极区电离层与磁层-电离层耦合

本文利用欧洲空间局设在北极区的非相干散射雷达系统EISCAT的观测资料讨论磁层-电离层耦合。磁静日和磁暴期间的观测样本比较表明,磁层基本过程对极区电离层有重要影响。这不仅说明极区电离层可看作这些过程的“全景屏幕”,也表明在南、北极区(特别是磁共轭点)进行同时观测的重要意义。文中还对进一步的南极研究课题提出了一些建议。     

对流电场产生电离层扰动的典型事例

用欧空局ＥＩＳＣＡＴ极光区非相干散射雷达观测资料，南极中山站电离层垂测站和我国１３０°Ｅ电离层链ｆ０Ｆ２资料，分析了１９９１年５月２－３日一次主要由磁层对流引起的电离层扰动过程。从形态特征上看，它与热层中性大气参与动力耦合过程明显地不同。对照比较表明，这是一次典型的磁层－电离层电动耦合事例。     

极区顶部电离层离子上行-DMSP卫星观测

本文利用DMSP卫星离子漂移速度测量数据,对高纬顶部电离层离子整体上行进行研究,主要考察平静时和磁暴期间离子上行强度与发生率随MLT(晨昏两侧)分布规律的变化;以及磁暴期间强的离子上行与等离子体对流及其剪切之间的关系。研究发现,磁暴期间强上行事件的发生率比平静期高近2倍,发生率的晨昏不对称性出现逆转,由平静时昏侧发生率较大变为磁暴期间晨侧发生率较大;磁暴期间晨侧离子上行速度的分布向速度高端加权,平均速度大于昏侧,最大上行速度远大于昏侧;强的离子上行往往与强对流剪切或强对流本身相伴随。     

浅谈极区空间物理学的科学革命

极区空间物理学重要的研究方向之一是剖析南北两极的热层、电离层和磁层的耦合问题。本文简明扼要地描述了极区空间物理学的一场革命——即理论框架的革新。这场科学革命是用磁流体力学理论取代电机工程理论,目前进行得比较缓慢,但将在今后的30～50年彻底改变人们对于热层-电离层-磁层的认知。     

极区极夜期间E层占优电离层的分布特征

E层占优电离层是指E层的峰值电子密度大于F层的峰值电子密度（N_mE>N_mF）时的电离层,记为ELDI（E-Layer Dominated Ionosphere）。针对ELDI,利用2007-2010年的COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate satellite)掩星数据,在修正地磁纬度-磁地方时标系下统计分析了它在南北极区极夜期间（南北半球的冬至日前后30天）的分布特征,结果表明极夜期间电离层ELDI特征明显,其分布与极光椭圆位形基本一致,而且其在夜侧的发生率较高,特别是磁子夜之后,北极为70%左右,而南极为90%左右;另外南极的ELDI特征在磁纬度分布上要略宽于北极的分布范围。在ELDI高发区,电离层峰值电子密度要高于其两侧地区,特别是在夜侧,尤其是磁子夜前的峰值电子密度要接近甚至大于磁正午的峰值电子密度,在南极地区格外明显;而且ELDI高发区内的E层的电子含量（TECE）、电离层总电子含量（TECI）及TECE占TECI的比重（TECEI）都高于其两侧地区,北极TECE和TECI大于南极,而TECEI则是南极大于北极。这些现象主要是由于极夜期间极区高能粒子沉降引起底部电离层电离率增大所致;同时,由于地磁轴偏离地理轴的程度在南极要大于北极,使得极夜期间南极地区的电离层的电子密度,特别是在F层要相应地小于北极地区,从而导致了极夜期间南北半球极区电离层ELDI特征之间差异。     

极区电离层NmF2观测与国际参考电离层对比研究

利用南北极极隙区与极光带纬度3个台站对电离层F₂层峰值电子密度(N_mF₂)长达1个太阳活动周的观测数据,对国际参考电离层IRI-2016模型在极区的适用性进行系统的定量研究。结果表明,在极光带纬度的北极Troms?站,IRI预测与观测符合最好,大部分季节相对误差在40%以内,在太阳活动高年略好于太阳活动低年。在极隙区纬度的南极中山站和Longyearbyen站,IRI预测精度在太阳活动低年高于太阳活动高年。在中山站和北极Longyearbyen站仅个别月份相对误差在20%以内,大部分月份相对误差超过40%,冬季相对误差接近100%,特别是Longyearbyen站,在太阳活动高年冬季相对误差超过100%。从季节上看,3个台站都是冬季符合最差,夏季符合最好。IRI-2016模型对极区电离层进行预测时,难以如实反映极区等离子体对流和能量粒子沉降等极区特有的物理过程对极区电离层N_mF₂的影响。     

