NO冷却率在连续磁暴中对热层密度的影响

基于CHAMP卫星加速度计数据,对2002年4月和2004年11月两个连续磁暴事件期间400 km高度热层大气密度时空变化特征进行了分析,结果表明,地磁扰动相近的连续磁暴发生时,热层密度对第一个磁暴的响应幅度明显大于后续磁暴;磁暴间歇期有时会出现密度低值;磁暴恢复相,热层密度先于ap指数快速恢复至暴前水平,甚至更低;热层大气经验模式NRLMSISE00的预测结果中没有包含这些现象.利用TIMED卫星SABER辐射计数据进一步分析同时段100~155 km高度NO冷却率的变化特点,NO冷却率在暴时的增大滞后热层密度2~6 h;磁暴恢复相,NO冷却率保持在较高水平,弛豫时间远大于热层密度.暴时增强的NO冷却率及其缓慢的恢复是导致热层密度响应幅度变小的原因,间歇期是否出现热层密度异常低值也与NO冷却率的增幅有关.     

大气阻力引起卫星轨道衰减的数值模拟

本文以德国低轨道卫星CHAMP为例,联合考虑地球扁率和大气阻力摄动的影响,对相应摄动方程进行数值积分,计算轨道根数变化,并进而计算得到卫星空间位置,由此模拟考察大气阻力引起的轨道高度衰减.模拟中使用综合考虑了太阳辐射和磁暴等多种因素影响的最新国际大气标准JB2008模式来计算热层大气密度. 选取CHAMP卫星轨道高度自然衰减（无点火提升卫星高度操作）的2005全年进行模拟;为了考察不同年份阻力系数的可能变化,对2002年1—3月处在较大高度的轨道也进行了模拟.考虑到CHAMP卫星的特殊几何构形及飞行高度的热层温度条件,取阻力系数大于2.8,并在一定范围内变化,以求得模拟与实际轨道衰减符合较好.结果表明,对于2005年,阻力系数为2.91时模拟得到的轨道高度的衰减与实际轨道衰减符合得最好,模拟与实际轨道半长轴全年的标准偏差为81m;在卫星高度稍高的2002年,模拟的最佳阻力系数为3.0;模拟所得最佳阻力系数值比传统使用的值2.2大30%以上.由于在模拟中忽略了高阶保守力分量,所得近/远地点高度没有出现实际轨道所显示的周期性起伏.     

磁暴期间热层中性大气受热抬升的观测例证

采用AE-D卫星上中性大气数密度的观测资料,分析了1975年11月内多次磁暴期间热层大气中氦和原子氧与氮分子之数密度比值的变化.结果表明,磁暴对中性大气加热的理论是符合实际情况的.低热层大气受热抬升使较高高度上的大气中质量较轻成分的数密度相对比例有明显下降,而较重成分的百分比则有增加.与地磁宁静期间相比,在140-10km高度上n(He)/n(N₂)之比值降低了一个数量级,而n(Ar)/n(N₂)的增幅则略大于一个数量级.此比值的变化幅度大小随高度而变,但各高度上暴时变化的发展趋势是基本一致的.     

2003年11月超强磁暴热层大气密度扰动及其与焦耳加热和环电流指数的关系——CHAMP卫星观测

本文利用CHAMP卫星加速度仪测量数据,计算和分析2003年11月20～21日大磁暴期间大气质量密度扰动的全球分布特征;研究暴时变化与极区大尺度对流引起的全球焦耳加热总功率及环电流指数SYM-H之间的关系.结果表明,磁暴期间400 km高度上热层大气质量密度大幅度上升, NRLMSISE-00模式预测值与此相比有很大差别;暴时大气密度的增大存在昼/夜半球不对称性：白天强于夜晚,且白天随纬度的分布呈现出比较复杂的图像,在赤道附近和南半球中低纬区（10°N ～50°S）大气密度增大较强,并呈双峰分布,两个峰分别位于0°和45°S,另外在极区也出现大气密度扰动的局部极大,而在夜晚,大气密度变化南北半球比较对称,在赤道低纬区大气密度增大较强;互相关分析表明,中低纬区大气密度变化滞后于全球焦耳加热总功率3～7 h,滞后于环电流指数（SYM-H）0～3 h,与二者存在很强的相关,表明极区焦耳加热和赤道环电流过程对暴时热层大气密度扰动有重要影响.     

