究,对于航天器在轨运行、通信、导航定位以及国防安全都有重要的应用价值,对于空间天气建模现报和预报都有重要的理论意义。本论文围绕着国际前沿和挑战性课题-----热层和电离层参数的区域性差异(经度和世界时差异)开展了系统研究,首次揭示太阳辐射加热、亚暴、亚极光区电极化流,地球磁场构型、低空大气潮汐波等物理过程的重要影响,研究具有重要的科学意义与应用价值。本文结合CHAMP(CHAllenging Minisatellite Payload)卫星和地面台网观测数据以及数值模型(如Thermosphere Ionosphere Electrodynamics General Circulation model,TIEGCM,Global Ionosphere and Thermosphere Model,GITM,Coupled Magnetosphere Ionosphere Thermosphere,CMIT)研究了不同地磁条件下电离层电子密度、热层大气质量密度和风场的经度差异及其世界时响应特征,重点探究其内在物理产生机制,取得了一系列创新性的成果。主要工作如下:1.使用卫星观测数据和数值模型,首次研究了从低空大气向上传播的大气潮汐波对中纬电离层电子密度经度差异的影响,定量比较了迁移潮汐波和非迁移潮汐波向电离层E层和F层的传播过程及其对不同高度电子密度的影响。研究结果表明:a)从低空大气层向上传播的大气潮汐波主要影响200 km高度以上的电离层电子密度经度差异,潮汐波影响的经度差异峰值出现于300 km左右;b)迁移潮汐波削弱了北美地区和南半球的峰值电子密度经度差异,而非迁移潮汐波在南北半球都引起了典型的峰值电子密度四波经度结构;c)迁移潮汐波和非迁移潮汐波调制电离层电子密度经度差异的主要物理机制是通过影响大气成份的变化(氧氮比);d)在潮汐风场驱动的电离层电子密度经度差异中,潮汐波(包含迁移潮汐波与非迁移潮汐波)驱动的经向风差异的影响(~70%)比纬向风(~30%)要强得多。2.使用卫星观测数据和数值模型,研究了太阳活动低年(2007-2009)中纬热层大气质量密度的经度差异,首次揭示离子拖曳在大气质量密度的典型单波经度结构中有重要作用,指出太阳辐射加热也有一定作用。研究得到以下新结果:a)热层大气质量密度呈现出典型的单波经度结构,其波峰和波谷的位置均随着磁地方时东向移动,南北半球几乎反相;b)离子拖曳在热层大气质量密度经度差异的形成过程中扮演了重要角色,欧亚地区较弱的电离层电子密度经度差异无法对大气质量密度的经度分布产生明显的影响,导致该地区大气质量密度的经度差异不明显;c)太阳天顶角的经度差异在中纬可以达到20o~30o,因此太阳辐射加热的经度差异也可以导致大气质量密度出现经度差异。3.通过分析九年的CHAMP卫星风场数据和热层-电离层电动力学耦合模型数值模拟结果,首次系统性统计了磁赤道、赤道异常区域和磁中纬地区400 km高度热层纬向风的经度变化特征,及其随太阳活动水平、季节、南北半球的变化,揭示了不同纬度带热层纬向风产生机制。主要结果如下:a)纬向风的经度差异没有明显的太阳活动水平依赖性,其大尺度结构不随太阳活动水平出现明显的变化;b)经度差异有明显的地方时依赖性以及半球不对称性。白天纬向风的经度变化在北半球中低纬的-90o到90o经度带表现为西向,在其它经度范围为东向,夜晚其经度变化与白天相反。南北半球基本反相;c)南北半球纬向风的经度结构存在明显的季节效应,夏季的经度结构与其它季节有明显差别:其在低纬地区与其它季节几乎相反;d)地磁场构型是中低纬热层纬向风经度变化的主要物理机制。4.使用全球电离层-热层模型,研究了不同世界时(Universal time,UT)发生的亚极光区电极化流(Subauroral Polarization Streams,SAPS)对热层纬向风的影响,探索了在南向行星际磁场条件下SAPS对热层纬向风的影响,该研究有助于深入理解SAPS期间电离层-热层耦合物理过程。得到的创新性结果如下:a)SAPS离子拖曳显著增强了亚极光区的昏侧西向热层风;b)不同世界时发生的SAPS对西向热层风的影响显现出较大的差异。北半球和南半球的中性扰动风分别在18和04 UT达到最大值,在04和16 UT则分别达到最小值;c)南向行星际磁场条件下SAPS产生的西向扰动风与太阳天顶角相关性较好,太阳辐射愈强,风速愈强;d)在太阳辐射强度最强时,SAPS导致的电离层电子密度耗空和热层大气质量密度增强最为明显。5.使用全球电离层-热层模型,首次系统地展示了亚暴对热层纬向风的影响及其世界时、季节变化,揭示了亚暴期间离子拖曳、高纬焦耳加热对热层风的相对影响,该研究有助于理解亚暴期间电离层-热层耦合过程。主要结论如下:a)亚暴引起的昏侧高纬热层扰动风主要为极向、西向及垂直向上,夜晚扰动风为赤道向、西向及垂直向上;b)IMF Bz(Interplanetary Magnetic Field)引起的离子拖曳主导了白天扰动风;IMF B_z和半球极光沉降能量共同主导了夜晚扰动风;c)由于夜间电离层背景电子密度比较低,夜晚中性扰动风与白天相比有明显的时间延迟;d)离子拖曳是白天水平扰动风(包括经向风和纬向风)的主要原因,焦耳加热效应引起的压强梯度主要影响了白天垂直中性扰动风。离子拖曳、焦耳加热引起的压强梯度共同驱动了夜晚水平扰动风。e)春秋分和当地冬季的亚暴中性扰动风呈现出明显的世界时变化,其主要受控于太阳辐射加热:太阳辐射强度愈强,亚暴引起的扰动风愈强。在当地夏季,亚暴扰动风的世界时变化非常微弱,甚至与其它季节相反。6.使用磁层电离层热层耦合模型,首次探究了以Alfven波频率震荡(10分钟、30分钟、60分钟)的IMF Bz分量对电离层-热层耦合系统的影响,揭示了耦合系统的低通滤波特性,发现了热层经向风呈现出瞬时响应、周期性小尺度行进式大气扰动(Traveling atmospheric disturbances,TADs)与大尺度TADs的新现象,归纳了离子拖曳和温度变化引起的压强梯度等风场作用力所扮演的角色,该研究有助于理解电离层-热层的小尺度耦合过程。得到的新结论如下:a)IMF Bz分量的震荡周期越长,跨极盖电势与极区粒子能量沉降越强;b)电离层-热层耦合系统具有低通滤波特性,10分钟周期震荡的IMF Bz分量未能引起明显的周期性热层经向扰动风;c)30和60分钟周期震荡的IMF Bz在热层中引起了相对纬度几乎瞬时的扰动风和行进式大气扰动。离子拖曳是白天北半球瞬时扰动风的主导因素;周期性能量注入导致的温度空间变化所产生的压强梯度主导了同时出现于夜晚南北半球和白天南半球的小尺度周期性TADs。
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