强磁暴、能量粒子暴与热层大气密度涨落之间的相关关系

利用1997-2007年由GOES8, GOES11和GOES12星载高能粒子探测器在地球同步轨道高度上所探测到的高能质子和高能电子通量探测数据以及高度560km左右星载大气密度探测器所得的热层大气密度探测数据, 统计分析了强地磁扰动、高能粒子通量跃变和热层大气密度涨落之间的相关关系, 初步获得强地磁扰动期间, 地球同步轨道(外辐射带外环)均出现了增幅大于三个数量级的高能质子通量(尤其是E>1MeV)强增强现象, 随后热 层大气密度强烈上涨, 表明三者之间是正相关关系. 在时间上地球同步轨道高能质子通量强增强现象先于日均Ap值(地磁活动程度)上涨约一天左右, 而热层大气密度强涨落现象又明显滞后于强地磁扰动事件.      

"神舟3号"运行高度上大气密度的变化

"神舟3号"(SZ-3)大气密度探测器搭载在SZ-3留轨舱上于2002年3月发射入轨,在轨运行期间获得了轨道舱运行高度范围(330-410km)内的大气密度数据.数据分析表明,无明显太阳和地磁扰动时,热层大气密度的主要变化之一是日照和阴影区域之间的涨落变化,最大涨落变化比约为3.0,变化比与太阳和地磁活动程度有关.在2002-04-17和2002-04-19的强地磁扰动时,全球热层大气密度上涨,同时在磁扰峰期探测获得30°N-40°N区域出现密度扰动异常现象.对强地磁扰动在运行轨道高度上大气密度最大涨幅约为60%左右,响应过程在时间上要比地磁扰动过程滞后6-7h,日照和阴影区域中大气密度的响应变化程度明显不同.在太阳活动程度发生变化时,热层大气密度会呈现出明显的正相关变化关系.     

550～600 km高度上热层大气密度的中长期变化

选用了2005年8月20日至2006年7月28日高度550～600 km附近的热层大气密度探测数据,对表征太阳活动的F10.7值和表征地磁活动强度的Ap指数进行了相关特性的统计.分析结果表明,在无明显地磁扰动时热层大气密度日平均值的涨落呈现27日和准半年的周期性变化,但在地磁扰动期间这种变化的周期性会被削弱,且大气密度的周日变化幅度与F10.7值呈正相关关系.      

太阳活动与热层大气密度的相关性研究

为分析太阳活动对热层大气的影响,使用250km,400km,550km高度处热层大气密度与太阳F_10.7指数数据,研究了二者的周期变化及相关关系. 结果表明,热层大气密度的变化与太阳活动呈现相似的变化趋势;两者均具有显著的27天及11年周期变化特征,热层大气密度还存在7～11天及0.5年和1年的变化特征,且高度越高越明显;热层大气密度对太阳活动的最佳响应滞后为3天,无论何种地磁活动水平下,400km高度处相关性高于250km,550km处相关性最小,且太阳活动下降相期间高于上升相;250km,400km和550km高度处热层大气密度和太阳活动的统计结果分别为饱和、线性和放大关系;高度越高的热层大气密度对太阳活动响应越敏感.      

"神舟二号"大气密度探测器的探测结果Ⅱ.在太阳和地磁扰动期间高层大气密度的变化

选用了Sz—2大气密度探测器在2001年2—4月间的探测数据,进行日照和阴影区域热层大气密度对太阳和地磁活动程度的响应变化的探讨．结果表明,日照区大气密度峰值主要随F10.7值而变,在地磁扰动期间,阴影区大气密度对扰动的响应更明显,通常响应变化开始于高纬度地区,然后向低纬度地区推移．     

2007-2009谷年期间高热层大气密度的变化

在第23至第24太阳活动周的峰年之间,太阳活动谷年具有持续时间长,极低F_10.7太阳辐射通量（低至65）和超长期的零太阳黑子数记录等特点,因此是观测和研究在这种特殊背景下热层大气变化的极好机会.尤其是能充分理解和掌握在宁静环境下热层大气密度对弱太阳活动和小地磁扰动的响应特性.本文利用高度650 km以上星载大气密度探测器2007—2009年的连续探测数据进行分析,结果表明,在太阳辐射通量F_10.7极低值期间,较高热层大气密度对F_10.7的起伏具有更显著的响应变化.当F_10.7由70降至65时,日均大气密度会有4～5倍的显著降变,远大于通常大气模式中的降变值.同样在F_10.7极低值期间,较高热层大气密度对小地磁扰动也具有显著的响应增变,当日K_p指数之和由23增至30时,较高热层大气密度则会有80%～160%的强增变.     

