高纬电离层特性的实例研究

本文利用EISCAT雷达资料讨论磁层-电离层耦合的高纬电离层效应。研究表明,即使在夏季极昼情况下,磁扰期间的磁层过程对高纬电离层形态的影响也远大于太阳紫外辐射的作用。高能粒子沉降使电离层E层的电子密度大大增加;而磁层对流速度变大会使F层内电离复合加强。因而,磁扰时经常出现n_e（E层）>_e（F层）的情况。此现象不仅与宁静时完全相反,而且与中低纬电离层形态变化也有很大差别。     

带电粒子穿入地磁場的一种机制（一）

自从辛格用輻射带內电性粒子运动所形成的电流环,成功地解释磁暴主相形成的机制以来,这些带电粒子的来源就成为磁暴主相理論的一个重要問題。本文以两度空間双曲线磁場,对带电粒子的軌道进行初步計算表明:由于貭子和电子的反射方向不同,在中性点附近可以形成由东向西的极化电場。在这个电場的作用下,带电粒子的飘移运动可以通过中性点穿入地磁层而被捕获。据初步估計,我們的計算与帕克尔等的理論結果相符,并可以解释磁暴主相。     

磁暴主相期间外辐射带结构的变化

本文利用相对論带电粒子的两个寝渐不变量,討論了磁暴主相期間外輻射带中心結构的变化。作者认为磁暴主相是由“磁暴带”环电流所产生。“磁暴带”假設位于外輻射带中心之外,它是太阳等离子体穿入磁层后形成的。本文对初始能量W=20Kev和W=1Mev的电子分別进行了計算。 結果表明,在磁暴主相期間电子向外漂移,其赤道投擲角減小,但镜点离地面距离增高。因此,主相时所观測到的极光,并不是由于地磁場的平緩下降使小投擲角电子注入大气层而形成的。此外,計数率降低的主要原因是由于力管截面膨胀造成的粒子密度減小以及电子減速,而电子減速与投擲角有关,由此决定了电子通量沿磁力线分布的变化。以上結果与探险者6号（Explorer Ⅵ）的观測一致。     

一九八○年二月十六日日全食电离层电子总含量的观测

本文介绍了1980年2月16日日全食时,在云南鹤庆县（100°12′E,26°35′N）,测量日本ETS-Ⅱ同步卫星136MHz信标法拉弟旋转所得到的一些主要观测结果:（1）电子总含量的日变曲线中出现提前日落现象;（2）F区峰下电离对法拉弟旋转的贡献在日食期间相对变小;（3）没有出现与日食明显有关的声重波扰动。     

极区电子沉降对电离层影响的模拟研究

在极区电离层模式中,考虑了软电子沉降引起的电离,并对差分方法的应用提出了改进意见.模拟了不同特征的沉降电子对极区电离层的影响,发现平均能量低的电子束能够形成明显的电离层F层,平均能量较高的电子束能使得最大电离的高度下移,形成明显的E层,甚至其电子浓度高于F层.将电子沉降的卫星测量结果作为电离层模型的输入,所得F层临频与观测结果符合较好.通过分析中山站电离层统计结果,综合电子沉降在极隙区的分布特征和上述模拟结果,认为中山站磁中午现象主要由电子沉降所致.     

磁暴期間外輻射带結构的变化

本文根据磁矩守恆的条件,利用刘維定理（Liouville's theorem）,討論了磁暴期間在赤道平面外輻射带內,带电粒子的空間分布及能量分布的变化。結果表明:当主相时,粒子密度及通量的峯值变小而且位置向外移动。此結果与探測事实相符。能譜分布也有显著的变化,不論垂直能量或是平行能量,当主相时能量分布的峯值向低能量的方向偏移;急始时向高能量的方向偏移。对投擲角及鏡点高度作了計算,发現当急始时投擲角变大,而鏡点高度下降;主相吋投擲角变小,镜点高度上升。由此可以訊为,在主相期間緩慢的磁場下降,不能使外輻射带內粒子侵入上层大气。相反,在急始时則可能有一部分粒子会侵入上层大气。根据所得結果,基本上可以解释目前的观測現象。     

地磁扰动期間史篤默捕获区的变化

本文利用了史篤默（Stormer）的理論来討論在地磁扰动期間史篤默捕获区的变化。在計算过程中我們只是考虑到单一粒子在捕获区內的运动。地磁扰动我們分別取以下两种形式:（1）当扰动磁場是均勻的而且其方向与磁軸相反;（2）当扰动磁場是由位于赤道面上5至8个地球半径的电流环引起的。計算結果认为在磁扰期間捕获区将要发生变化。这个变化引起了捕获区內粒子数目的变化。最后我們将根据上述的結果討論美国人造卫星（探险者Ⅵ号）所观測到磁暴期間外輻射带的变化。     

