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极区电离层F层特性的南北极对比研究

朱爱琴  
【摘要】: 极区电离层强烈地受到极区对流电场、极光粒子沉降和场向电流等的影响。通过这些驱动过程,来自太阳风和磁层的能量沉积在极区电离层中,直接改变极区电离层的状态;或通过与中性大气的耦合,改变全球中性大气风场和中性大气成份,影响到全球电离层。而电离层与远距离通讯、导航等人类活动紧密相关。开展极区电离层研究具有重要的科学意义和潜在的应用价值。 人们已经观测到丰富的极区电离层物理现象。对这些物理现象的解释,比如极隙区软电子沉降电离在TOI结构形成中的贡献大小、等离子体云块的形成机制、暴时极区电离层受不同磁层驱动过程影响的相对大小,以及中性大气变化在其中所起的作用等,都是未能完全解决的问题。 空间等离子体受地球磁场的控制和影响。由于南北两极磁场位形的相似性,两极电离层的不同表现,可能通过相同的物理机制加以解释。由于太阳风与磁层相互作用的南北极不对称性,在极区电离层中的踪迹所表现出来的差异可能为我们弄清电离层中的基本物理过程提供帮助。 本文以中山站数字式电离层测高仪数据为基础,联合分析与中山站具有相同地磁纬度并构成地磁共轭的Svalbard站,和与中山站具有相同地理纬度,几乎位于同一磁经度子午面的Tromso站测高仪探测数据,结合数值模拟和理论分析,研究了极区冬季F层电离层气候学特征的形成机理,分别考虑了极光粒子沉降和对流电场对极区电离层的影响。对不同地磁活动条件下南极中山站电离层变化特性进行了初步统计分析。论文的主要研究结果如下: 1、光致电离、极区对流电场和极光沉降粒子电离共同作用的不同使得中山站和Tromso站foF2日变化形态上出现差异。中山站通常处于极隙区纬度,其foF2日变化主峰靠近磁中午,主要是日侧等离子体与极区对流相互作用的结果,此时日侧极隙区软电子沉降也会对foF2产生影响。Tromso站在日侧通常处于亚极光区纬度,由于日侧等离子体与极区对流相互作用较弱,foF2日变化主峰在地方时中午形成,此时F层电子浓度主要由太阳天顶角决定。 2、中山站与Tromso站F层电离层均受到极光沉降粒子电离的影响。由于中山站地磁纬度较高,该站F层受极光带电离作用主要分别发生在MLT晨侧和傍晚侧,在MLT子夜附近处于极盖区,电子浓度较低。Tromso站地磁纬度相当于夜侧极光带中心位置,因而在MLT子夜前后受到极光沉降粒子电离的作用明显。极光沉降粒子电离在太阳活动低年对中山站foF2日变化形态影响显著。 3、中山站与Tromso站foF2随太阳活动的增强而整体变大。中山站在太阳活动高年随太阳辐射流量F10.7的增大,极区背景foF2增大,造成foF2日变化次峰不明显。 4、Svalbard站与中山站虽然地磁纬度相当,但由于地磁极偏离地理极方向相反,南极TOI结构的形成与北极相差约12小时。因此与南极中山站不同,Svalbard站foF2日变化主峰不出现在磁中午附近,但此时光致电离较弱,极隙区软电子电离作用相对明显。 5、不同AE条件下中山站foF2日变化特性存在较大差别。AE指数大的情况下中山站foF2月中值日变化峰值比AE指数小的情况下的偏小,中山站“磁中午异常”现象明显。


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