强地震活动事件期间热层大气密度异常变化的探测结果

地震活动一直是人类非常关注的自然灾害事件, 其对热层大气密度的影响还不是非常清楚. 2008年5月12日中国四川汶川发生震级8.0级强震事件, 随后, 在6月14日日本本州东部, 7月5日鄂霍次克海和7月19日日本本州东海岸发生震级7.0~7.6级强震事件, 利用期间中国星载大气密度探测器在630 km高度上就位探测的热层大气密度对探测结果进行综合分析, 结果表明, 强地震震源中心区域上空附近热层大气密度出现异常降变. 在时间上, 强地震发生前1~3天内就已开始出现大气密度降变, 强地震发生日附近降变达到谷值, 降变比达0.40~0.65. 这种降变的纬度区域范围震前位于强震中心所处纬度的±3o~±9o, 强震发生当日扩大到±8o~±20o.      

神舟4号大气成分探测的新结果

神舟4号(SZ-4)大气成分探测器搭载在SZ-4留轨舱上于2002年12月30日发射入轨，在在轨运行的前3个多月中，正值地球南半球处于夏半球季节，并发生了多次中低强度的地磁扰动事件，SZ-4大气成分探测器测得了轨道舱运行高度上(330-362km附近)大气成分的响应变化和异常现象新结果．探测数据表明，中低强度的地磁扰动事件也能引起热层大气中主要成分O和N2的数密度值增高的响应变化．同样在进入地磁扰动峰期后较高纬度处出现了N2的异常增变和O的异常降变以及大气密度异常扰动的现象，但此期间所出现异常现象的地域与SZ-3和SZ-2大气成分探测器探测结果相反，它仅位于南半球较高纬度地区．     

神舟2号大气密度探测器的探测结果(Ⅰ)日照和阴影区域热层大气密度变化

选用了神舟2号（SZ-2）大气密度探测器在2001年2—4月间的探测数据,进行日照和阴影区域热层大气密度变化的探讨.结果表明:在高度410km附近,日照和阴影区域大气密度变幅为2—3倍,变幅的大小与地磁活动程度呈负相关关系.日照面大气密度峰区位于星下点地方时1400—1500LT的纬度处,峰值大小与太阳活动程度呈正相关关系.阴影面大气密度谷区位于星下点地方时0400-0500的纬度处,同时在±10°纬度区域中还出现了阴影面峰区.     

暴时极光区热层大气焦耳加热与F区电离耗空的EISCAT雷达观测

利用ＥＩＳＣＡＴ雷达探测数据，分析计算了太阳活动高年夏季发生的一次强磁暴期间，极光区电离层对流电场、电导率以及焦耳加热速率等着重考察了Ｅ区热怪大气焦耳加热和Ｆ区离子摩擦增温与Ｆ区电子密度耗空的关系发现在下午东向极光电集流期间，电子密度最大耗空出现在Ｆ区３００－３２５ｋｍ高度，时间恰在积分的Ｅ区大气焦耳加热量大值和Ｆ区最大离子增温之后５－１０ｍｉｎ，耗空率达７０％。     

不同强度磁暴期间热层大气密度响应特征分析

利用CHAMP卫星数据，对2002-2008年12个不同强度磁暴事件期间的热层大气密度变化特征进行分析，并研究对应磁暴期间大气模式NRLMSISE-00分布特征.结果表明，大磁暴期间日侧大气密度峰值从高纬到低纬的时间延迟为2h，中小磁暴期间的延迟时间为3～4h；春秋季暴时大气密度分布基本呈南北对称分布，而夏冬季大气密度的分布是夏半球大于冬半球，春秋季暴时大气密度大于夏冬季；NRLMSISE-00大气模式得到的热层大气密度很好的体现了半球分布以及季节分布的特征，但模式模拟结果偏小；Dst指数峰值比ap指数峰值更能反应大气密度的变化情况.      

2005年8月24日强磁暴事件对高层大气密度的扰动

对2005年8月24日发生的突发型强磁暴(Kp峰值达到9)事件,利用星载大气密度探测器在轨实时的连续探测数据进行了处理和分析.结果表明,此次强磁暴事件期间,引起560 km高度附近大气密度剧烈扰动,并存在着两种响应过程.一种是跟随地磁扰动程度变化的全球性大气密度涨落变化,响应时间滞后6h左右, 最大涨落变化比为2.5;另一种为磁暴峰期出现在高纬地区的大气密度突发性跃增,增变比高达5.5.后者存在着区域上的不对称性及时间上的突发性和增幅的差异.此次强磁暴峰期还同时出现了南北半球高纬地区的大气密度跃增双峰.同时还表明这种增变峰可能存在着由高纬向低纬地区迅速推移的现象,在中纬地区推移速度可达15°/h(纬度)左右.      

SZ-5 Cabin's Height Changes during Three Super-storms in 2003

In this work, the daily height variations of SZ-5 (Shenzhou-5) cabin from 22 October to 28 November in 2003 are analyzed, which includes the period of the Halloween Storm and the Great November Storm. The significant orbital decays have been observed at the end of October and in late November due to the great solar flares and the severe geomagnetic storms. According to the equation of the air-drag-force on a spacecraft and the SZ-5 orbital decay information, the relative daily average thermospheric density changes during the three 2003 super-storms are derived and the results are compared with the Naval Research Laboratory Mass Spectrometer Incoherent Scatter Radar Extended Model (NRLMSISE-00). The results show that the daily average thermospheric density (at the altitude of SZ-5, about 350 km) in storm time enhances to approximately 200% as much as that in the quiet time but the empirical model may somewhat underestimate the average thermospheric density changes and the daily contributions of geomagnetic storms to the density enhancements during these severe space weather events.      