对流电场产生电离层扰动的典型事例

用欧空局ＥＩＳＣＡＴ极光区非相干散射雷达观测资料、南极中山站电离层垂测站和我国１２０°Ｅ电离层站链ｆ０Ｆ２资料，分析了１９９１年５月２～３日一次主要由磁层对流引起的电离层扰动过程。从形态特征上看，它与热层中性大气参与的动力耦合过程明显地不同。对照比较表明，这是一次典型的磁层－电离层电动耦合事例。全球地磁站网资料从另一侧面证实，本文讨论的耦合机制是正确的。     

极区电离层F区加热激发极低频波研究

"极区电急流天线"辐射依赖于低电离层D/E区背景电急流,而高电离层F区极低频调制加热,可产生抗磁性电流,形成极低频波辐射源。利用电离层F区一维时变加热数值模型,采用全波解算法研究高纬Troms(69.59°N,19.23°E)地区电离层F区极低频调制加热。模拟结果表明,极区高电离层激发的极低频波与极区低电离层激发的结果不同。加热泵波的有效辐射功率(effective radiated power,ERP)、调制频率及电离层背景对极低频波强度有着重要影响。     

太阳活动低年南北极电离层F2层观测与国际参考电离层对比研究

利用2006-2007年EISCAT Svalbard雷达(ESR)和南极中山站DPS-4测高仪的观测数据,对太阳活动低年不同季节的极区电离层F2层临界频率(f0F2)和峰值高度(hmF2)进行统计分析,研究其日变化特征,并与国际参考电离层IRI-2007模式比较.结果表明,在太阳活动低年,夏季两站的观测结果与IRI预...     

极光区高空物理过程与磁层-电离层耦合

极区高空物理现象之观测具有悠久历史。对极区地磁、电离层和极光现象的深入考察将地球物理的研究领域扩展到了外层空间,并提出了太阳风－磁层－电离层－热层间耦合这一重要课题。耦合物理机制的证实不仅是火箭、卫星探测的重要贡献,而且也是基于对地面雷达和遍及全球大陆的地磁台站、电离层垂测站之长期观测成果。对流电场、一区和二区场向电流、电离层扰动电流系（包括极光区电集流）,以及电导率的分布和变化乃是一有机整体,对其每一环节的深入认识均与对整体的全面了解密不可分。有关的理论和模式研究则有助于人们深入理解各个耦合过程的相互关系,以及其各发展阶段中不同物理过程的相对重要性。     

基于South Pole站和McMurdo站的极区电离层闪烁统计特性

利用South Pole和Mc Murdo两站2013年12月至2014年11月期间的电离层相位闪烁数据,统计分析了两站电离层相位闪烁发生率的周日分布和季节分布。统计结果表明,两站的相位闪烁发生率在季节分布上,春秋季明显大于夏冬季;在周日分布上呈双峰结构。在磁中午附近和磁子夜后有较大的闪烁发生率。磁中午附近是因为极隙区的软电子沉降和电离层对流导致的电离层不均匀性,造成较强的无线电波闪烁;磁子夜附近闪烁增强可能是穿越极盖区的等离子体云破碎造成较大密度梯度导致。总体上说,Mc Murdo站的闪烁发生率高于South Pole站,这可能是因为它们所处的磁纬不同所致。     

极区电离层TEC监测和发布系统

极区是研究各种高空大气物理现象和日地关系的理想场所,通过GPS获取的电离层TEC信息具有高精度、全天候、大范围等优势,所以利用GPS研究极区电离层有重要意义。本文所设计的极区电离层信息监测和发布系统,包含数据回传、数据处理、数据发布三个部分。数据回传包括卫星网络回传和格式转换。数据处理是利用每天回传的GPS双频数据,解算单站VTEC,解决了硬件延迟的求解问题,并用二次建模获得测站上空的VTEC,计算结果表明该方法能较好地给出电离层TEC的大小及变化规律。数据发布是通过中国极地科学考察管理信息系统提供实时的查询服务。     

