磁暴期间高纬顶部电离层离子上行特征——DMSP卫星观测

本文利用DMSP F13和F15卫星观测数据,对2001—2005年58个磁暴(-472 nT≤Min.Dst≤-71 nT)期间高纬顶部电离层离子整体上行特征进行了统计研究.观测表明,磁暴期间,顶部电离层离子上行主要发生在极尖区和夜间极光椭圆区.在北半球,磁正午前,高速的离子上行(≥500 m·s-1)多集中在65° MLat以上;午后,高速离子上行区向低纬度扩展,上行速度要略高于午前;在南半球,磁午夜前,DMSP卫星在考察区域内几乎所有的纬度上都观测到了高速上行的离子;午夜后,各纬度上观测到上行离子的速度明显降低.离子上行期间,DMSP卫星在极区顶部电离层高度上也频繁地观测到电子/离子增温,且电子增温发生的频率要远高于离子增温.O+密度变化分析显示,DMSP卫星磁暴期间观测到的上行离子更多地源于顶部电离层高度.这些结果表明电子增温在驱动暴时电离层离子整体上行过程中起着重要作用.     

磁暴期离子上行与太阳风及地磁活动水平的统计关系

利用FAST卫星ESA仪器第23太阳活动周上升相(1997-1998年)的观测数据,选取20个磁暴期间能量为4~300 eV的离子上行事件,研究不同磁暴相位电离层上行离子的能通量与太阳风、地磁活动以及电子沉降的统计关系.结果表明：(1)在磁暴初相、主相和恢复相离子上行平均能通量为6.08×10⁷eV/(cm²·s·sr·eV)、5.75×10⁷eV/(cm²·s·sr·eV)和3.91×10⁷eV/(cm²·s·sr·eV),初相期间上行离子能通量最大;(2)上行离子能通量与太阳风动压、行星际磁场B_Z分量存在相关关系,相关系数分别为0.47和-0.38;(3)在磁暴初相、主相和恢复相上行离子能通量与Sym-H的相关系数分别为0.74、-0.77和-0.54,与Kp的相关系数分别为0.53、0.75和0.65,整体上离子上行与Sym-H指数的相关性好于Kp指数;(4)在磁暴初相、主相和恢复相上行离子能通量和电子数通量的相关系数分别为0.74、0.52和0.32,表明磁暴期间软电子(< 1 keV)沉降可以显著提高电离层离子温度;F区的等离子体摩擦加热和双极电场是离子上行的重要获能机制.本文构建的上行离子能通量与Sym-H和电子数通量的经验关系显著,可用于磁流体模拟研究.

     

日侧伴随电子加速的离子上行事件的分布特征

本文基于2005年1月和7月DMSP F13卫星的观测数据, 研究了日侧伴随电子加速的顶部电离层离子整体上行事件的分布特征.结果表明, 离子上行主要发生在磁纬70°~80° MLAT范围内, 加速电子磁层源区对应低纬边界层和等离子体片边界层; 冬季上行存在明显的晨昏不对称性, 主要发生在晨侧(06∶00—09∶00 MLT), 夏季上行主要发生在磁正午(09∶00—15∶00 MLT), 以磁正午为中心近似呈对称分布, 并且冬季离子上行发生率显著高于夏季; 离子上行发生率在中等地磁活动时期显著增强, 上行区域随着地磁活动的增强向低纬度方向扩展; 行星际磁场Bx>0时, 对应等离子体片边界层13∶00—18∶00 MLT和06∶00—09∶00 MLT区域内上行发生率增加, 行星际磁场By的方向会导致上行高发区以磁正午为中心发生反转, 行星际磁场南向时, 上行发生率增强; 冬季离子上行平均速度高于夏季.     

