外源S_q等效电流体系电流涡中心电流强度与太阳活动关系

本文选取了INTERMAGNET地磁台网2001年到2012年的地磁数据,对其进行世界时(UT)到地方时(LT)的转换后利用自然正交分量法(NOC)从所选资料中提取出太阳静日变化Sq成分,再通过球谐分析方法建立模型分离内、外源Sq成分,逐日反演出内、外源Sq等效电流体系,并得到外源Sq等效电流体系南北电流涡中心电流强度.本文将外源Sq等效电流体系南北电流涡中心电流强度与同一时期的Dst指数进行了对比分析,研究表明它们之间具有同步变化的规律,且北半球电流涡中心电流强度在磁暴发生时的异常现象远高于南半球.对F10.7cm太阳射电流量与外源Sq等效电流体系南、北半球电流涡中心电流强度的长短周期分析发现,Sq等效电流表现出明显的11年周期特点,与太阳活动周期一致.外源南、北半球电流涡中心电流强度和F10.7cm年均值的相关系数分别达到了0.93和0.90,说明太阳活动是导致外源Sq电流体系变化的最直接也最主要的因素,这可能与电离层电导率受控于太阳的电磁辐射相关.     

Sq等效电流在太阳活动周中的分析研究

Sq电流体系的产生与太阳密切相关,太阳的活动情况会对Sq电流体系造成直接的影响.本文应用1996年至2006年(第23太阳周)INTERMAGNET地磁台网以及中国地震局地球物理研究所国家地磁台网中心的全球地磁场观测数据,通过球谐分析的方法建模,对11年期间每月Sq内外源等效电流体系进行分离,分析Sq内外源等效电流在太阳活动周中的变化情况.结果表明,Sq内外源等效电流强度与太阳黑子的变化具有较高的相关性和一致性,内外源等效电流强度在太阳活动高年期间明显大于其在太阳活动的上升年和下降年期间的强度;Sq内外源等效电流焦点的纬度变化与太阳活动没有显著的一致性;Sq内外源等效电流强度的季节效应在太阳活动的高年和低年具有显著的差别,太阳活动高年期间等效电流强度在分点季节最大,而在其他年份南北半球的等效电流强度都是在各自半球的夏季达到最大.     

二维电离层发电机理论模式及其初步应用

在地理坐标系下推导出二维电离层发电机理论方程,采用逐线迭代法求解得到全球二维电离层发电机电流函数,进而得到电离层发电机电流和电场.模式中使用的电导率是根据外部经验模式给出的背景大气和电离层参数,采用理论公式计算得出;输入的中性风场和磁场分别由HWM93和IGRF2000模型给出,该电离层发电机理论模式很好地给出了全球Sq电流形态及电离层E层发电机电场的基本特征.利用该模式研究了外部模式风场以及地磁场随高度的变化对模拟结果的影响,发现在90~180 km高度上,风场随高度变化对电流影响较大,而地磁场影响较小;重点模拟研究了地磁平静时期,Sq电流涡旋中心位置和总电流强度的变化规律,初步研究发现,电流中心位置在地理纬度±30°附近,不同的地方时电流随地磁纬度线平行移动,且南北半球两个电流涡中心电流强度之和变化不大.分析发现这种规律与发电机高度上的磁场总强度及地磁倾角的全球分布有很好的相关性.     

北半球电离层中纬槽发生率及其槽极小位置变化的统计研究

本文利用2014年9月到2017年8月全球高时空分辨率TEC数据对北半球四个经度带电离层中纬槽的发生率和槽极小位置的变化进行了统计研究.基于Kp指数,我们引入了一个包含地磁活动变化历史效应的地磁指数(Kp 9)来分析中纬槽位置变化与地磁活动水平的关系.通过与其他地磁活动指数的对比,发现槽极小纬度与Kp 9指数的相关性最好.此外,本文重点分析了中纬槽发生率及槽极小纬度的经度差异、季节变化、地方时变化以及与地磁活动强度等的关系.结果表明,中纬槽的发生率与经度关系不大,主要受到季节、地方时与地磁活动的影响.午夜中纬槽发生率在夏季较低,其随地方时的变化则呈现出负偏态分布的特点,在后半夜发生率更高,而地磁活动增强对中纬槽的发生具有明显的促进作用.对于槽极小纬度,其在四个经度带的分布差异不大,但月变化各不相同,其中-120°经度带呈单峰分布,在夏季槽极小纬度更高,而0°经度带夏季槽极小纬度更低.槽极小的位置显著依赖于地磁活动、地方时以及季节变化.一般说来,地磁活动越强,中纬槽纬度越低.中纬槽位置随地方时的变化有明显的季节差异,冬季昏侧槽极小纬度随地方时变化较快,弱地磁活动条件下22∶00 LT前即达到最低纬度,其后位置几乎保持不变,而两分季槽极小纬度从昏侧至午夜都在降低,夏季槽极小纬度从昏侧连续下降至03∶00 LT左右.     

