由磁层整体电场模型得到的场向电流分布

本文概述了用GEOS-2号卫星等实测资料所修正的Volland大尺度对流电场模型, 并用该模型来计算场向电流.文中给出了由势函数计算场向电流的表达式, 并对弱磁活动下的电流分布进行了计算.结果与Iijima和Potemra的观测较吻合.这说明修正后的Volland电场模型是合理的, 从而进一步肯定了由GEOS-2号的观测结果所导出的若干磁层动力学特性的可靠性.      

基于Cluster观测的磁尾场向电流在南北半球投影位置的分布

利用Cluster四颗卫星的磁场探测数据计算磁尾场向电流并投影到极区电离层,研究其投影位置在南北半球的分布规律,统计过程中去除了强磁暴（磁暴主相Dst<–100 nT）期间的场向电流事件。结果显示:磁尾场向电流事件在极区投影位置的纬度分布具有明显的南北半球不对称性,北半球为单峰结构,南半球为双峰结构。在北半球投影到较低纬度（<64°）的场向电流事件数目明显多于南半球,并且所能达到的最低纬度更低;在南半球投影到较高纬度（>74°）的场向电流事件数目明显多于北半球,并且所能达到的最高纬度更高。地磁平静条件下（|AL|<100 nT）,磁尾场向电流密度随磁地方时（MLT）呈递增趋势,这一结果与低高度卫星在极区对I区场向电流的探测结果符合很好。研究结果表明,磁尾场向电流投影位置的纬度分布呈现出明显的南北不对称性,这与南北半球磁尾场向电流的空间分布以及磁层中磁场结构具有密切关系。      

利用TIE-GCM模式计算电离层电流及夜间电离层磁场

电离层电流产生的磁场是地磁场卫星测绘时需要剔除的干扰源.利用电离层热层模式TIE-GCM计算电离层中的中性风、重力驱动和压强梯度等形成的电离层电流的全球分布,分析电流在特定位置产生的磁场及磁场三分量随纬度的变化规律.结果表明,E层尤其是磁赤道和极区的电流密度较大,可达103nA·m-2量级,F层电流密度量级约为10nA·m-2.在磁静日（Kp≤ 1）夜间22:00LT-04:00LT,电离层电流在中低纬度（南北纬50°之间）产生的磁场量级为几个nT,且磁场的南北向分量和径向分量基本大于东西向分量.通过与CHAMP卫星磁测数据分析比较,发现TIE-GCM模式计算电离层干扰磁场在中低纬度可以取得较好的结果,但在高纬度地区的效果不理想,还需进一步改进模式以提高计算精度.      

用场向电流的观测结果研究高纬电离层电场

本文从Triad卫星观测到的场向电流日变化的统计结果出发, 利用场向电流日变化的付里叶级数展开和简单模式法分别求出电导率均匀时和极光带电导率增强时高纬电离层电位的分析解.结果表明, 电场集中在极光区是由2区场向电流引起的.在本文所用的场向电流分布形式下, 加上Pederson电导率的升高。极光区Hall电导率的增大反而有助于电场向中纬穿透.|AL|≥100γ时, 场向电流分布对对流圈位置西向旋转起一定作用, 但极光带Hall电导率的变化是造成大角度旋转的主要原因.Perdson电导率的增大, 对旋转角无影响.结果还表明, 在不考虑电导率日夜不均匀时, 由于场向电流复杂的日变化, 也可出现对流圈的晨昏不对称性.以上的电场分布形态, 与观测的电场形态基本相符。      

电导率分布、对流电场转向区与场向电流形态(模式分析)

本文利用一些简单模式讨论对流转向区形态、电离层电导率的分布变化对场向电流形态的影响。结果表明,一区场向电流是最基本的,与对流转向区直接相联。二区场向电流的产生不仅与对流电场的屏蔽相联,也与电导率变化有关。电导率的变化还可产生一区电流高纬侧的零区电流和二区电流低纬侧的反向电流。此外,剪切转向区和旋转转向区所对应的场向电流分布也有所不同。本文结果有助于理解观测的场向电流之复杂形态,也可以解释同样的行星际磁场状况下,场向电流的不同变化。      

用STARE-TRIAD联合观测对磁层-电离层不完全耦合的实例研究

本文用STARE-TRIAD联合观测的一个实例研究磁层-电离层不完全耦合现象.实例中观测的电场、场向电流和推出的Pederson电导率在Harang不连续区的分布与用Kan-Lee磁层-电离层不完全耦合理论的预测值符合得很好.这支持了该理论所说的在电等位U-位形低纬侧有S-位形存在以及与之相应的电离层电导率的第二增强区和电场凹陷区等现象.STARE的其他观测事实说明这些现象具有一定的普遍意义.      