地磁活动与太阳活动对环电流离子成分与位置的影响

根据CRRES卫星上MICS离子成分探测器的观测资料以及前人有关AMPTE卫星的观测数据，研究了地磁活动和太阳活动性对环电流成分以及各种环电流离子的最大通量位置的影响. 观测表明相对于地磁平静时期，在地磁活动的活跃时期，环电流中O+、He++和He+离子的数密度和能量密度占环电流总数密度和总能量密度的份额增加，相反H+离子所占的比例却明显减少. 太阳活动极大年时环电流中H+离子丰度比极小年时低，而O+和He++离子的丰度却比太阳活动极小年时高. 卫星数据观测还表明，在地球磁暴期间，环电流中O+离子和He+离子的最大通量位置会随着地磁的活动径向移动，平均来看太阳活动极大年的能量粒子最大数密度位置距离地球比极小年时约小0.5RE （RE 为地球半径）.     

地顶的地心距离及其变化

本文介绍了有关磁层中电离层离子起主要作用区域（地顶内区）的观测资料和磁层中电离层离子随地磁活动和太阳活动变化的观测资料,根据这些资料简单分析了上行离子的密度和通量密度及地顶的变化。     

不同地磁活动水平下电离层H+上行的半球对比研究

使用FAST/TEAMS仪器在第23太阳活动周下降相的数据,从地磁活动水平的角度,分别分析在磁静日(Kp≤2⁺)和磁扰日(Kp≥3⁺)时南(SH)、北半球(NH)高纬(>50°)电离层H⁺的上行强度,计算其上行率和净上行积分能通量,以期得到H⁺上行的长期水平并分析地磁扰动期间南、北半球离子上行强度的异同.研究结果表明,磁扰期间上行强度显著加强,平静期南、北半球的平均上行率分别是~15%和~20%,而磁扰期的平均上行率分别增强了1.45倍和1.04倍,磁扰期间南半球上行强度的增长更显著;平静期南半球的上行强度小于北半球,但磁扰期两个半球的上行强度相当;磁午夜和黎明区间受地磁扰动的影响最显著,其磁扰期与平静期上行率的比值(S/Q)最大,同时南半球在各个地方时区间的S/Q值均大于北半球;另外,我们发现磁扰期间的上行率在极光椭圆带下边界附近增幅最明显,而积分通量在上边界附近增加显著.上行源区以平静期的源区为中心从日侧极尖区扩展到磁午夜、且向低磁纬延伸,同时,极尖区上行源区在磁扰期有向晨侧偏移的趋势.     

电离层上行O+离子沿不同经度处的磁力线向磁层的传输

根据解析求解引导中心近似的动力学方程得到的离子分布函数 ,研究了不同Kp指数条件下起源于不同电离层区域的上行O+离子通量密度沿不同经度处的磁力线的定态分布 ,并研究了上行O+离子向不同磁层区域传输的特性 .主要结果为 :（ 1 ）起源于向阳面极光带外侧及更低纬区的电离层离子基本上传输到向阳面磁层区 ;起源于背阳面极光带及更低纬区的电离层离子基本上传输到背阳面磁尾等离子体片区和闭合磁力线区 ;起源于极盖区及向阳面极光带内侧的电离层离子基本上传输到等离子体幔区和磁瓣区 .（ 2 ）上行离子主要分布在近地空间 ,其通量密度相对于地心距离呈负梯度 .（ 3）地磁活动指数Kp 增高时上行离子进入磁层的概率增大 ,因而上行离子起动力学作用的地球空间范围增大 .所得结果可解释有关地顶的观测特征 ,理论估算的上行离子在磁尾的通量密度与观测结果相符合.     