基于IGS台网观测的2001—2008年赤道电离异常的强度和半球不对称特征

赤道电离异常（Equatorial Ionization Anomaly,EIA）是低纬电离层中的一个重要现象.本文基于IGS台网提供的2001—2008年期间的电离层总电子含量（Total Electron Content,TEC）数据,分析了120°E区的EIA强度和磁南北半球不对称性在磁平静时期的变化特征,包括对地方时、季节和太阳活动的依赖.本文结果表明,（1） EIA强度表现出显著的随地方时和季节的变化特征.EIA强度在0200LT和2000LT附近分别出现一个极值,且2000LT附近的EIA强度更大;EIA强度通常在春/秋季较大,在夏/冬季较小,且冬季要大于夏季.（2） EIA南北半球不对称也表现出随地方时和季节变化特征.EIA半球不对称在0200LT和2000-2200LT附近分别出现一个极值;EIA半球不对称的季节变化特征还依赖于太阳活动,太阳活动高年期间,EIA半球不对称通常在春/秋季更显著;太阳活动低年期间,EIA半球不对称通常在冬季更显著.（3） EIA强度和半球不对称性的逐日变化和月变化表现出对太阳活动存在一定的依赖,但依赖性并不显著.2000LT （0200LT）附近的EIA强度的月变化与太阳活动整体呈正（负）相关,而2200LT （0200LT）附近的EIA半球不对称的月变化与太阳活动整体呈负（负）相关.（4）影响EIA强度变化的主要因素可归于纬圈电场和中性风场;影响EIA半球不对称变化的主要因素可归因为子午中性风场.     

汶川8.0级地震前地磁低点位移与内外源S_q等效电流体系关系的研究

本文利用球谐分析方法构建内外源Sq等效电流体系反演模型,对2008年汶川8.0级地震前的4月24日及5月9日两次地磁低点位移日前后共10日的内外源Sq等效电流体系进行逐日反演,并结合Dst磁暴指数分析研究地磁低点位移和电流体系之间的关系。研究发现:低点位移发生当日内外源等效电流体系南北半球电流涡中心强度都有减小的趋势,且内源场减小的幅度更大。低点位移发生日内源等效电流体系电流涡中心可能会发生纬向偏移现象。     

利用COSMIC掩星探测分析120°E经线附近电离层E层闪烁指数变化

利用气象、电离层和气候卫.星联合观测系统COSMIC掩星2007-2013年探测资料,分析了120°E经线附近电离层E层区域(70~140km)闪烁指数的季节、地方时和空间变化.结果表明强电离层闪烁主要集中在磁纬度±30°内,夏季达到最大,冬季其次,春季最小.闪烁峰值大小与太阳辐射有关,但北半球夏冬季闪烁峰值大于南半球观测结果,秋半球闪烁峰值大于春半球观测结果.地磁高纬地区较强闪烁现象出现在地方时傍晚之后,午夜前后达到最大值.地磁中纬和低纬区域日出后即出现较为明显的闪烁现象,一直持续至夜间甚至凌晨,分别约在中午和傍晚前达到最大值.磁赤道区闪烁现象通常始于地方时日出后,最大值发生在傍晚1800LT左右.电离层E区的闪烁峰值大都集中110km高度,但高纬地区的峰值高度略有降低.此外,太阳和地磁活动的增强一定程度上会抑制E层闪烁现象.相关研究结果有利于分析E层不规则结构及物理形成机制,同时为电离层区域闪烁模型的建立提供有用的信息.     

中国东部地区地磁台站链Sqsub>(H)的季节变化

本文利用中国东部沿120E经度线附近纬度均匀分布的十个地磁台站地磁静日变化水平分量的资料和主分量分析法,给出了详尽的Sq(H)季节变化随纬度分布的剖面及Sq电离层等效电流体系视焦点纬度.分析表明,Sq(H)中2的变化,主要由于电离层中等效电流体系对称轴偏离地磁轴引起的.      