基于实时观测数据的大气密度模式修正

针对国际大气密度模式NRLMSISE-00, 以中国神舟飞船探测数据为基础, 提出一种基于实时大气密度观测数据的模式修正方法. 通过计算分析模式计算结果与探测数据的误差分布特征, 针对地磁相对平静期(Ap≤ 30)模式计算的误差特点, 建立了一种平均误差修正方法, 即认为在相对平静期, 在相同纬度和地方时, 模式误差基本相同, 某一时刻模式预测误差可以近似用与其相同纬度和地方时的平均误差来替代, 从而对模式预测结果进行修正. 以神舟4号探测数据为基础, 通过对模式预测结果采用两种方式进行修正, 可以看到模式误差得到了一定的改善. 采用误差库累积准实时修正, 修正后的误差由原来的20 %降至6 %; 采用误差库5天滑动预报修正后, 模式提前1, 2, 3天的预测误差由原来的20 %分别降至7.8 %, 9.4 %和10.5%.      

磁暴期间中纬度电离层剖面结构变化的数值模拟

利用电离层理论模型模拟了磁暴期间热层大气温度、成分、中性风和电场扰动对电离层电子密度剖面结构，特别是峰值密度和峰值高度变化的影响，结果表明，热层大气温度变化所引起光化反应系数的改变对电离层剖面结构影响不大；热层大气成分特别是Ｎ２／Ｏ的变化能有效地引起密度剖面变化，Ｎ２增加足以使峰值密度产生所观测到的负相暴；由中性风和电场引起等离子体漂移是峰值高度ｈｍＦ２变化的主要原因，但对电子密度的影响不足以抵消     

全球电离层对2000年4月6-7日磁暴事件的响应

利用分布于全球的电离层台站的测高仪观测数据,对扰动期间,foF2值与其宁静期间参考值进行比较,研究了2000年4月6—7日磁暴期间全球不同区域电离层的响应形态,并通过对比磁扰期间NmF2的变化与由MSISR90经验模式估算的中性大气浓度比(no／nN2)的变化,探讨了本次事件期间的电离层暴扰动机制．结果表明,在磁暴主相和恢复相早期,出现了全球性的电离层F2层负相暴效应．最大负相暴效应出现在磁暴恢复相早期,即电离层暴恢复相开始时间滞后于磁暴恢复相开始时间．在磁暴恢复相后期,一些台站出现正相扰动．研究结果表明,本次事件期间的电离层暴主要是由磁暴活动而诱发的热层暴环流引起的．     

基于卫星加速度数据反演的热层大气密度与NRLMSISE-00模式结果的比较研究

利用CHAMP/STAR加速度数据反演的热层大气密度与NRLMSISE-00模式反演的热层大气密度进行比较, 结果表明, 热层大气密度在春秋季期间高于冬夏季, 并且太阳活动高年比低年更加显著; 日照面和阴影区大气密度的比值在低纬地区由太阳活动高年的4下降到太阳活动低年的2左右, 中纬地区大约由3变化到1.5, 高纬地区变化较小; NRLMSISE-00模式能够较好地模拟热层大气密度的变化趋势, 但是磁暴期间模式精度较差. 统计结果表明, 模式整体比反演结果偏高, 2002-2008年相对偏差分别为16.512%, 20.004%, 18.915%, 18.245%, 25.161%, 33.261%和41.980%; NRLMSISE-00模式在高纬地区的相对偏差为27.337%, 高于中低纬地区的24.047%; 模式在中等太阳活动水平相对偏差较为稳定, 基本在15%左右.      

强磁暴期间TIEGCM模式与CHAMP卫星热层大气密度的比较分析

利用NCAR-TIEGCM模式计算了2003年11月20—21日强磁暴期间410km高度上的大气密度,并与CHAMP/STAR加速度计反演数据进行对比和分析. 结果表明,模式结果能够准确反映磁暴期间大气密度的分布和变化情况,与实测结果在变化趋势和量级上具有较好的一致性,但在精细结构和数值大小上仍存在一定差异. 模式低估了磁暴期间大气密度的增幅,实测大气密度增幅高达250%～400%,而模式结果为100%～125%. 模式结果与实测数据的偏差在高纬地区高于低纬地区,日侧高于夜侧. 通过模式和实测数据的分析发现,磁暴期间大气密度扰动具有日夜侧和南北半球不对称性. 此外,模式能够准确反映磁暴期间大气密度扰动从高纬向低纬的传播以及大气密度对SYM-H指数响应的延迟特性.