南极中山站极区空间环境观测系统

中国南极中山站位于极隙区纬度,可以观测到丰富的日地能量传输过程的电离层征兆和极光现象,非常适合开展极区空间环境观测研究。自1989年开始建设以来,中山站极区空间环境观测系统经历了观测设备的不断完善和发展,现已建立了涵盖地面极光、电离层和地磁观测多要素、多手段的自主观测体系,实现了极区空间环境的连续监测并建立了数据库。所有观测设备的运行状态可实时监控,地磁、宇宙噪声吸收等数据实现了准实时远程传输。最后展望中国极区空间环境观测研究的发展前景。     

极区ELDI随太阳活动的变化特征—— EISCAT/ESR雷达观测

利用1999—2011年EISCAT(EISCAT Tromsø UHF)和ESR(EISCAT Svalbard Radar)雷达的场向电子密度观测数据, 对比分析了两处雷达观测到的极区E层占优电离层ELDI (E-Layer Dominated Ionosphere)事件在太阳活动高、低年的统计特征。地面雷达观测表明, 太阳活动水平对极区ELDI发生率的空间分布影响显著: 在太阳活动高年, ELDI在EISCAT雷达处(极光椭圆区纬度)的发生率高于ESR雷达处(极尖/极隙区纬度); 在低年则恰好相反。夏季似乎不利于ELDI的发生, 且在该季节的变化特征不受太阳活动水平及空间位置变化的影响。两部雷达在太阳活动高年观测到ELDI的季节变化规律分别与低年期间的结果相一致: 在冬季和早春, ELDI的发生率较高, 其他季节发生率较低, 夏季尤其低。在ELDI事件期间, 两处雷达观测到事件的持续时间和电离层E层厚度随太阳活动水平的变化表现出明显差异: 高年事件的持续时间总体上比低年短, 低年观测到ELDI的厚度要小于高年结果; 然而N_mE/N_mF₂比值及H_mE却没有表现出明显依赖。     

极光区电离层扰动的两种类型

本文从ＥＬＩＳＣＡＴ探测资料确认，沉降粒子对极光区电离层的电离生成率有极重要的作用，但高能和低能粒子的有效电离等高度范围完全不同，另一方面，磁层对流的增强却常使Ｆ层电子密度Ｎ下降，１９８５年１月２８～２９日期间出现Ｎ（Ｅ层）〉〉Ｎ（Ｆ层），且１４７ｋｍ以上Ｎ随高度增加而下降的典型扰动剖面，这是高能粒子和强磁层对流共同作用的结果，１９９３年２月１６～１７日期间，中午前后ＮｍＦ异常地增大，而Ｎ（Ｅ层）     

基于DPS和GPS的南极中山站电离层TEC比较研究

基于南极中山站数字式电离层测高仪DPS-4D和GPS-TEC电离层闪烁监测仪的观测数据,比较研究了两者在2013年所得电离层总电子含量(TEC)随太阳辐射和地磁活动的日变化和季节变化特征。比较结果表明,南极中山站上空电离层TEC存在明显的极区电离层变化特性,这种变化特性大体与太阳辐射成正相关关系,而与地磁活动成负相关。尽管电离层TEC变化具有明显的晨昏不对称性,但都能有效地被DPS-4D和GPS TEC监测仪的数据计算获得,且两者相关系数达到0.86。结合中山站所处的极区电离层位置,考虑太阳辐射电离和地磁活动影响下的极区电离层对流以及中性大气成分改变,初步分析了DPS和GPS所得TEC结果有所差异的原因。     

中国极区高空大气物理学观测研究进展

中国南极长城站、中山站、昆仑站和北极黄河站有着独特的地理位置,非常适合于开展极区高空大气物理学的观测研究.回顾中国极地考察研究近30年历程,综述极区高空大气物理学研究方面取得的主要进展,他们是:在南极中山站和北极黄河站建立了国际先进的极区高空大气物理共轭观测系统,实现了极区空间环境的连续监测;在极区电离层、极光和粒子沉...