北京地区电离层COSMIC掩星与垂测仪探测临界频率数据对比

使用COSMIC掩星和垂测仪,探测2011—2012年北京地区电离层临界频率数据,比较不同探测手段获取的电离层特征参量随地方时和地磁季节相关性的变化。研究表明:2组数据具有较好的相关性;标准偏差随地方时变化,日出时6:00 LT开始增大,日落时16:00LT到次高值,19:00LT达最大值后开始下降;标准偏差随地磁季节变化,夏季最小,冬季最大。分析认为,电子密度在垂直和水平方向上的梯度变化,造成掩星反演误差增大,可能导致了数据相关性在不同地磁季节和地方时刻的相应变化。     

Sq电流体系的反演与地磁日变模型的建立

地磁场的标量位满足拉普拉斯方程.在球坐标系中,拉普拉斯方程的解可以写成球谐级数的形式.借助球谐分析的方法,地磁场可以被分为起源于地球内部的内源场和起源于地球外部的外源场.本文的内容主要包括:(1)阐述了利用球谐分析来反演Sq电流体系的方法.反演了1997年各月的Sq空间等效电流体系,并重点分析了南北半球Sq空间等效电流体系的位形和强度随季节的变化情况.(2)基于1997年的地磁观测数据建立各月静日期间中国地区地磁日变随纬度和AE指数变化的模型.将模型的计算结果与地磁台站的观测数据进行了对比分析.     

Time variation of global geomagnetic Sq field in 1964 and 1980

Equivalent current systems of the geomagnetic solar quiet daily variation field (Sq) were estimated from the geomagnetic hourly values of the worldwide-distributed observatories at each UT on every day in 1964 and 1980. Seasonal and UT variations of the external current vortex were obtained by averaging through each month and UT. The well-known feature that the vortex centre in the winter hemisphere is situated on the afternoon side of that in the summer hemisphere was re-confirmed for both years. As for the solar activity dependence, the intensity in 1980 (solar maximum) was about twice as large as that in 1964 (solar minimum).Next, the day-to-day variation of the vortex was examined using the obtained current systems. The effects of the UT variation were removed by subtracting the averaged value of each UT for the geomagnetically quiet days of the month. In March 1980, it was found that the intensity varies with a period of about 10–15 days and the phase is advanced to earlier UT or to the east side of the globe. The intensities in the two hemispheres vary out-of-phase with each other.     

地磁场Sq的经度效应和UT变化

使用国际地球物理年（ＩＧＹ）和国际地球物理合作年（ＩＧＣ）期间全球地磁台网的资料和中国台站的同期地磁记录，对地磁场太阳日变化Ｓ_ｑ的经度效应和ＵＴ变化进行了分析研究．将适用于瞬时全球磁场的球谐分析法与适用于平均场的双调和分析法相结合，提出了一种分析Ｓ_ｑ磁场的新方案，得到了（θ，Ｔ，ｔ）坐标系中组成Ｓ_ｑ场的三个部分，即仅随地方时ＬＴ变化的部分Ｓ_ＬＴ，仅随世界时ＵＴ变化的部分Ｓ_ＵＴ以及既随ＬＴ变化又随ＵＴ变化的部分Ｓ_ＬＵＴ．从全球来看，在ＩＧＹ／ＩＧＣ期间，这三部分的强度之比分别为：Ｘ分量１．０：０．２：０．３，ｙ分量１．０：０．１：０．６，Ｚ分量１．０：０．４：１．０．Ｓ_ｑ的经度效应和ＵＴ变化虽然表现了同一物理过程，但它们有不同的表达形式，其决定因素是地磁轴对地理轴的倾斜，地磁场的非偶极子成分（即区域性异常）和地球内部电性的横向不均匀性（包括海陆分布、地壳上地幔电导率的区域差异）     

Sq发电机电流的UT变异性及其地面磁场的重建

本文用不同经度的7对中低纬台站水平磁场分量H,求得1965年随世界时（UT）变化的S_q指数（一种描述S_q电离层发电机电流强度的地磁指数）.结果表明,S_q发电机电流不仅有显著的逐日变化,而且有很大的UT变化.UT变化主要表现在电流总强度的强弱和电流涡焦点纬度移动两方面,这意味着决定发电机过程的太阳潮汐风场和电离层电导率随UT而变.用求得的S_q指数重新构造出的S_q变化与观测值符合得较好,它不仅显示出S_q幅度逐日变化的特点,而且还能复现出S_q形态的某些逐日变异性.     

