上行离子源区卫星探测的轨道需求分析

极区从电离层到磁层的上行粒子流探测研究是空间天气建模中的重要问题,其起源和加速机制是磁层-电离层-热层耦合小卫星星座计划的主要科学目标. 磁层-电离层-热层耦合小卫星星座计划拟定由两颗磁层星和两颗电离层/热层星组成星座对极区进行联合观测. 其中,上行粒子源区附近的就位探测是电离层-热层耦合机制研究的重点,也是电离层/热层星轨道设计的关键. 根据相关空间探测计划和卫星观测结果,通过比较圆轨道和椭圆轨道两种方案,确定电离层/热层星采用椭圆轨道.      

地球磁层极尖区场向电子事件期间能量特性研究

根据Cluster卫星2001年9月30日在北半球极尖区观测到的一次强扰动场向电子事件数据,分析研究了这次事件期间场向电子的能量特性,讨论了场向电子对太阳风能量向磁层的传输和磁层-电离层耦合过程中能量传输的作用.分析认为,这次电子扰动事件期间电子速度和密度都具有很强的扰动变化,电子速度增加是一个主要特点.本次事件中低能段5~200eV和500~1500eV内的能谱分析结果表明,上行电子通量大于下行电子通量,上行电子主要来源于电离层,说明电离层上行电子在本次事件中具有非常活跃的作用.根据电离层中带电粒子的能量特征分析结果可知,这次事件中电离层起源的上行电子在上行过程中得到了加速.关于加速机制问题还有待深入研究.      

大功率无线电波对高电离层的加热

根据动量方程、能量方程和电子的连续性方程，在偶极扩散的假设下，建立了地面入射的大功率无线电波加热高电离层的理论模型．作为应用，对以上方程组数值求解，计算了高电离层(150-400km)电子温度和电子密度随时间的变化．计算结果表明，对于一定参数的发射机，一定的吸收模型，电离层电子温度和密度均有明显的变化．我们发现，应用本文选取的加热参数，在电波反射点附近，电子温度有10％-25％的增加，电子密度有1％-2％左右的减少．电子温度达到稳态的时间要快于电子密度达到稳态的时间．最后，用本文的结果解释了电离层加热实验中的一些观测现象。     

利用COSMIC数据研究顶部电离层O+扩散流的统计特征

从等离子体运动方程出发, 利用COSMIC星座的掩星数据, 借助相关经验模式, 计算了太阳活动低年顶部电离层O+场向扩散速度和扩散通量, 并分析了其全球分布和日变化特征. 结果表明, 白天等离子体扩散速度的方向随高度增加由向下(极向)逐步变为向上(赤道向), 方向转变的高度一般在hmF2+80 km以下. 在白天较高高度, 南北磁纬10o ~20 o存在着向上方向的最大扩散速度和扩散通量; 而在夜间, 南北磁纬30o~40 o存在向下方向的最大扩散速度和扩散通量. 在分点, 南北半球的扩散通量和扩散速度大致对称; 而在至点, 扩散通量存在着明显的南北半球不对称现象. 另外, 不同纬度的扩散速度有着不同的日变化特征.      

电离层H2O释放扰动效应的数值模拟研究

为充分研究化学物质在电离层释放的扰动效应和后期发展效果,基于化学物质在电离层的扩散模型、化学反应和电离层扩展F的控制模型,通过电离层H₂O的释放,研究电子e,H₂O,O+和H₂O+共4种粒子的分布状态,分析点源、多源和线源释放对电离层的扰动效果,比较不同高度、不同量和不同时间释放的影响结果,模拟夜间释放后期所激发的扩展F发展差异.结果表明,H₂O在电离层释放后,能有效耗散背景电子形成空洞,O+和H₂O+数密度呈椭圆形分布;点源、多源和运动目标线源等不同释放方式对电离层的扰动效果不同,证实了人工影响一定形态和区域电离层的可能性;H₂O释放扰动幅度,低层大于高层,白天强于夜晚,释放量越多扰动越突出;夜间化学释放能激发扩展F,并且释放量越多,激发效果越好.      

