中低纬度电离层对太阳风状态的响应

本文讨论了行星际磁场B₂分量变化时内磁层和中低纬度电离层的响应.指出B₂变化引起的磁层大尺度对流电场的变化在一定条件下有可能透入内磁层,并沿磁力线映射到中低纬度电离层,在那里产生电场和电流体系,从而使S_q电流体系发生畸变,并在地面磁场中反映出来.数值计算表明,当△B₂<0时,S_q电流体系的焦点向东和向高纬移动,地面磁场会观测到数伽马的变化.这就为中低纬地磁观测诊断磁层和太阳风状态提供了一种可能性.此外,本文还用上述物理过程解释了赤道地区一些高空物理现象,如B₂倒转时电离层漂移速度的变化,赤道磁场异常以及赤道q型偶现E层的消失等等.     

磁层-电离层-热层耦合的模式计算和分析

对磁层-电离层电动耦合和电离层发电机两种效应进行了模式计算,并对所得的一些耦合现象作了综合讨论.结果表明,在中低纬和赤道区的电离层和地磁研究中必须考虑磁层-电离层耦合效应向中低纬区的穿透和屏蔽;潮汐发电机效应对极光区（电导率增高时）的作用也值得重视.这两效应的特征和相对重要性随磁暴的发展阶段而异,在高低纬区也各不相同,但都有明显的晨昏不对称性.此外,弱磁扰对中低纬电离层形态的影响也不容忽视.     

磁暴期间太阳风-磁层-电离层间的耦合过程

本文用行星际和地面磁场以及电离层资料,讨论了三次磁暴期间高、中纬电离层电场对太阳风和磁层内变化的响应。 分析表明,当IMF的B_x分量由北向转为南向时,太阳风驱动的磁层对流变化能直接反映出高纬电离层电位的变化。但持续南向的B_x再次增强时,太阳风输入的主要能量耗损于内磁层过程;电离层的响应表现为一个弛豫过程。当B_x由南转北时,环电流的消失对电离层的作用同样有弛豫的特点。此时,驱动电位已撤消,环电流是维持电离层电位的唯一外源。 本文用电路类比及简单模式法结论对上述几种实测情况进行了讨论。     

磁层-电离层电动耦合的中纬电离层效应

本文通过对1982年磁扰期间琼中、北京两站地磁X分量变化的分析,证实了磁层-电离层电动耦合对中纬电离层电流的影响.分析发现:磁静、磁扰条件下的平均日变化中,两站X分量变化在白天有反向的趋势.这表明它们分处于与动力效应对应的电离层发电机电流圈中心之南北两侧.在磁暴主相期间,X分量变化形态与之明显不同,两站地磁南北分量有同向变化,且变幅相近,甚至有时北京站△X更大.对环电流能量增长指数R小于-25nT/h的21次事件所作的时序叠加分析（以R最负时为零时）进一步证明,这种同向变化是普遍存在的.两站零时之△X大小相近,相关系数高达0.98.该同向变化与R指数突然变负密切相关. 以上对比表明,与发电机电流造成两站X分量反向变化不同,同向变化是磁层源高纬扰动电流向中低纬直接穿透的结果.本文对动力和电动耦合两种过程的不同进行了初步讨论.     

Sq发电机电流的逐日变化和Sq指数

用中国地磁台站的资料,研究了S_q逐日变化的形态学特征,用理论模型计算了磁层环电流、部分环电流、场向电流、磁尾电流、Chapman-Ferraro电流的地磁效应.在消除了这些磁层电流体系的影响之后,得到了电离层潮汐风发电机电流产生的磁场S_q变化.对1973年的资料研究表明,S_q发电机电流的逐日变化主要表现在强度上,即使在磁扰期间,也可以分离出形态稳定的S_q变化.由此提出了一种新的地磁指数--S_q指数,用来描述S_q发电机电流强度的逐日变化.     

