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电离层暴及“行星际扰动—磁暴—电离层暴”的观测研究

李正  
【摘要】:电离层暴引起电离层分层混乱,常导致短波通讯中断,长波信号相位异常,严重干扰卫星通讯,影响导航精度,是危害极大的一种空间天气。对电离层暴和与之相联系的空间天气事件的研究,是整个空间天气学的一个重要领域。本文的研究分为三部分,主要研究内容和结果如下: 1.日球电流片(HCS)对于组织背景太阳风等离子体来说是一个重要的参考平面,对太阳扰动的传播及其地球物理效应具有重要的影响。我们利用2000年1月–2005年9月的141个行星际激波和与之相联系的日冕物质抛射(CME-IPS)事件,结合全球分布的8个电离层观测站的F2层临界频率(foF2)数据,研究了日球电流片(HCS)对CME-IPS所引发的电离层扰动的影响。统计结果表明,电离层负暴呈现出日球电流片的同异侧效应,即由同侧CME-IPS事件(在太阳源表面上地球投影位置和CME爆发源位于电流片同侧)引发的电离层负暴要远多于异侧CME-IPS事件(在太阳源表面上地球投影位置和CME爆发源位于电流片异侧)引发的电离层负暴,个数比率为128/46,对于由同异侧事件引发的大的电离层负暴,其个数比率高达41/14。另外,同侧事件引发的电离层负向扰动有强于异侧事件引发的电离层负向扰动的趋势。对于2000年4月4日同侧事件和2001年4月2日异侧事件的比较研究表明,在CME爆发源的初始条件很接近的情况下,同侧事件引发的磁暴和电离层负暴要强于异侧事件。我们的结果初步表明,日球电流片对CME-IPS存在“阻碍”作用,导致了异侧事件时行星际扰动能量注入极区的不足,从而进一步限制了电离层负暴的产生和发展。 2.扰动极值的预报是电离层暴预报中的一个重要方面,而现在的模型对极值的预报误差较大。我们利用86个CME-激波(CME-IPS)事件的WIND飞船的观察资料,结合地磁指数和Millstone Hill电离层台站数据,分析了在扰动事件期间“行星际–磁层–电离层”常用的几组参数(包括耦合函数)的极值之间的相关性。在此基础上,我们建立了一个预报模型,输入参数为时间加权的行星际磁场南北向分量Bz,第一步输出SYM-H_(min),第二步输出△foF2_(min)。之后,我们选取了1998年和2009年的25个CME-激波事件,对建立的模型进行了检验,将SYM-H_(min)和△foF2_(min)的预测值与观测值进行对比和误差分析。结果表明,所建立的模型能比较好的预报地磁扰动极值SYM-H_(min)和该台站的电离层负向扰动极值△foF2_(min)。 3.宁静和微小地磁扰动下的电离层暴在近几年引起了人们的关注,研究者们寻找原因来解释没有强大行星际驱动能量的情况下,是什么原因引发了强烈的电离层扰动。利用电离层垂测台站的观测数据(foF2)以及JPL GPS TEC的数据,结合WIND飞船的观测资料和地磁数据,我们对2000年6月23–25日微小地磁扰动条件下(SYM-H ?40 nT)发生的一次电离层暴事件进行了分析。通过对三个耦合函数Borovsky函数、Akasofu函数和Newell函数的计算值以及全球极区焦耳加热和粒子沉降能量的估算的分析,我们发现在IMF Bz没有持续较强南向的情况下,耦合函数和全球极区焦耳加热以及粒子沉降能量有一个持续约13个小时加强,正是这些能量的注入加强了了赤道向的中性风,从而进一步引发了北半球强烈的正暴和负暴效应;另一方面,由于南半球处于冬季,赤道向的中性风相对较弱,加上本次事件中极区能量注入并不强大,因此没有在南半球观测到明显而持续的电离层暴。而通过对比,我们认为此次事件中Newell函数比较好的反映了太阳风扰动能量向磁层的输运。


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