欧洲上空电离层峰值电子密度逐日变化的相关性研究

【摘要】： 电离层与其上面和下面的区域都有着密切的相互耦合和相互作用。它下面的区域是密集的中性大气,自身被对流层的气候与天气所调制;而在其上边界,磁层里面复杂的等离子体过程,及磁层和太阳风磁场的耦合所激励,产生了一个具有高度可变的能量粒子与电动力学能量输入的分界面。如此电离层的“上下耦合”过程,不仅决定了电离层形态结构的规则变化,同时也带来了极为复杂的电离层的随机变化,其时间尺度跨越很大。逐日变化就是其中最具有典型意义的一种随机变化,其时间尺度通常为一到数日。已经确信它的主要来源有太阳电离辐射、太阳风和地磁活动、近地中性大气扰动、地震活动以及电动力学过程等。 本文着重研究电离层逐日变化的统计相关特性。采用了来自欧洲22个台站的电离层F_2层峰值电子密度NmF_2,分析了其逐日变化分量的方差σ和相关距离L,着重研究了σ和L的周日变化、季节变化、以及其随太阳活动和地磁活动的变化行为。我们首先计算出所有时间,所有台站峰值电子密度NmF_2,步长为一天的绝对增量⊿ NmF_2和相对增量RNmF_2 ,然后分别用两个指数函数和,来拟合任意两个台站逐日变化的协方差Cov随站间距离d的变化,由此估算出逐日变化的方差σ_Δ和σ_R,及相关距离L_Δ和L_R,并把它作为平均情况。然后,我们把数据按照可能引起电离层逐日变化的主要因素的参数(来源参数)进行分组,详细研究了方差和相关距离在不同的地磁活动(平静和扰动),不同的太阳活动(低、中和高)及不同的季节(春季、夏季、秋季和冬季)下,随地方时的周日变化情况。 本文的主要研究结果如下: ⒈不同的来源参数分组下,方差和相关距离的变化形态都与其平均情形类似。一般来说,σΔ白天大晚上小,极大值出现在10:00或11:00,极小值出现在04:00或05:00;σR白天小晚上大,极大值出现在01:00,极小值出现在16:00或17:00;L_Δ和L_R均是白天大晚上小,极大值出现在06:00或07:00,极小值出现在01:00。 ⒉方差和相关距离均随地磁活动的增强而增加,即在地磁平静时低于平均值,在地磁扰动时高于平均值。且这种随地磁活动的增加对σ_Δ来说,白天比晚上更加显著;对σ_R来说,基本不随地方时变化;对L_Δ和L_R来说,在日出时最为显著。 ⒊方差和相关距离均随太阳活动的增强而增加,即太阳活动水平低时低于平均值;太阳活动水平高或中时高于平均值。且这种随太阳活动的增加对于方差来说,在10:00时最为显著;对于相关距离来说,在日出时最为显著。 ⒋方差和相关距离随季节的变化也十分明显。对σ_Δ来说,白天时,春季和秋季最大,冬季最小;晚上时,夏季最大,冬季最小,春秋两季差异不大。对σ_R来说,白天时,春季和秋季最大,冬季最小;晚上时,冬季最大,夏季最小,春秋季节差异不大。对于相关距离来说,夏季最大,冬季最小。且春季和秋季,相关距离在日出时有一个非常显著的增加。 ⒌在子夜前后,方差随太阳活动的变化不大,而相关距离随地磁活动、太阳活动和季节的变化都不大。 根据以上结果,我们认为:⑴太阳电离辐射对电离层逐日变化的影响是大尺度的,并在白天和太阳活动高年大于晚上和太阳活动低年;⑵地磁活动的影响也是大尺度的,并在地磁扰动时大于地磁平静时;⑶气象活动的影响是相对小尺度的,且逐日变化具有季节变化。本文从相关尺度分析的角度,证实了电离层逐日变化来源于地磁活动、太阳电离辐射和气象活动的因素的论断。