热层大气密度反演与建模研究进展

热层是位于地球表面大约90 km到近1 000 km的大气圈层,它与电离层和低层大气都存在着复杂的耦合关系;同时热层作为人类航天器空间活动的主要区域,其大气直接影响着各类低轨航天器的运行轨迹.近年来,热层大气观测资料的逐步增加推动了热层大气变化特性的研究和大气模式的发展.本文首先综述了基于多源卫星观测数据的热层大气密度反演算法.着重介绍了基于精密轨道数据以及加速度计数据反演密度的主要算法,以及各种反演策略的优缺点.总结了当前工程常用的MSIS、Jacchia以及DTM热层大气模式在数据源、算法实现过程及其适用范围等方面的异同.接着介绍了基于当前最新大气密度观测数据结合已有大气模式,应用多项式、稀疏矩阵拟合以及数据同化等技术的大气模式优化研究进展.最后概述了基于观测数据研究热层大气响应磁暴、耀斑以及日食等空间事件方面的科学进展.     

APOD卫星大气密度数据处理与标校

APOD卫星是我国首颗以热层大气密度探测与精密定轨为科学目标的微纳卫星,搭载大气密度探测器、双频GNSS接收机等载荷,于2015年9月20日发射入轨,2015年10月27日进入轨道高度460 km、轨道倾角97.4°、降交点地方时6:20的工作轨道,各项载荷随即展开例行观测.本文给出了APOD卫星大气密度探测器的基本原理和数据处理流程,采用基于双行根数（TLE）反演获取的密度数据,对2015年12月至2016年12月的就位探测数据进行了标校,并与经验密度模式进行了比较.结果表明,反演密度与APOD卫星就位探测数据的线性相关性达到0.943,采用线性拟合与二次函数拟合的残差水平基本相当.两种不同方法标校密度相对于NRLMSIS00模式日均值误差的均值和标准偏差为10.1%、18.2%和5.1%、17.1%,二次函数标校略优于线性标校;相对于JB2008模式日均值误差的均值和标准偏差为0.6%、14.9%和3.9%、16.9%,线性标校略优于二次函数标校.总体而言,APOD卫星大气密度就位探测数据与常用经验模式精度基本一致,可为开展大气密度变化规律及应用研究提供数据基础.

     

磁暴期间热层大气密度变化

基于CHAMP卫星资料,分析了2002—2008年267个磁暴期间400 km高度大气密度变化对季节、地方时与区域的依赖以及时延的统计学特征,得到暴时大气密度变化的一些新特点,主要结论如下: 1)两半球大气密度绝对变化(δρa)结果在不同强度磁暴、不同地方时不同.受较强的焦耳加热和背景中性风共同作用,在北半球夏季,中等磁暴过程中夜侧和大磁暴中,夏半球的δρa强于冬半球;由于夏季半球盛行风环流造成的扰动传播速度快,北半球夏季日侧30°附近大气,北(夏)半球到达峰值的时间早于南(冬)半球.而可能受半球不对称背景磁场强度所导致的热层能量输送率影响,北半球夏季强磁暴和中磁暴个例的日侧,南半球δρa强于北半球;春秋季个例中日侧30°附近大气,北半球先于南半球1~2 h达到峰值. 2)受叠加在背景环流上的暴时经向环流影响,春秋季暴时赤道大气密度达到峰值的时间最短,日/夜侧大气分别在Dstmin后1 h和2 h达到峰值.至点附近夜侧赤道大气达到峰值时间一致,为Dstmin后3 h;不同季节日侧结果不同,在北半球冬季时赤道地区经过更长的时间达到峰值. 3)日侧赤道峰值时间距离高纬度峰值时间不受季节影响,为3 h左右.在春秋季和北半球冬季夜侧,赤道大气密度先于高纬度达到峰值,且不同纬度大气密度的峰值几乎无差别,表明此时低纬度存在其他加热源起着重要作用.     

基于经验正交分析法的暴时热层大气密度时空分布规律

本文选取2002—2006年期间的36个强磁暴为研究对象,对CHAMP卫星加速度仪反演的实测大气密度进行经验正交分解,研究暴时热层大气密度的纬度分布特征,以及大气密度与ap指数、Dst指数的关系.结果表明,大气密度的纬度分布与季节相关,夏季半球的密度大于冬季半球,春秋季节南北半球的大气密度几乎对称分布;春秋季节白天大气密度在低纬地区呈现出赤道密度异常结构,在中高纬地区密度随纬度增加而减小,夜间则呈现抛物线的形状,赤道附近密度值最小.大气密度的纬度分布特征在若干天内具有良好的稳定性,发生时间相近的磁暴事件,纬度分布曲线非常相似,并且暴前与暴时的纬度分布变化不大.相关性分析表明,大气密度滞后ap指数2~6 h,相对Dst指数平均提前0~1 h,对磁暴的响应速度在日照区比在阴影区快,大气密度与ap指数、Dst指数具有较好的相关性.     

