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.     

武汉地区中尺度电离层声重波扰动的变化特性

利用武汉电离层观象台高频多普勒台阵的覆盖太阳活动高、低年份，长达５年的连续观测数据，采用小波分析等方法估算电离层声重波扰动（ＴＩＤ）的传播参量，通过这些参量对武汉地区电离层扰动形态和变化规律进行了系统分析研究．结果表明，观测到的中尺度电离层声重波扰动（ＭＳＴＩＤ）存在二个显著季变化，在传播速度和周期上有明显差异的优势传播方向：一个指向东北方，传播的方位角主要分布在３０°─７０°之间（０°为正北，以顺时针方向表示传播方位角），它在夏季出现率最大，冬季基本消失；另一个优势方向指向正南，方位角主要分布在１５０°─２２０°范围，主要出现在冬季．文中还给出了ＭＳＴＩＤ的年、日变化，并进一步探讨了其变化特性的可能形成机理．     

中、低纬度地区电离层不同层结间的耦合对夜晚F区不规则结构的影响

电离层不规则结构的形成和演化与电离层等离子体不稳定性密切相关 .长期以来 ,在中低纬区扩展 -F现象的研究中 ,没有考虑电离层上下层结之间的相互作用 .本文从理论上全面探讨了在中纬度地区 ,E区可变的Pedersen电导率和Hall电导率 ,与F区可变的Pedersen电导率的共同作用对F区梯度漂移不稳定性的影响 ,导出了存在这种耦合时电离层梯度漂移不稳定性的统一表达式 .这一耦合理论不但解释了实际观测中发现的 ,在某些地方电离层F区顶部的不稳定性发生率要高于F区底部这一现象 ;同时还表明 ,电离层E区与F区的耦合对F区夜晚梯度漂移不稳定性的形成不仅会有阻碍作用 ,同时还使得中、低纬度地区的扰动增长具有了方向的选择性 .该理论的一个重要结论是 ,F区中某一地区能否发展出梯度漂移不稳定性 ,并不完全由当地电离层F区的状态决定 ,同一根磁力线连接的、位于不同纬度地区的E区层结对其发展和演化也会有相当大的影响 .     

南极中山站F-lacuna特征分析

F-lacuna是高纬极区电离层测高仪频高图上经常出现的一种F层回波描迹部分或全部消失的现象,直接影响电离层参数的标定,其表征的电离层物理过程尚未定论.利用南极中山站测高仪频高图数据,本文统计分析了Flacuna在不同太阳风速度水平下的发生频率,主要对2012年2月15日一次F2-lacuna观测实例的粒子沉降及电离层特性进行了分析.观测特征表明,F2-lacuna发生期间,电离层电子总含量TEC明显减小,昭和站SuperDARN高频雷达观测到的中山站上空电离层Bragg后向散射增强,但对应来自磁层的电子和离子沉降并不明显.这可能是由磁层亚暴引起的极区电离层电流体系扰动,触发电离层F-B不稳定性,产生沿场向排列的小尺度不规则体,其热效应导致F2层密度减小,F2-lacuna出现.     

高纬日侧电离层离子上行的地磁活动依赖性研究

本文对比分析了太阳活动高、低年期间高纬日侧顶部电离层离子上行随地磁活动水平的变化特征.按地磁活动水平,将DMSP卫星在太阳活动高年（2000-2002年,F13和F15）及太阳活动低年（2007-2009年,F13;2007-2010年,F15）期间的SSIES离子漂移速度观测数据分为三组：地磁平静期（Kp<3）,中等地磁扰动期（3 ≤ Kp < 5）和强地磁活动期（Kp ≥ 5）,分别统计分析了高纬日侧顶部电离层离子上行特征的时空分布.对比分析发现：（1）太阳活动低年期间,高纬日侧电离层离子上行发生率以及上行速度峰值均是太阳活动高年的2倍多,而离子上行通量峰值只有高年的1/6-1/4;（2）在相同太阳活动条件下,地磁活动水平对日侧电离层离子上行发生率峰值的影响并不明显,但对离子上行发生率的空间分布有着显著的控制作用：电离层离子上行高发区随地磁活动向低纬度扩展,并在强地磁活动期间呈现饱和的趋势;（3）日侧顶部电离层等离子体似乎存在两个效率相当的上行区域,一个位于极尖/极隙区纬度附近,离子可沿开放磁力线上行进入磁尾;另一个位于晨侧亚极光区附近,离子沿闭合磁力线上行,有可能进入日侧等离子体层边界层.     