Sq电流系午前午后不对称性现象的来源

太阳静日变化Sq是地球变化磁场的基本组成部分,Sq的特征反映电离层的电性质和高层大气的潮汐特性.研究Sq的变化特性,能够加深对电离层\|热层耦合的认识.准确分离出Sq,为计算地磁指数（如Dst、Kp和AE等）以及空间天气的准确预报提供必要信息.本文利用地磁观测数据,重点分析了北半球Sq形态及其午前午后不对称现象、Sq日变幅的变化特征、不同纬度地区日变幅与太阳天顶角的相关性的差异.研究表明低纬电流系和高纬电流系是引起Sq形态变化的重要来源,也是各种不对称性的主要起因.     

Sq外源和内源电流体系的经度效应和UT变化

根据ＩＧＹ／ＩＧＣ期间全球地磁台网以及中国地磁台站的资料，计算出每－ＵＴ小时的Ｓ_ｑ外源和内源电流体系．对Ｓ_ｑ电流体系ＵＴ变化和经度效应的分析研究表明，Ｓ_ｑ外源电流体系的空间图案没有显著的ＵＴ变化，电流涡焦点的地理纬度与磁赤道有密切关系，其变化范围，北半球为２５°－３５°Ｎ，南半球为３０°－４２．５°Ｓ．外源电流总强度的平均值为２２９ｋＡ（北半球）和１７３ｋＡ（南半球），其变化范围为±５０ｋＡ（北半球）和±４０ｋＡ（南半球）．Ｓ_ｑ内源电流体系的图案和强度有显著的ＵＴ变化，电流体系焦点纬度有类似于外源电流系的变化．在大西洋、印度洋、北太平洋地区，内源电流体系的总强度明显小于大陆地区的内源电流强度，表明这些大洋地区上地幔电导率低于大陆地区．     

中国地区地磁垂直分量日变幅的空间分布及高空电流体系焦点位置的移动

本文利用我国部分台站地磁垂直分量日变幅的资料,采用局部地区日变场的分析方法,研究了地磁垂直分量日变幅在中国地区的空间分布特征.结果表明,在局部地区地磁日变场的研究中,考虑经度影响是必要的,本文所用方法是适宜的;结果还表明,垂直分量日变幅的空间分布呈现出明显的季节变化、逐月变化及逐日变化性.若粗略地把磁静日垂直分量日变幅极大值所处的纬度视为 Sq 高空电流体系的焦点所对应的纬度,则此焦点纬度夏季最高,冬季最低,春秋季居中,并显出明显的逐月及逐日变化性,在相邻的两个静日,焦点纬度的变化可达几度.      

Geomagnetic signatures of sudden ionospheric disturbances during extreme solar radiation events

We performed a comparative study of geomagnetic variations, which are associated with sudden ionospheric disturbances (SIDs) caused by great X-class solar flares on July 14, 2000 (Bastille flare) and on October 28, 2003 (Halloween flare). Intense fluxes of solar X-rays and EUV radiation as well as solar energetic particles (SEP) were considered as sources of abundant ionization of the ionosphere and upper atmosphere. Flare-initiated SIDs are revealed as transient geomagnetic variations, which are generated by enhanced electric currents flowing mainly in the bottom-side ionosphere. Those so-called solar flare effects (SFEs) were studied by using of geomagnetic data from INTERMAGNET worldwide network of ground-based magnetometers. In subsolar region the SFE is mainly controlled by the flare X-rays and/or EUV radiation. We found that in the Halloween flare the contribution of X-rays was comparable with the EUV, but in the Bastille flare the EUV flux was dominant. The ionization at high latitudes is generated by the SEP, which energy flux is comparable and even exceeds the solar electromagnetic radiation in that region. It was shown that in the Halloween event the pattern of SFE is formed by a two-vortex current system, which is similar to the quiet day Sq current system. However, during the Bastille flare, the pattern of induced currents is quite different: the northern vortex shifts westward and southern vortex shifts eastward such that the electroject is substantially tilted relative to the geomagnetic equator. From numerical estimations we found that at middle latitudes the SEP-initiated geomagnetic effect becomes comparable with the effects of solar electromagnetic radiation. It was also shown that the SEP contribute to the SFE in the nightside hemisphere. The revealed features of the SEP impact to the ionosphere were found in a good agreement with the theory of energetic particle penetration to the bottom-side magnetosphere.