火星空间大尺度电流体系分布特征

在MHD模型基础上, 对火星空间环境的电流分布进行了模拟. 结果表明, 火星空间存在着弓激波电流、磁堆积区电流、电离层电流和磁尾电流. 弓激波电流在激波曲面上均由北向南自成体系, 电流密度在弓激波顶区域较大. 在向阳面磁堆积区边界电流与电离层电流彼此耦合形成完整的回路, 在背阳面磁堆积区边界电流与磁尾中心电流片耦合形成完整的回路.      

场向电流随亚暴位相的变化

利用ISEE1和2卫星测量的磁场数据,计算了电离层中的场向电流。依据每个场向电流事件所伴随的亚暴位相,分别计算了一区和二区场向电流强度、密度及电流片厚度在亚暴成长相、膨胀相和恢复相的平均值及中间值。其结果,从成长相到膨胀相,一区和二区场向电流的强度和密度增加,从膨胀相到恢复相,其值减小。平均说来,一区的电流强度约是二区的1.4倍。电流片厚度的变化在上述期间内与电流强度及密度的变化趋势相反。      

电离层等效电流体系对行星际激波的响应研究

行星际激波是导致地球磁层-电离层系统发生扰动的重要原因之一,其可以通过对磁层-电离层系统电流体系的改变来影响地磁变化.本文采用全球三维磁流体力学数值模拟方法,分析了行星际激波作用下电离层等效电流体系的即时响应.模拟结果表明,在激波作用下伴随着异常场向电流对的产生,电离层在午前午后出现一对反向的等效电流涡.这对涡旋一边向极侧和夜侧运动,一边经历强度增强和减弱直至消失的过程.激波过后等效电流体系图像逐渐演化为激波下游行星际条件控制的典型图像.这个响应过程与行星际激波强度有关,激波强度越强,则反向的等效电流涡旋强度越大,寿命也就越短.      

晨昏电场对磁亚暴触发的影响

本文讨论了晨昏电场存在时磁尾等离子体片内撕裂模不稳定性的激发和增长问题。得到的结果可以用来解释晨昏电场对磁亚暴的触发以及加快等离子体片贮存能量的耗散等现象。我们推导了存在电场漂移时的撕裂模方程,并在均匀电流片模型下求解了该方程的解析解。结果表明触发不稳定性所允许的临界电流片宽度与电场大小近似成正比,这表明考虑晨昏电场效应后磁亚暴更易被激发。此外对于厚度相同的电流片来说,长波撕裂模的增长率也随晨昏电场的加强而增大。      

Controlling factors of Region 2 field-aligned current and its relationship to the ring current: Model results

One essential component of magnetosphere and ionosphere coupling is the closure of the ring current through Region 2 field-aligned current (FAC). Using the Comprehensive Ring Current Model (CRCM), which includes magnetosphere and ionosphere coupling by solving the kinetic equation of ring current particles and the closure of the electric currents between the two regions, we have investigated the effects of high latitude potential, ionospheric conductivity, plasma sheet density and different magnetic field models on the development of Region 2 field-aligned currents, and the relationship between R2 FACs and the ring current. It is shown that an increase in high latitude potential, ionospheric conductivity or plasma sheet density generally results in an increase in Region 2 FACs’ intensity, but R2 FACs display different local time and latitudinal distributions for changes in each parameter due to the different mechanisms involved. Our simulation results show that the magnetic field configuration of the inner magnetosphere is also an important factor in the development of Region 2 field-aligned current. More numerical experiments and observational results are needed in further our understanding of the complex relationship of the two current systems.     

雷暴充电对大气电位的影响

本文在指数导电率大气中,在给定电离层电位情况下,考虑雷暴充电电流源以后,解析地求解了稳态电流守恒方程,获得了大气电位分布的解析表达式.考察这一表达式可以看到,雷暴充电对大气电位的影响和电离层电位对大气电位的影响主要都是垂直地起作用的.从观测到的雷暴充电电流密度的数值以及其他性质出发,利用本文得到的解析表达式进行计算可看到,雷暴充电作用能够使电层高度上的电位上升到由观测所推出的电层电位应具有的数值.数例结果还表明,电离层电位能通过对雷暴上空电层电位值的显著影响而对晴天区低层大气电状态发生作用.      

On the effect of near-equatorial thunderstorms on the global distribution of ionospheric potential

We develop our earlier attempts to perform an indirect quantitative examination of the hypothesis that electric currents flowing up from thunderstorms to the ionosphere (also known as Wilson currents) charge the ionosphere to a large positive potential with respect to the Earth. First, we take the electrostatic potential arising from the interaction of the solar wind with the Earth’s magnetosphere derived from an experimental data-based model of the high-latitude field-aligned currents. We then obtain the global distribution of ionospheric potential, utilizing a thin shell model, based on integration along field lines of the current continuity equation with a realistic model of ionospheric conductivity. Next, we include additional upward currents to simulate the effect of the three main thunderstorm regions over equatorial Asia/Oceania, Africa and the Americas. We compare the local time variation of the eastward electric field in the ionosphere produced by these three equatorial sources separately, and seek to understand the substantial differences between them. Finally, we examine the variation with local time of the eastward electric field in the ionosphere at low latitudes.     