高地磁活动与fmin

电离层垂直探测电离图上的最低频率f_min作为电离层吸收的衡量标准与突发电离层骚扰（SID）的识别“指示”,已为人所共知。然而,从最近作者对武昌（30.5°N,114.4°E;磁倾纬度26.4°N;L约为1.20）上空电离图及其分析资料的考查表明:通过对f_min与各种类型的E_s-l的对比分析,发现可将f_min用于研究强吸收与高地磁活动的关系,从而为研究高地磁活动开辟了新的途径。     

北京上空热层钠层的激光雷达观测

热层金属层位于电离层E层和F层的过渡区域,为研究105～200 km之间的中性和电离成分的相互作用过程提供了独特的示踪剂.为更好地了解热层金属层的来源和形成机制,本文基于北京延庆台站(40.42°N, 116.02°E)的高精度钠荧光共振激光雷达的数据,根据观测到的热层钠原子层的形态特征和出现规律等以及参考先前的研究报道,将该台站上空的热层钠层主要归类为四种：低热层突发钠层、天亮前热层-电离层钠层、午夜热层-电离层钠层和中纬度热层-电离层钠层.我们对最后一种热层钠层进行了仔细研究,基于2018—2020年415个观测夜共约3914 h的数据,找到了17个该事件(出现率仅4.1%,且多发于冬季).在14个完整事件中,仅约35.7%(5/14)的事件出现时间与附近地基台站观测到的电离层突发E层相似,但均早于电离层突发E层;剩下的9次事件与最近的突发E层的时间相差范围为2.5～8.6 h.因此,我们认为中纬度热层-电离层钠层与电离层突发E层相关性较弱,它应该有着其他可能的形成机制.     

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究：4.太阳活动低年夏季F区回波

太阳活动低年夏季,低纬电离层F区场向不规则体表现出与太阳活动高年和其他季节明显不同的特征.本文利用我国三亚站（18.4°N,109.6°E,地磁倾角纬度dip latitude 12.8°N）VHF雷达、电离层测高仪、GPS闪烁监测仪和美国C/NOFS卫星观测数据,研究了太阳活动低年夏季我国低纬电离层F区场向不规则体的基本特征.分析发现无论磁静日还是磁扰日,夏季电离层F区不规则体回波主要出现于地方时午夜以后,回波出现的时间较短,高度范围较小,伴随着扩展F出现,但没有同时段的L波段电离层闪烁.太阳活动低年夏季午夜后的低纬电离层F区不规则体回波,可能并不总是与赤道等离子体泡沿磁力线向低纬地区的延伸相关,而可能由本地Es等扰动过程引起.     

中朝地台东北缘地区的地震层析成像

根据中朝地台东北缘地区 (东经 1 1 7°0 0′— 1 2 6°0 0′ ,北纬 36°0 0′— 44°0 0′) 1 980— 1 997年的 380 0 0余条P波走时数据 ,利用正交投影法重建了该区地壳和上地幔的三维速度结构 .通过分析及同人工地震测深剖面的详细对比 ,证明了成像结果的可靠性 .结果表明 :中朝地台东北缘地区地壳上地幔介质存在显著的横向不均匀性 ,直至 1 2 0km深度处依然明显 ;地壳上部的速度图像清楚地反映了不同岩石单元的分布与该区不同性质的基岩分布基本吻合 ;从上、中地壳的速度图像中发现了研究区存在海城、朝阳、义县、丹东南、唐山等几个低速异常区(即速度逆反层区 ) ,其中海城、唐山、朝阳等地区的壳内低速层已由深地震测深资料所证实 ;研究区陆地发生的几次强震均发生于壳内低速层上方的高速脆性介质内 ,而渤海发生的强震 ,此现象不明显 ,但都发生于横向介质速度显著突变的位置 ;在地壳不同深度上发现了普兰店至山海关横跨渤海的北西向低速异常带 ;地震层析二维速度图像与深地震测深资料的对比表明 ,研究区利用地震层析成像技术 ,在一定条件下可以获得与人工地震测深相似的效果     

100-200km热层大气光电离率及电子密度剖面对太阳活动的响应

本文利用新的太阳EUV辐射资料、中性大气结构模式及大气成分的吸收及电离特性,计算了100-200km大气的光电离率随高度、太阳天顶角及太阳活动的变化,求得了E-F₁谷的变化特征;利用完整的光化模式求得了电子密度随太阳天顶角的变化及对太阳活动的响应,并与IRI模式作了比较.结果表明,1.太阳活动指数与光电离率间的相关关系一般为正,但在一定的高度范围内,或在天顶角大于临界值X_cr=60°时,两者之间可出现负相关;2.太阳活动明显地影响E-F₁谷高与谷厚,当天顶角不变时,谷高与谷厚均与太阳活动成正相关;3.本模式与IRI间的偏差因子明显随高度及太阳天顶角而变化.     