1990年3月21日磁暴期间的电离层响应

利用美、欧、日等国非相干散射雷达观测的离子速度,高纬地磁站链1 min分辨率H分量及多站地面电离层垂测h'F等多种资料,对高低纬电离层的磁层耦合响应进行事例分析.除常规地磁资料外,极光区两雷达站对F层离子速度的测量是考察高纬电离层对流的很有效手段.本次中强磁暴期间赤道环电流指数Dst的最小值为-136 nT,但其最大的离子速度却超过2500 m/s,双对流圈的西旋则约为30°.从此次事件中极光区两雷达站离子速度的连续观测,得出了物理上合理的电离层对流形态,此图象得到地磁站链记录的有力支持.本事例的中低纬电离层响应再次确认了磁层扰动从高纬向中低纬穿透的事实.此外,Arecibo非相干散射雷达站资料又进一步证明:在同一经度链附近,磁暴期夜间电离层垂测h'F的多站突增现象是东向扰动电场从高纬穿透到中低纬,再通过E×H垂直向上的等离子漂移,使F层底部上升的结果.本文用高、低纬台站的多种观测资料较好地分析了该典型电离层物理现象.     

日食电离层效应

本文分析了1987年9月23日日环食期间,我国14个电离层站和1988年3月18日日全食期间两个站的垂测仪和偏振仪记录,并综合50年代以来历次日食电离层效应的观测结果,证实:1.E层和F₁层光食效应明显,F₂层动力学效应显著;2.f₀F₂存在日食日值大于、小于或等于控制日值三种典型情况;3.TEC食变曲线有凹陷和不凹陷两种典型情况,甚至出现日食日值大于控制日值的异常现象. 本文对F₂层和外电离层的动力学特征作了定性讨论,认为:空间等离子体温度急剧下降和沿场扩散是F₂层和外电离层日食效应的最主要因素;而磁赤道上空等离子体的沿场扩散、“喷泉”效应,热层风和全（环）食带方位是影响位于磁赤道异常区各电离层站日食电离层效应的主要因素.     

中低纬度电离层大尺度电流体系空间结构的稳定性

本文在Hibberd方法的基础上提出了一种分离变化磁场几种主要成分的方法,使用这种方法可以定量地给出每天S_q型变化、D_st变化和其他不规则变化。用东亚地磁台链资料进行了检验,结果表明:中低纬度电离层S_q型电流体系的空间结构相当稳定,即使在磁暴期间,该电流体系的结构也无十分明显的变化;磁扰期间复杂的地磁变化主要来自磁层环电流、场向电流和高纬度电离层电流:S_q逐日变化主要表现在幅度上,这反映了电离层发电机电流体系具有较稳定的空间结构和逐日变化的强度。     

磁层亚暴与磁层暴（Ⅱ）:太阳风参数对Dst的影响机制研究

为了研究地磁活动指数D_st受太阳风参数影响,包括行星际磁场（IMF）南向分量B_st、太阳风速度V_?和太阳风-磁层发电机电动势U调制的机制,应用太阳风-磁层-电离层输入-输出[I（t）-O（t）]电网络模型,对磁层亚暴与磁层暴过程中,B_z（t）-D_st、V-a（t）-D_st和U（t）-D_st的激励-响应特性进行模拟。研究表明,B_z是形成亚暴与磁层暴的前提条件,V_st是形成亚暴与磁层暴的充分条件,二者统一于电动势U_st研究结果与观测结果一致。     

太阳活动高年上电离层中O+-H+离子过渡高度的特征

本文用日本电离层探测卫星ISS-b的资料,假设F₂层峰顶以上电离层中各类离子随高度呈扩散平衡分布,得到了太阳活动高年（1978年8月-1979年8月）确定顶外电离层电子密度剖面形状的一个重要参数,即O⁺-H⁺离子过渡高度h_T的一些变化特征.指出h_T的日变化特性主要受电离层中O⁺离子的产生与复合作用的控制.太阳活动高年在不同纬度和所有经度区域,平均说来日间h_T为大约1500-2500km变化,而夜间位于800-1400km,冬夜甚至接近中性氢、氧原子的化学平衡高度.过渡高度也表现出明显的纬度关系,在接近±20°的磁赤道地区,h_T基本上不随纬度变化;但在大于±30°磁纬区域h_T随纬度很快增加.义中还就h_T随时间和地磁（或地理）纬度变化的机制作了简要讨论.     