基于GNSS观测的全球赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节依赖特征

赤道等离子体泡是在磁赤道和低纬地区一种通常发生在夜间的大尺度电离层不规则结构.本文利用2010—2021年全球低纬地区GNSS TEC监测仪长期观测数据,分析了赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节的依赖特征.结果表明,全球每个经度区赤道等离子体泡发生率与太阳活动都显著正相关,赤道等离子体泡的日发生率与F₁₀₇指数相关系数接近0.70.经度-60°~-30°在赤道等离子体泡高发月份的日落后发生率与F₁₀₇的相关关系有明显的饱和效应.在季节变化方面,经度-60°~-30°赤道等离子体泡主要发生在1—3月和10—12月,其他经度主要发生在分季.不同经度区赤道等离子体泡日落后发生率季节不对称性存在显著区别,在太阳活动上升期,经度-60°~-30°的10—12月发生率明显高于1—3月;在太阳活动下降期,0°~180°经度区3月分季高于9月分季.此外,地磁扰动对产生赤道等离子体泡主要是抑制作用,特别是在太阳活动高年、分季.

     

高地磁活动与fmin

电离层垂直探测电离图上的最低频率fmin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fmin与各种类型的Es-l的对比分析,发现可将fmin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。     

全球电离层TEC起伏特性分析

利用全球电离层TEC地图（GIMs）数据,在已经建立TEC气候学模式的基础上,计算了1998年以来固定UT时间的全球TEC起伏指数σDGEC．采用偏相关分析方法对σDGEC与太阳活动（F107指数）及其起伏（dF107）、地磁活动（Ap指数）、季节变化因子（太阳偏置角）等因素,以及上述因素的非线性组合等的相关性进行分析,发现σDGEC与F107、Ap指数具有最强的相关性,与F107指数和半年变化因子的交叉项F107×S、F107指数的二次方具有较好的相关性,同时,与F107指数与年变化因子的交叉项F107×A及F107扰动指数偏离值（dF107）的二次方也具有一定的相关性．据此,以这些因子作为驱动量,建立了σDGEC的多元回归模型．鉴于σDGEC反映全球范围内电离层TEC起伏的平均特性,并与太阳活动F107指数、地磁活动Ap指数具有良好的相关性,为此我们建议,将全球TEC相对起伏指数σDGEC作为描述全球电离层扰动状态及电离层天气特征的一个新参量．     

The spatial structure of the dayside ionospheric trough

Tomographic imaging provides a powerful technique for obtaining images of the spatial distribution of ionospheric electron density at polar latitudes. The method, which involves monitoring radio transmissions from the Navy Navigation Satellite System at a meridional chain of ground receivers, has particular potential for complementing temporal measurements by other observing techniques such as the EISCAT incoherent-scatter radar facility. Tomographic reconstructions are presented here from a two-week campaign in November 1995 that show large-scale structuring of the polar ionosphere. Measurements by the EISCAT radar confirm the authenticity of the technique and provide additional information of the plasma electron and ion temperatures. The dayside trough, persistently observed at high latitudes during a geomagnetically quiet period but migrating to lower latitudes with increasing activity, is discussed in relationship to the pattern of the polarcap convection.     

一次行星际磁场南向突变的高纬电离层对流响应特征

本文利用北半球的超级双极光雷达网数据,考察了一次行星际磁场南向突变时高纬电离层对流的响应特征,着重分析了响应的时间尺度. 对所研究的事件,行星际磁场南北分量在1.5 min内从+7 nT突变到-8 nT,而在突变前后约40 min内都保持相对稳定. 结果表明,电离层对流的初始响应发生在磁正午附近,相对于行星际磁场突变到达磁层顶的时间有大约3 min的滞后;响应与磁地方时有明显依赖关系,离磁正午越远,响应的滞后时间越长,晨昏两侧的对流响应比磁正午滞后约6 min,磁午夜的对流响应比磁正午滞后约12 min;对流重新趋于稳定的时间与磁地方时没有明显的依赖关系,该时间尺度约为10～14 min.     