一次日食电离层效应模拟研究

用120°E经度链附近台站电离层垂测资料和一个二维低纬电离层理论模式探讨1995年10月24日日食电离层效应．在日食条件下只考虑日食区计算太阳EUV辐射减少．模式结果显示：（1）日食期间较低高度电离层光食效应显著,电子浓度跟随食分迅速变化,在食甚后浓度减少达到最大。较高高度电离层对日食响应延迟.（2）低纬地区日食日f₀.F₂比控制日低,而h_mF₂比控制日高．在低纬度地区日食带来的影响相对较大·（3）赤道附近h_mF₂食甚后有一突变,出现日食F₁.5层。（4）食甚后海口纬度附近F层受日食影响持久,而f₀F₂在赤道附近出现第2次下降．最后对低纬日食电离层效应的动力学因素进行了初步的讨论．     

台风“鲶鱼”期间电离层TEC变化异常分析

为了分析台风中心区域的电离层异常扰动过程,本文利用CODE提供的全球GIM电离层TEC网格数据,借助滑动四分位距法对2016年超强台风"鲇鱼"发生期间的电离层TEC异常进行了探测和分析.对超强台风"鲇鱼"发生的7个时间段电离层时间序列进行了异常值探测,发现在台风发生前2天,电离层TEC出现异常.此次电离层TEC异常主要发生在当地时间的02:00到12:00,持续时间长达十个小时,台风中心区域最大异常值达到12TECU.台风中心区域附近上空和对应的磁赤道共轭区上空的电离层均出现异常现象,两区域异常现象基本呈现相同变化趋势,而台风中心区域的电离层异常扰动现象很可能是此次台风发生的前兆之一.     

太阳活动中低年厦门电离层扩展F发生率研究

本文利用2008年至2013年厦门电离层垂测仪的观测数据,分析了太阳活动中低年厦门电离层扩展F发生率的日变化、季节变化特征和太阳活动对厦门电离层扩展F发生率的影响,结果显示:(1)厦门电离层扩展F主要出现在地方时18时至次日8时的时间段内,扩展F发生率最大值出现在午夜后;(2)厦门电离层扩展F主要出现在5—8月的夏季月份,扩展F发生率最大值一般出现在6月份(2009年出现在5月份);(3)厦门电离层扩展F发生率的日变化、季节变化中存在明显的逐年变化;(4)厦门电离层扩展F年出现次数与太阳10.7 cm射电流量年平均值在2008年到2011年正向相关,而在2012年、2013年却负向相关;在每一年中(除了2012年外),厦门电离层扩展F月发生率与太阳10.7 cm射电流量月平均值负向相关.太阳活动和厦门电离层扩展F发生率之间的复杂关系表明,太阳活动可能通过赤道电离层扩展F和中纬电离层扩展F两种机制影响了厦门电离层扩展F发生.     

不同能谱沉降电子对极区电离层的影响

利用极区电离层自洽模型,考虑沉降电子引起的电离,计算了极区电离层的高度积分电导率和F层电子浓度,模拟了不同能谱分布的沉降电子对极区电离层的影响.研究发现不同能谱分布沉降电子对电离层电导率的影响不大,在能通量一定的情况下,平均能量是影响电导率大小的决定因素.而能谱对F层电子密度影响较大,随着平均能量的增加,能谱对电子浓度的影响越显著.在平均能量大于1 keV（甚至更低）时,修正的麦克斯韦分布谱能明显地增强F层电子浓度.     

极光区电离层中TID谱的非线性演变

本文利用欧洲非相干散射雷达数据,分析研究了极光带静日电离层行扰,得到较高F区中非线性波-波相互作用的实验证据.TID动态频谱与一维波数谱显示等离子体参量起伏（不规则性）时空尺度由长周期向短周期、由小波数向大波数演化;双谱与作用密度时变率表明有一系列连锁式非线性三波共振相互作用发生.重力波波数随高度的变化说明在较高F区出现了重力波的过反射（over-reflection）.简要讨论了引起过反射的波-流相互作用.重力波的反射及其波数的弱频散性有可能使非线性三波相互作用共振条件得以满足.     