昆仑山口西8.1级地震西破裂带尾端破裂特征

20 0 1年 11月 14日昆仑山口西 8.1级地震的地表破裂带 ,宏观上可明显分为东、西两段。野外考察表明 ,8.1级地震地表西破裂带分布于库水浣湖—太阳湖之间 ,总体走向为 2 85°～ 2 90° ,全长约 2 5km ,以左旋走滑为主。西破裂带具有典型的左旋走滑末端效应 ,该段西端位于库水浣湖以西的冲沟沟床中 ,破裂带总体走向由NWW向转为 2 4 0°方向 ,表现为一系列走向 30°～ 4 0°、长 5～ 15m不等的斜列张裂缝及走向NW -SE的挤压脊组合 ;东端位于太阳湖西岸阶地上 ,破裂带总体走向由 10 5°～110°转为N5 0°E左右 ,NE向构造张裂缝与NW向挤压脊交错排列 ,总体表现为棋盘格状 ,并在太阳湖边消失。分析认为 ,昆仑山口西 8.1级地震地表西破裂带为一独立的地震事件所形成的形变带 ,昆仑山口西 8.1级地震具有多点破裂的特征     

Trends in the ionospheric E and F regions over Europe

Continuous observations in the ionospheric E and F regions have been regularly carried out since the fifties of this century at many ionosonde stations. Using these data from 31 European stations long-term trends have been derived for different parameters of the ionospheric E layer (h E, foE), F1 layer (foF1) and F2 layer (hmF2,foF2). The detected trends in the E and F1 layers (lowering of the E region height hE; increase of the peak electron densities of the E and F1 layers, foE and foF1) are in qualitative agreement with model predictions of an increasing atmospheric greenhouse effect. In the F2 region, however, the results are more complex. Whereas in the European region west of 30° E negative trends in hmF2 (peak height of the F2 layer) and in the peak electron density (foF2) have been found, in the eastern part of Europe (east of 30° E) positive trends dominate in both parameters. These marked longitudinal differences cannot be explained by an increasing greenhouse effect only, here probably dynamical effects in the F2 layer seem to play an essential role.     

中国不同纬度背景Na层夜间和季节变化特征的激光雷达研究

基于子午工程的北京、合肥和海南三个Na荧光激光雷达对中国不同纬度上空夜间背景Na层的长期观测,分析了我国沿东经120°N上空Na层的夜间变化和季节变化特征.对照2010年12月17日夜间三个雷达站的观测结果,发现三个地方Na层的夜间变化并不具有相关性.Na层长期变化的年加半年变化拟合结果显示,北京和合肥上空Na层柱密度具有明显的年变化特点,而海南上空Na层柱密度的半年变化特征更明显; Na层的质心高度和RMS宽度具有明显的半年变化特点,但海南地区Na层的RMS宽度的长期变化不具有半年变化特征.Na层参数的统计和对照显示,Na层柱密度的季节变化与大气温度季节变化相关,在冬季最大,在夏季最小.Na层柱密度随纬度升高而增大,同时年变化性逐渐增强;质心高度随纬度变化趋势不明显,但三个地方Na层质心高度的长期变化都具有较明显的半年变化特征;在各个月份中,北京地区Na层RMS宽度最大,合肥地区Na层RMS宽度最小,海南地区居中.     

Global scale annual and semi-annual variations of daytime NmF2 in the high solar activity years

The annual and semi-annual variations of the ionosphere are investigated in the present paper by using the daytime F2 layer peak electron concentration (NmF2) observed at a global ionosonde network with 104 stations. The main features are outlined as follows. (1) The annual variations are most pronounced at magnetic latitudes of 40–60° in both hemispheres, and usually manifest as winter anomalies; Below magnetic latitude of 40° as well as in the tropical region they are much weaker and winter anomalies that are not obvious. (2) The semi-annual variations, which are usually peak in March or April in most regions, are generally weak in the near-pole regions and strong in the far-pole regions of both hemispheres. (3) Compared with their annual components, the semi-annual variations in the tropical region are more significant.In order to explain the above results, we particularly analyze the global atomic/molecular ratio of [O/N2] at the F2 layer peak height by the MSIS90 model. The results show that the annual variation of [O/N2] is closely related with that of NmF2 prevailing in mid-latitudes and [O/N2] annual variation usually may lead to the winter anomalies of NmF2 occurring in the near-pole region. Moreover, NmF2 semi-annual variations appearing in the tropical region also have a close relationship with the variation of [O/N2]. On the other hand, the semi-annual variations of NmF2 in the far-pole region cannot be simply explained by that of [O/N2], but the variation of the solar zenith angle may also have a significant contribution.     