低太阳活动期间极区ELDI的EISCAT/ESR雷达观测

本文利用2009—2011年EISCAT/ESR雷达的场向观测数据,统计研究了低太阳活动期间极区E层占优电离层(ELDI)事件的发生规律及其主要特征.地面雷达观测表明,极区ELDI表现出明显的季节变化特征:在冬季和早春发生率较高.EISCAT雷达(极光椭圆纬度)观测到的ELDI多出现在磁午夜扇区,平均持续30 min;ESR雷达(极尖/极隙区纬度)观测到的ELDI多出现在磁正午附近,平均持续14 min,表现出与之前无线电掩星观测结果不一致的日变化特征.在ELDI事件期间,两处雷达观测到的电离层N_mE/N_mF₂比值和E层厚度都没有表现出显著的空间差异.事例分析证实E层电子增强和F层电子密度耗空都能够独立地导致ELDI,然而,统计分析表明上述两个过程对ELDI的形成都起着不可或缺的作用.     

On auroral dynamics observed by HF radar: 1. Equatorward edge of the afternoon-evening diffuse luminosity belt

Observations and modelling are presented which illustrate the ability of the Finland CUTLASS HF radar to monitor the afternoon-evening equatorward auroral boundary during weak geomagnetic activity. The subsequent substorm growth phase development was also observed in the late evening sector as a natural continuation of the preceding auroral oval dynamics. Over an 8 h period the CUTLASS Finland radar observed a narrow (in range) and persistent region of auroral F- and (later) E-layer echoes which gradually moved equatorward, consistent with the auroral oval diurnal rotation. This echo region corresponds to the subvisual equatorward edge of the diffuse luminosity belt (SEEL) and the ionospheric footprint of the inner boundary of the electron plasma sheet. The capability of the Finland CUTLASS radar to monitor the E-layer SEEL-echoes is a consequence of the nearly zero E-layer rectilinear aspect angles in a region 5/10° poleward of the radar site. The F-layer echoes are probably the boundary blob echoes. The UHF EISCAT radar was in operation and observed a similar subvisual auroral arc and an F-layer electron density enhancement when it appeared in its antenna beam.     

电离密度分布对中低纬非导管哨声波传播的影响

本文在偶极子地磁模型和各种电离密度分布模型中,对中低纬非导管哨声波的传播特性进行了射线追踪研究。结果表明,地磁场位形及其引起的磁层等离子体的各向异性是决定哨声射线几何特征及速度结构的主要因素,而电离密度仅在一定程度上改变上述特征;电离层是形成哨声射线聚焦的主要原因;赤道异常和电离层显著地影响哨声波的到达纬度;哨声群时延和色散值主要决定于电离密度;中低纬非导管哨声近似符合Eckersley定律;电离层是决定波法线角能否满足透射条件的主要因素。     

A 22-year cycle in the F layer ionization of the ionosphere

The double-sunspot-cycle variation in terrestrial magnetic activity has been well known for about 30 years. In 1990 we examined and compared the low-solar-activity (LSA) part of two consecutive cycles and predicted from this database and from published results the existence of a double-sunspot-cycle variation in total electron content (TEC) of the ionosphere too. This is restricted to noontime when the semi-annual component is well developed. Since 1995 we have had enough data for the statistical processing for high-solar-activity (HSA) conditions of two successive solar cycles. The results confirm the LSA findings. The annual variation of TEC shows a change from an autumn maximum in cycle 21 to a spring maximum during the next solar cycle. Similar to the aa indices for geomagnetic activity the TEC data show a phase change in the 1-year component of the Fourier transform of the annual variation. Additionally we found the same behaviour in the F-layer peak electron density (N_max) over four solar cycles. This indicates that there exists a double-sunspot-cycle variation in the F-layer ionization over Europe too. It is very likely coupled with the 22-year cycle in geomagnetic activity.     