利用日本GPS网探测2011年Tohoku海啸引发的电离层扰动

海平面的海啸波会产生大气重力波进而引发电离层扰动.本文利用日本GPS总电子含量数据来探测2011年3月11日Tohoku海啸引发的电离层扰动.观测结果表明,在日本上空的电离层中存在两种重力波信号,分别由海平面的海啸波以及地震破裂过程产生.地震产生的电离层重力波分布在震中周围（包括海洋上空以及远离海洋的区域）,而海啸引发的电离层重力波主要分布在海洋上空.地震产生的电离层重力波具有不同的水平速度,包括约210 m·s^-1以及170 m·s^-1,其频率为1.5 mHz;而海啸引发的电离层重力波水平速度快于前者,约为280 m·s^-1,其频率为1.0 mHz.此外,海啸引发电离层重力波与海平面上的海啸波有相似的水平速度、方向、运行时间、波形以及频率等传播特征.本文的研究将电离层中的海啸信号与地震信号区分开来,进一步确认电离层对海啸波的敏感性.     

Formation of large-scale disturbances in the upper atmosphere caused by acoustic gravity wave sources on the Earth’s surface

The results of a model study of the acoustic gravity wave (AGW) propagation from the Earth’s surface to the upper atmospheric altitudes have been considered. Numerical calculations have been performed using a nonhydrostatic model of the atmosphere, which takes into account nonlinear and dissipative processes originating when waves propagate upward. The model source of atmospheric disturbances has been specified in an area localized on the Earth’s surface. The disturbance source frequency spectrum includes harmonics at frequencies of 0.5ωg-1.5ωg (ωg is the Brunt-Väisälä frequency near the Earth’s surface). The calculations indicated that AGW propagation and dissipation over the source result in the fact that the region of large-scale spatial disturbances of the upper atmosphere mean state is formed at ～200 km altitudes. This region substantially affects AGW propagation and results in waveguide propagation of AGWs with periods shorter than the Väisälä-Brunt period at the altitude of a disturbed atmosphere. The dissipation of AGWs propagating in such a waveguide results in a waveguide horizontal expansion. The extension of the disturbed region of the mean state of the upper atmosphere and, consequently, the waveguide length can reach ～1000 km, if the AGW ground source operates for ～1 h. The physical mechanism by which large-scale disturbances are formed in the upper atmosphere, based on the propagation and dissipation of AGWs with periods shorter than the Väisälä-Brunt period in the upper atmosphere, explains why these disturbances are rapidly generated and localized above AGW sources located on the Earth’s surface or in the lower atmosphere.     

Ranges of AGW propagation in the Earth’s atmosphere

The propagation of atmospheric gravity waves (AGWs) is studied in the context of geometrical optics in the nonisothermal, viscous, and thermal-conductive atmosphere of Earth in the presence of wind shifts. Parametric diagrams are plotted, determining the regions of allowed frequencies and horizontal phase velocities of AGWs depending on the altitude. It is shown that a part of the spectrum of AGWs propagates in stationary air in an altitude range from the Earth’s surface through the ionospheric F1 layer. AGW from nearearth sources attenuate below 250 km, while waves generated at altitudes of about 300 km and higher do not reach the Earth’s surface because of the inner reflection from the thermosphere base. The pattern changes under strong thermospheric winds. AGW dissipation decreases with an adverse wind shift and, hence, a part of the wave spectrum penetrated from the lower atmosphere to the altitudes of F2 layer.     

利用GPS网观测反射海啸波引发的电离层扰动

震中产生的海啸波传播到海岸或者遇到水下障碍时会发生反射,从而形成反射海啸波.本文利用稠密的日本GEONET网,首次在电离层扰动图中观测到2011年3月11日Tohoku地震引发的反射海啸波信号.观测到的电离层扰动与海平面的反射海啸波具有相似的波形、水平速度、方向、周期以及到达时间等传播特征,表明观测的电离层扰动为反射海啸波所引起,本文的观测结果表明反射海啸产生的大气内重力波也能向上传播到电离层与等离子体作用.     

Incoherent scatter radar observations of AGW/TID events generated by the moving solar terminator

Observations of traveling ionospheric disturbances (TIDs) associated with atmospheric gravity waves (AGWs) generated by the moving solar terminator have been made with the Millstone Hill incoherent scatter radar. Three experiments near 1995 fall equinox measured the AGW/TID velocity and direction of motion. Spectral and cross-correlation analysis of the ionospheric density observations indicates that ST-generated AGWs/TIDs were observed during each experiment, with the more-pronounced effect occurring at sunrise. The strongest oscillations in the ionospheric parameters have periods of 1.5 to 2 hours. The group and phase velocities have been determined and show that the disturbances propagate in the horizontal plane perpendicular to the terminator with the group velocity of 300–400 m s^–1 that corresponds to the ST speed at ionospheric heights. The high horizontal group velocity seems to contradict the accepted theory of AGW/TID propagation and indicates a need for additional investigation.     