太阳活动高年上电离层中O+-H+离子过渡高度的特征

本文用日本电离层探测卫星ISS-b的资料,假设F₂层峰顶以上电离层中各类离子随高度呈扩散平衡分布,得到了太阳活动高年（1978年8月-1979年8月）确定顶外电离层电子密度剖面形状的一个重要参数,即O⁺-H⁺离子过渡高度h_T的一些变化特征.指出h_T的日变化特性主要受电离层中O⁺离子的产生与复合作用的控制.太阳活动高年在不同纬度和所有经度区域,平均说来日间h_T为大约1500-2500km变化,而夜间位于800-1400km,冬夜甚至接近中性氢、氧原子的化学平衡高度.过渡高度也表现出明显的纬度关系,在接近±20°的磁赤道地区,h_T基本上不随纬度变化;但在大于±30°磁纬区域h_T随纬度很快增加.义中还就h_T随时间和地磁（或地理）纬度变化的机制作了简要讨论.     

On the long-term change of ionospheric parameters

Independent of the possible sources (solar activity, geomagnetic activity, greenhouse effect, etc.) of a global change in the upper atmosphere, it is the sign of a long-term trend of temperature that might reveal the cause of a global change.Long-term change of temperature in the F region of the ionosphere has been studied and is assumed to be expressed in terms of thickness of the bottomside F2 layer characterized by the difference between height of the maximum electron density of the F2 layer hmF2 and altitude of the lower boundary of the F region represented by h′F. Using the difference of two ionospheric parameters has the advantage that it reduces the effect of changes resulting from alteration of equipment and scaling personnel. In this study, in summer only night values of the difference hmF2−h′F and in winter both day and night values have been taken into account considering that h′F might indicate the lower boundary of the F region in these periods. The study of the behaviour of hmF2−h′F taking separately the stations and determining yearly the mean measure (trend) of the variation of hmF2−h′F with solar and geomagnetic activities found that this difference increases significantly with enhanced solar activity, but trends of the solar activity effect exerted on this difference themselves do not practically change with increasing sunspot number. Further, hmF2−h′F decreases only insignificantly with growing geomagnetic activity. Trends of the geomagnetic activity effect related to hmF2−h′F change only insignificantly with increasing Ap; however, trends of the geomagnetic activity effect decreased with increasing latitude.As a result of this investigation it has been found that hmF2−h′F regarded as thickness of the bottomside F2 layer shows an effect of the change of solar activity during the last three solar cycles, indicating temperature change in the upper atmosphere to be expected on the basis of changing solar activity. Furthermore, though a long-term variation of solar activity considering only years around solar activity minima is relatively small, the difference hmF2−h′F indicates a trend opposing the change of solar activity; that is, it decreases slightly during the first three 20, 21, 22 solar cycle minima (1964–1986), but decreases more abruptly according to the change of solar activity towards the minimum of solar cycle 23 (1986–1996), thus also indicating variation of temperature in the F region. However, this variation cannot be explained by the change of solar and geomagnetic activities alone, but assumes some other source (e.g. greenhouse gases) too.     

基于非相干散射雷达和GPS观测研究Millstone Hill地区等离子体层电子含量

本文尝试结合非相干散射雷达和GPS TEC观测数据提取等离子体层总电子含量(PTEC).我们首先描述所用的技术方法,然后具体利用了Millstone Hill台站的观测数据研究该地区上空等离子体层总电子含量(PTEC)的变化情况.我们采用变化标高的Chapman函数对非相干散射雷达测得的电子浓度剖面数据进行拟合,然后通过对剖面积分得到100 km到1000 km高度范围的电离层总电子含量.GPS提供的TEC数据为高度达20200 km的总电子含量,两者之差可近似看成等离子体层的电子含量.本文分别选取太阳活动高年(2000, 2002年)和太阳活动低年(2005,2008年)Millstone Hill台站的静日数据进行研究.结果表明,等离子体层电子含量及其所占GPS TEC的比例具有明显的周日变化.PTEC含量在白天高于夜间,而所占GPS TEC的百分比,夜间明显高于白天.太阳活动高年所选月份等离子体层电子含量在4~14 TECU (1TECU=10¹⁶el/m²) 范围内变化,夜间所占比例可达60%左右.太阳活动低年所选月份等离子体层电子含量在3~7 TECU范围内变化,所占比例夜间最高可达80%左右.我们所得到的结果与前人基于其它观测手段所得结果在变化趋势上一致,在量级上也大致相当.因此,这从一个侧面证明了我们所用方法的可靠性.非相干散射雷达能够探测包括F2层峰值以下及以上高度的电子浓度,利用这一设备所观测得到的资料来推算电离层电子含量将比前人基于电离层垂测仪观测资料进行的推算更具真实性,由此得到的等离子体层电子含量也将更为接近真实情况.