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。     

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。     

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。     

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。     

THE POLAR IONOSPHERE AND THE MAGNETOSPHERE-IONOSPHERE COUPLING

EISCAT (the Incoherent System at the northern polar region) data are used in discussion of the magnetosphere-ionosphere coupling. Comperison between samples in geomagnetic quiet days and during magnetic storms shows a significant effect of the basic magnetospheric processes on the features of the polar ionosphere. It not only demonstrates that the polar ionosphere can be regarded as a 'panoramic screen' of these process, but also indicates an importance of the simultaneous observation of southern and northern polar regions (especially, at the magnetic conjugate points). A few topics concerned are suggested for the further study of the southern polar region.     

太阳耀斑与粒子沉降对极区低电离层的影响

在南极中山站利用甚低频传播手段观测太阳耀斑爆发及极区粒子沉降对低电离层的影响。在一个月的时间里共观测到 6 0次太阳耀斑爆发事件 ,其中最大的一次耀斑爆发引起低电离层等效反射高度下降 8.7公里 ,X射线 (1 - 8A)峰值流量为 3 .5× 1 0 - 2尔格 /(厘米 2·秒 ) ,造成中山站至北京的短波通讯中断 1小时。在这次耀斑爆发 5 8小时以后 ,又观测到在南极地区有粒子沉降事件 ,并引起低电离层等效高度下降 3 .3公里。     

北极区低电离层加热效应的数值模拟研究

从等离子体能量守恒方程和连续性方程出发,以国际参考电离层(IR I2000)和大气模型(MSIS)为背景,通过数值方法模拟研究大功率无线电波对北极低电离层的电子密度和电子温度的扰动效应。结果表明,在外加强电磁场作用下,电离层等离子体中的带电粒子(主要是电子)动力学温度得以升高而产生等离子体温度扰动;由于电子温度升高,等离子体碰撞频率增加且电子的复合系数减小,诱发电子密度扰动;电子密度和电子温度的扰动幅度随着加热时间的推移而减小,即扰动趋于饱和;电子密度扰动的弛豫时间较电子温度扰动的弛豫时间大;在泵波频率大于电离层临界频率的条件下,泵波频率越高,其激发的电子温度和电子密度扰动效应也就越弱。     

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。     

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...     

THE INFLUENCE OF THE COSMIC RAY FORBUSH DECREASE ON THE LOW IONOSPHERE IN THE POLAR REGION

Used the ionization theory of the cosmic ray charged particles in the polar ionosphere, the influence of the cosmic ray Forbush decrease on the low ionosphere in the polar region is studied in this paper. The relationship between the Forbush decrease and the cosmic noise absorption during the polar night is analysed based on the data recorded by a Riometer at Antarctic Zhongshan Station (69° 22′24″S, 76°22′40″E). The relation of between the cosmic ray Forbush decrease and the cosmic noise absorption is well interpreted by means of the ionizaiotn theory.     

极隙区极光粒子沉降对电离层影响的模拟研究

利用一维自洽的时变极区电离层模型,研究极隙区极光粒子沉降对极区电离层F层电子密度影响的时变过程。假设一维时变电离层模型描述的磁流管中F层等离子体在对流作用下经过极隙区,随对流路径的不同,磁流管在极隙区经历的时间不同,以此考察极光粒子沉降作用下电离层随时间的演化过程。数值计算结果表明,当磁流管在极隙区停留的时间足够长,F层电子密度能显著增大。然而在磁流管经历极隙区实际时间较短的情况下,极隙区极光粒子沉降对F层电子密度的影响并不大。本文还给出了统计对流模型作用下磁流管在经历极隙区时,有沉降粒子作用和没有沉降粒子作用两种情况下,F层等离子体的时间变化过程的差异。