电离层电场对环电流变化响应的时延

本文讨论了强磁暴期间磁层环电流能量变化率与电离层电场变化之间的联系.STARE和SABRE雷达资料表明,电离层对环电流变化响应的主要特点是:(1)在磁地方时午后区,响应的时延达最大(约1—2小时),场强以指数形式增加;在其它时区内,无系统的增强过程,仅观测到较大的、有明显涨落的电场值.(2)STARE(70.2°N)和SABRE(65.8°N)测到的电场变化往往具有相反的趋势.(3)在STARE视场内,环电流能量变化达极大后,较低纬(70.2°N)上的电场值经常大于较高纬(71.8°N)上的值.分析结果表明,磁暴期间磁层-电离层耦合过程中,环电流起着重要作用.      

Statistical average estimates of high latitude field-aligned currents from the STARE and SABRE coherent VHF radar systems

Two bistatic VHF radar systems, STARE and SABRE, have been employed to estimate ionospheric electric fields in the geomagnetic latitude range 61.1 – 69.3° (geographic latitude range 63.8 – 72.6°) over northern Scandinavia. 173 days of good backscatter from all four radars have been analysed during the period 1982 to 1986, from which the average ionospheric divergence electric field versus latitude and time is calculated. The average magnetic field-aligned currents are computed using an AE-dependent empirical model of the ionospheric conductance. Statistical Birkeland current estimates are presented for high and low values of the Kp and AE indices as well as positive and negative orientations of the IMF B_z component. The results compare very favourably to other ground-based and satellite measurements.     

Low-latitude storm time ionospheric predictions using support vector machines

The electromagnetic drift plays an important role in low-latitude storm time ionospheric dynamics. In this study we attempt to utilize the electric field data into ionospheric predictions by using support vector machine (SVM), a promising algorithm for small-sample nonlinear regressions. Taking the disturbance electric field data as input, different SVMs have been trained for three seasonal bins at two stations near the north crest of the Equatorial Ionization Anomaly (EIA). Eighteen storm events are used to check out their predicting abilities. The results show fairly good agreement between the predictions and observations. Compared with STORM, a widely used empirical correlation model, the SVM method brings a relative improvement of 23% for these testing events. Based on this study we argue that the SVM method can improve the storm time ionospheric predictions.     

Klobuchar电离层模型误差分析及预测

电离层延迟误差是全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)中的重要误差源之一.目前在电离层延迟改正模型中,应用最广泛的是Klobuchar参数模型,但是该模型的改正率仅能达到60％左右,无法满足日益增长的精度需求.将国际GNSS监测评估系统(internation...     

1958年7月8日磁暴的电离层响应

本文用遍布全球的52个电离层垂测台站资料,研究1958年7月8日磁暴期间全球电离层扰动的发展变化;各扇区的响应特性;扰动的传播轨迹及速度等。获得以下结果:1.几大扇区的电离层扰动始于南北两极,美洲扇区除具这一特征外,其赤道地区在磁暴急始后不久,出现一个扰动中心,邻近区域的扰动受其控制。2.扰动由高纬向低纬发展,由扰动中心向外传播。3.扰动峰面几乎与地磁力线垂直,即扰动沿磁力线方向发展,其传播速度大约在150—600m/s范围。     

电离层电场半年变化的模拟研究

利用一个中低纬电离层电场理论模式，模拟太阳活动低年、地磁活动平静情况下，中低纬地区电离层电场全年的变化情况．结果显示，单独计算南、北半球(去耦合)得到电离层电场具有明显的周年变化特征，且两个半球电场的相位相差半年左右．而同时计算南、北半球(计及耦合)时，电场则是以半年变化为主，且这种半年变化的幅度和相位随地方时和地磁纬度有变化．提出一个南、北半球耦合电路的简单物理模型给予解释．电路模型初步计算发现，即使两个半球电离层电场分别具有周年变化，只要它们变化的幅度相当，相位相差半年左右，由于跨越南北半球磁力线的耦合效果，耦合的电离层电场会产生明显的半年变化分量．由于缺少连续的电离层电场观测资料，将模拟结果与Richmond基于非相干散射雷达数据建立的经验模式(ISR Model)相比较，结果符合较好．     

Importance of electric field measurement over low latitudes at stratospheric heights by balloons

The vertical field in the stratosphere around 35 km is predominantly of atmospheric origin whereas the horizontal electric field at these altitude is mainly of ionospheric origin. The electrical coupling between ionosphere and atmosphere is not known for low latitudes. Balloon borne electric field measurements are planned from Hyderabad, India (geographic latitude 17.5° N) to understand this coupling. Measurement of stratospheric electric fields are also important from the point of view of the sun-weather relationship. It si suggested that the balloon borne electric field measurements are important to understand the electrodynamics of the middle atmosphere.