大磁暴期间TIEGCM模式和CHAMP卫星热层大气密度扰动特性的统计研究

本文统计分析了2001—2005年的39次大磁暴事件(Dst-100nT)期间TIEGCM模式和CHAMP卫星大气密度数据.研究结果表明,模式结果与实测数据具有较好的一致性,但仍存在一定的偏差.大气密度及增量与SYM-H指数相关性较好,并且随纬度、光照条件和地磁活动水平变化.模式低估了磁暴期间大气密度的增幅,特别是在地磁活动水平较强时模式与实测的偏差较大.模式的偏差在高纬地区高于低纬地区,日侧高于夜侧.Dst指数越低,偏差越大,而当Dst指数低于-150nT以后,绝对偏差和相对偏差变化不明显.     

基于经验模式给定热层温度对热层大气密度反演影响的评估

利用加速度计数据反演热层大气密度算法一般需由经验模式给定热层大气温度,进而计算大气阻尼系数C_D.本文基于CHAMP卫星加速度计数据反演得到大气密度,以2008年为例,利用反演得到的热层大气密度循环迭代修正大气阻尼系数C_D,通过对比修正前后密度偏差,评估经验模式给定热层温度对热层大气密度反演造成的影响.结果表明,经验模式热层温度计算偏差对大气密度反演造成的影响小于5%,而且考虑大气成分的改变则进一步降低了这种影响.

     

Analysis of the positive ionospheric response to a moderate geomagnetic storm using a global numerical model

Current theories of F-layer storms are discussed using numerical simulations with the Upper Atmosphere Model, a global self-consistent, time dependent numerical model of the thermosphere-ionosphere-plasmasphere-magnetosphere system including electrodynamical coupling effects. A case study of a moderate geomagnetic storm at low solar activity during the northern winter solstice exemplifies the complex storm phenomena. The study focuses on positive ionospheric storm effects in relation to thermospheric disturbances in general and thermospheric composition changes in particular. It investigates the dynamical effects of both neutral meridional winds and electric fields caused by the disturbance dynamo effect. The penetration of short-time electric fields of magnetospheric origin during storm intensification phases is shown for the first time in this model study. Comparisons of the calculated thermospheric composition changes with satellite observations of AE-C and ESRO-4 during storm time show a good agreement. The empirical MSISE90 model, however, is less consistent with the simulations. It does not show the equatorward propagation of the disturbances and predicts that they have a gentler latitudinal gradient. Both theoretical and experimental data reveal that although the ratio of [O]/[N₂] at high latitudes decreases significantly during the magnetic storm compared with the quiet time level, at mid to low latitudes it does not increase (at fixed altitudes) above the quiet reference level. Meanwhile, the ionospheric storm is positive there. We conclude that the positive phase of the ionospheric storm is mainly due to uplifting of ionospheric F2-region plasma at mid latitudes and its equatorward movement at low latitudes along geomagnetic field lines caused by large-scale neutral wind circulation and the passage of travelling atmospheric disturbances (TADs). The calculated zonal electric field disturbances also help to create the positive ionospheric disturbances both at middle and low latitudes. Minor contributions arise from the general density enhancement of all constituents during geomagnetic storms, which favours ion production processes above ion losses at fixed height under day-light conditions.     

不同起源地磁扰动期间极光沉降能量的统计研究

尽管对极光沉降能量(HP)的研究已经开展很久,但是关于不同行星际扰动源对HP影响的研究仍然很少.本文基于2001—2008年NOAA极轨卫星数据,对三类不同扰动源,即盔状冕流共转相互作用区(CIRs)、伪冕流CIRs和行星际日冕物质抛射(ICMEs)驱动的中等磁暴期间HP的变化进行时序叠加统计分析,讨论了相关太阳风背景参数、地磁活动强度以及耦合函数的有效性;研究了三类磁暴事件期间HP的南北半球不对称性.结果表明,在磁暴之前盔状冕流CIR磁暴的HP明显低于伪冕流CIR磁暴和ICME磁暴,盔状冕流"磁暴前的平静期"与Newell耦合函数关系密切,而与Russell-McPherron效应关系较小.盔状冕流CIR磁暴主相HP高于伪冕流CIR磁暴和ICME磁暴,可能与盔状冕流相应行星际|Bz|和太阳风数密度均较高有关.此外,在Kp≤4时,冬夏季半球HP的差别随着Kp增加而增加,相应的变化规律符合电导率反馈机制的预测;在Kp>4时,盔状冕流磁暴和ICME磁暴冬季半球的HP大于夏季半球的,伪冕流磁暴事件夏季半球的HP大于冬季半球的或与冬季半球的相近.     