不同太阳活动及地磁条件下的电导率分布变化

电离层电导率在不同的太阳活动和地磁条件下会发生变化. 本文通过中性大气经验模式NRLMSISE_00（Neutral Atmosphere Empirical Model_2000,简称NRLMSISE_00）和电离层经验模式IRI_2001（International Reference Ionosphere_2001,简称IRI_2001）计算电离层的电子、离子碰撞频率以及电导率,并简要讨论了120 km和300 km高度上的电导率在不同季节、不同太阳活动和地磁指数下的经纬分布. 结果显示,电导率的分布与日照密切相关,且随太阳活动的变化而变化. 磁暴时电导率随地磁活动的变化相对于随太阳活动的变化要小,在120?km高度,磁暴期间电导率在低纬地区和高纬地区发生不同变化,且Pedersen电导率和Hall电导率变化趋势相反,向两极靠近,电导率变化幅度略有增长;在300?km高度上,磁暴对低纬地区和高纬地区电导率的影响要比120?km处大,Pedersen电导率和Hall电导率变化趋势相同,且越向两极靠近电导率的变化幅度越大.     

Derivation and test of ionospheric activity indices from real-time ionosonde observations in the European region

New ionospheric activity indices are derived from automatically scaled online data from several European ionosonde stations. These indices are used to distinguish between normal ionospheric conditions expected from prevailing solar activity and ionospheric disturbances caused by specific solar and atmospheric events (flares, coronal mass ejections, atmospheric waves, etc.). The most reliable indices are derived from the maximum electron density of the ionospheric F 2-layer expressed by the maximum critical frequency foF 2. Similar indices derived from ionospheric M(3000)F 2 values show a markedly lower variability indicating that the changes of the altitude of the F 2-layer maximum are proportionally smaller than those estimated from the maximum electron density in the F 2-layer. By using the ionospheric activity indices for several stations the ionospheric disturbance level over a substantial part of Europe (34°N–60°N; 5°W–40°E) can now be displayed online.     

Simultaneous observations at different altitudes of ionospheric backscatter in the eastward electrojet

A common feature of evening near-range ionospheric backscatter in the CUTLASS Iceland radar field of view is two parallel, approximately L-shell-aligned regions of westward flow which are attributed to irregularities in the auroral eastward electrojet region of the ionosphere. These backscatter channels are separated by approximately 100–200 km in range. The orientation of the CUTLASS Iceland radar beams and the zonally aligned nature of the flow allows an approximate determination of flow angle to be made without the necessity of bistatic measurements. The two flow channels have different azimuthal variations in flow velocity and spectral width. The nearer of the two regions has two distinct spectral signatures. The eastern beams detect spectra with velocities which saturate at or near the ion-acoustic speed, and have low spectral widths (less than 100ms^–1), while the western beams detect lower velocities and higher spectral widths (above 200ms^–1). The more distant of the two channels has only one spectral signature with velocities above the ionacoustic speed and high spectral widths. The spectral characteristics of the backscatter are consistent with E-region scatter in the nearer channel and upper-E-region or F-region scatter in the further channel. Temporal variations in the characteristics of both channels support current theories of E-region turbulent heating and previous observations of velocity-dependent backscatter cross-section. In future, observations of this nature will provide a powerful tool for the investigation of simultaneous E- and F-region irregularity generation under similar (nearly co-located or magnetically conjugate) electric field conditions.     

电离层对流和极光区电集流的地磁链观测

本文采用31个高纬地磁台站资料考察1997年5月15日一次中等磁暴期间极光区电集流和电离层对流的空间分布和时间变化;其中20站处于纬度60°N～80°N之间的西半球,而另11站是偶极磁经度约为120°E的欧洲IMAGE地磁站链.对此纬度链和经度链上各站1-min精度地磁资料的综合分析结果表明,极光区电集流中心的相对强度及其纬度位置是随世界时和地方时区不断变化的.电集流中心所处位置的变化可能是其中心的南北移动造成的,也可能是中心带与磁纬圈间的相互倾斜所致.另一方面,电离层对流形态和晨昏对流圈的经向跨度及其两端的位置是基本不变的.有关结论得到同期的非相干散射雷达EISCAT观测的证实和补充.