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.     

Observations on the variability and screening effect of Sporadic-E

Sporadic-E is a problem in high latitude HF communications because of its irregular and as yet unpredictable behaviour. This paper characterises the change in E-layer critical frequency (f_oE) that occurs in the four hours following a storm sudden commencement (SSC) event which is a precursor to magnetospheric storms which adversely affect ionospheric communications.Following checks for any seasonal or solar activity dependency in the data, further analysis determines the occurrence of full blanketing (screening) Sporadic-E layer formation at high latitudes as seen on vertical ionosondes in Northern Finland (67° Latitude). An appropriate threshold value of f_oE is proposed that could be used following the commencement of ionospheric storms, indicating that there is a high probability that F-layer screening will occur. As far as the authors are aware this is the first statistical analysis of the onset of Sporadic-E following SSC.     

Comparison of satellite measurements of the low-latitude nighttime upper ionosphere with IRI

In this paper, we report the results of our comparison study between satellite measurements and the International Reference Ionosphere (IRI) model on the seasonal and longitudinal changes of the low-latitude nighttime topside ionosphere during the period of solar maximum from June 2000 to July 2001. Satellite measurements were made by KOMPSAT-1 and DMSP F15 at 685 km altitude and 840 km altitude, respectively. The results show that the IRI2001 model gives reasonable density estimations for the summer hemisphere and the March equinox at both altitudes. However, the observed wintertime densities are smaller than the predictions of the IRI2001 model, especially at a higher (840 km) altitude, manifesting strong hemispheric asymmetries. The observed electron temperatures generally reside between the two estimations of IRI2001, one based on the Aeros–ISIS data and the other based on Intercosmos, and the latter estimation better represents the observations. With more or less monotonic increase with latitude, the temperature profiles of the IRI2001 model do not predict the enhancement seen around 15° magnetic latitude of the winter hemisphere. Longitudinal variation, probably caused by the zonal winds, is seen in all seasons at both altitudes, while the IRI2001 model does not show a large variation. The observed density and temperature show significant changes according to the F10.7 values in the whole low-latitude region from 40°S to 40°N geomagnetic latitude. The effect is manifested as increases in the density and temperature, but not in the hemispheric asymmetry or in the longitudinal variation.     

Auroral glow equatorward from the auroral oval

On the basis of observations for the IGY period (visoplots) it is shown, that during magnetic storms diffuse glow is detected at all latitudes between the lowest latitude of the visually observed auroral glow at the zenith and the auroral oval. The diffuse glow region spatially coincides with the region of soft electron precipitation extending equatorward from the boundary of the oval to the latitude of the plasmopause projections along the magnetic force lines to the ionosphere. Using published materials on the diffuse glow dynamics and SAR arcs at the Yakutsk meridian, as well as simultaneous measurements of the DMSP F9 satellite, we discuss the contribution from low-energy electron precipitation transfered via convection toward Earth from the magnetosphere’s plasma sheet to excitation of 630.0 nm emission in low-intensity (<1.0 kR) SAR arcs.     

磁层亚暴期间高纬地区三维电流体系

确定亚暴期间高纬地区的三维电流体系是磁层和电离层物理的基本问题之一,本文简述了近年来发展的根据地面地磁活动的记录及演三维电流体系的两种较新的方法:KRM（Kamide-Richmond-Matsushita）方法和K（Kisabeth）方法.在KRM方法和许多其它类似的计算中,都假定磁力线是垂直于电离层沿地球径向的直线.本文介绍了一种递推方法,可计算场向电流沿弯曲的偶极子场线流动的情况。同时,还介绍了高纬三维电流体系对亚暴期间中低纬度地磁扰动的贡献。最后介绍了在计算电流体系时所需的电离层电导率模式。     

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.