Variations of Geomagnetic Cosmic Ray Thresholds and Their Latitudinal Behavior in the Period of Solar Disturbance in September 2005

The period of interplanetary, geomagnetic and solar disturbances of September 7–15, 2005, is characterized by two sharp increases of solar wind velocity to 1000 km/s and great Dst variation of the geomagnetic field (~140 nT). The time variations of theoretical and experimental geomagnetic thresholds observed during this strong geomagnetic storm, their connection with solar wind parameters and the Dst index, and the features of latitudinal behavior of geomagnetic thresholds at particular times of the storm were studied. The theoretical geomagnetic thresholds were calculated with cosmic ray particle tracing in the magnetic field of the disturbed magnetosphere described by Ts01 model. The experimental geomagnetic thresholds were specified by spectrographic global survey according to the data of cosmic ray registration by the global station network.     

不同卫星轨道高度对地壳磁场反演的影响研究

利用最新的波茨坦地磁场球谐模型(Potsdam Magnetic Model of the Earth,POMME)进行仿真实验,分别模拟出不同卫星轨道高度下的磁测数据.根据仿真的观测数据反演地壳磁场的高斯球谐系数,对反演结果进行对比和分析,总结出卫星轨道高度对反演结果的影响.针对CHAMP卫星实测数据进行地壳磁场反演...     

2004年11月7-8日巨磁暴期间场向电流的分布特征

利用CHAMP卫星磁场数据分析研究了2004年11月7日至8日巨磁暴(Dst<-200 nT)期间大尺度场向电流的分布特征.把方向相同且时间连续的一段场向电流定义为一个电流片,分析结果表明,伴随磁暴的发展,在卫星飞过的两个扇区(早上扇区0200-0400MLT及下午扇区1400-1600MLT)中的大尺度场向电流分布呈现不同的纬向分布特征:随着地磁扰动的增强,早上扇区电流片分布范围向高纬扩展;而下午扇区电流片分布范围则显著地向低纬扩展.与地磁活动SYM-H和AE指数对比分析得出,早上扇区的大尺度电流片的分布特征更多地受到亚暴活动的影响,而下午扇区的电流片分布则明显反映出磁暴环电流活动的特征.     

2004年11月7-8日巨磁暴期间场向电流的分布特征

利用CHAMP卫星磁场数据分析研究了2004年11月7日至8日巨磁暴(DstH和AE指数对比分析得出,早上扇区的大尺度电流片的分布特征更多地受到亚暴活动的影响,而下午扇区的电流片分布则明显反映出磁暴环电流活动的特征.     

不同地磁扰动事件期间全球电离层的扰动形态分析

利用全球电离层台站提供的观测数据，分析 了5次不 同类型磁暴事件期间全球电离层F2层f0F2和hmF2的扰动变化. 主要结果 表明：对于延迟型主相磁暴S（C）和S（E），中高纬电离层首先会出现明显的正相扰动，随 后是明显延迟的负相扰动，负相扰动覆盖范围广，甚至扩展到低纬区, 且持续时间很长, 恢 复及其缓慢，其中S（C）型的扰动更为明显; 对于非延迟型主相磁暴S（A）、S（B）和 S（D ），高纬电离层正相扰动持续时间较短甚至不出现，中高纬电离层负相扰动的出现、发展和 恢复也相对较快; 磁暴主相强度的大小会对电离层负相扰动的强度、发展和持续时间产生一 定的影响; 高纬电离层扰动在非延迟型主相磁暴恢复相期间会出现明显的地方时效应，地方 时效应随纬度的降低而增强，并且会明显影响到中低纬电离层的扰动；电离层扰动从高纬到 低纬的变化趋势为：f0F2的扰动由负相向正相转化，hmF2的增加由全天出现趋向于只存在于夜间，反映了不同扰动物理机制的作用.