Energy balance of acoustic gravity waves above the polar caps according to the data of satellite measurements

Wave disturbances of the Neutral Atmosphere above the polar caps are studied based on the Dynamic Explorer 2 satellite measurements. The characteristic spatial scales of these disturbances are 500— 600 km. Based on an analysis of the synchronous variations in different parameters, these disturbances were interpreted as propagating acoustic gravity waves (AGWs). The mass-spectrometer measurements of concentrations of individual atmospheric gases made it possible to determine the following AGW components: density of the acoustic compression, thermobaric, and average kinetic energies. It has been found out that the average (during the period) densities of the acoustic and thermobaric energies are approximately equal for polar AGWs. The results indicate that the contribution of these waves to the energy of the polar upper atmosphere is considerable.     

Physical models of coupling in the lithosphere-atmosphere-ionosphere system before earthquakes

The most important models of coupling in the lithosphere-atmosphere-ionosphere system are considered. In some of these models, it is assumed that atmospheric acoustic and acoustic gravity waves (AGWs), which propagate through the atmosphere and reach ionospheric altitudes (resulting in the generation of electric field disturbances and modulation of charged particle density), are generated in the near-Earth atmosphere over the earthquake preparation region. In other models it is assumed that ionospheric disturbances originate owing to the modification of electric fields and currents due to electric processes in the lithosphere or near-Earth atmosphere. It seems impossible to stress on only one model and reject the remaining models because the characteristic spatial scales of effects observed in the ionosphere before earthquakes vary from 200–300 km to several thousand kilometers, and the characteristic times vary from several minutes to several days. We can assume that there are several physical mechanisms by which the lithosphere-ionosphere coupling is actually implemented.     

Ionospheric response to the entry and explosion of the South Ural superbolide

The South Ural meteoroid (February 15, 2013; near the city of Chelyabinsk) is undoubtedly the best documented meteoroid in history. Its passage through the atmosphere has been recorded on videos and photographs, visually by observers, with ground-based infrasound microphones and seismographs, and by satellites in orbit. In this work, the results are presented of an analysis of the transionospheric GPS sounding data collected in the vicinity of the South Ural meteoroid site, which show a weak ionospheric effect. The ionospheric disturbances are found to be asymmetric about the explosion epicenter. The received signals are compared, both in shape and amplitude, with the reported ionospheric effects of ground level explosions with radio diagnostics. It is shown that the confident registration of ionospheric effects as acoustic gravity waves (AGWs) by means of vertical sounding and GPS technologies for ground explosions in the range of 0.26–0.6 kt casts doubt on the existing TNT equivalent estimates (up to 500 kt) for the Chelyabinsk event. The absence of effects in the magnetic field and in the ionosphere far zone at distances of 1500–2000 km from the superbolide explosion epicenter also raises a question about the possibility of an overestimated TNT equivalent. An alternative explanation is to consider the superposition of a cylindrical ballistic wave (due to the hypersonic motion of the meteoroid) with spherical shock waves caused by the multiple time points of fragmentation (multiple explosions) of the superbolide as a resulting source of the AGW impact on ionospheric layers.     

基于陆态网络GNSS数据的2013年和2015年磁暴期间中国地区电离层特性研究

2013年3月和2015年3月爆发了2次相似的地磁暴,引起了全球不同地区电离层的变化。本文利用中国大陆构造环境监测网络260余个基准站在中国地区的GNSS电离层TEC观测数据,结合电离层测高仪和电离层甚高频相干散射雷达观测,对2次磁暴期间中国地区的电离层变化特性进行了对比分析。结果显示,2013年3月磁暴期间,中国不同地区电离层变化较弱或不明显,而2015年3月磁暴期间中国地区电离层变化整体表现为大范围的强负相暴,中国地区不同程度的电离层响应主要受到不同的磁暴强度和磁暴期间不同的能量输入影响。2次磁暴期间电离层F层不均匀体的发生受到不同程度的影响,可能由不同种类的暴时电场导致。陆态网络数据空间覆盖范围广、时间分辨率高,在研究中国地区磁暴期间的电离层变化特性方面具有优势。