大功率无线电波与低电离层的相互作用

地面入射的大功率无线电波能加热电离层等离子体，引起电离层电子温度和密度的扰动，实现电离层的地面人工变态．本文中，着重考虑电波和电离层相互作用过程中的自吸收，构造一个自治的相互作用模型，在一定功率和频率的加热电波作用下，利用该模型计算了白天低电离层电子温度和由温度的变化而引起的电子密度的变化．计算结果表明，在白天低电离层，电波的自吸收在90km以下比较显著，而最大温度变化在70km高度上，大约增加了2倍．在α复合的假设下，电子密度变化幅度随高度的增加而减少，在70km处，大约增加55％、120km处则为4％左右．     

极区顶部电离层离子上行的太阳活动依赖性研究

利用第23太阳活动周DMSP F12,F13和F15卫星数据,分别对南北半球极区顶部电离层离子上行的太阳活动依赖性进行了研究.结果表明,南北半球上行事件对太阳活动的响应特征基本一致,即高（低）太阳活动时,离子上行通量以及上行数密度较大（小）,但是上行速度及上行发生率较低（高）.以南半球高纬为例,计算得到离子上行通量、数密度、速度及发生率在高低太阳活动条件下的比值分别约为2.26,3.35,0.71,0.51.对离子上行太阳活动依赖性的可能原因进行了分析.不同太阳活动水平下,光致电离及高能粒子沉降的差异会导致电离层离子密度的不同,而电离层离子密度的变化会改变离子elax-elax中性大气之间的碰撞频率,这是影响离子上行发生率的一个重要原因.      

利用电离层参量推断电子浓度剖面的一种简单方法

由武汉电离层观象台实测的电离层F2层临界频率foF2、3000km传播因子M(3000)F2的月中值资料，统计分析分别得出它们的经验模式，模式结果能够较好地再现这些参数的观测值．利用foF2、M(3000)F2以及TEC的经验模式，获得F2层的峰值参数，输入到电子浓度的Chapman α函数中，推断出了电子浓度的高度剖面；将剖面在一定的高度范围内积分，得到该区域内的电子含量并与实际观测TEC相比较，结果表明，在100-1000km高度范围内积分的电子含量与观测结果能够较好的符合．     

南京地区斜向加热电离层效应数值模拟

与垂直加热相比,斜向加热电离层具有灵活性高、影响范围广和便于实际操作等优势.在非偏区考虑欧姆吸收,基于电子能量方程和连续性方程构建电波斜向加热低电离层的物理模型,并利用IRI-2007和NRLMSISE-00经验模型提供的背景参数对南京地区斜向加热低电离层进行数值模拟,对比不同加热条件下电子温度和电子密度的扰动情况.研究结果表明:电波加热效果随入射仰角和有效辐射功率的增大而增大;电子温度和电子密度增幅随电波频率增大而减小;X波模比O波模造成的电子温度扰动幅度和电子密度扰动幅度更大,同时X波模比O波模能更快地使电子温度和电子密度达到稳定状态;一定范围内较小仰角、较低频率、较大有效辐射功率的电波能使电子密度更快达到稳定,后两者还能加快电子温度达到稳定的过程;电子温度达到稳定所需时间随入射电波仰角呈单峰变化,仰角为62°时达到最大.      

基于一维模型的高频电波加热电离层F层数值研究

基于电离层一维仿真加热模型,详细介绍了模型中电子的动量方程、连续性方程、能量方程和各类参量表达式,利用对角矩阵追赶法数值求解电离层F层加热过程,分析了不同时次电子数密度和电子温度的变化,讨论了不同频率和不同功率电波加热的情形.结果表明:当高频电波加热高电离层时,电子温度迅速增加,并很快趋近于饱和状态;电子密度的变化较为迟缓,但在加热过程中其变化幅度却越来越大;电子密度变化量在沿磁场方向上形成空洞和上下稠团两峰一谷构型;频率越大、功率越高的电波加热时,电子密度的变化也越大,但存在一适值频率的电波对电子温度的影响最小.      

Modelled ionospheric Te profiles at mid-latitudes for possible IRI application

The electron temperature (T_e) variation in the mid-latitude ionosphere at altitudes between 120 – 800 km has been modelled for various seasonal and solar-cycle conditions. The calculated electron temperatures are consistent with plasma densities and ion temperatures computed from a time-dependent ionospheric model. The T_e distribution can be represented by a subset of standard T_e profiles. T_e above 200 km is controlled by the magnetospheric heat flux into the ionosphere. For realistic values of the magnetospheric heat flux, the maximum electron temperature ranges from 3000 to 10,000 K at 800 km. The effect of increasing the heat flux is to increase the topside temperature but retain the profile shape. Hence, given a topside T_e observation and selection of an appropriate profile shape, the entire T_e distribution can be computed.     

Variation of ionospheric electron and ion temperatures during periods of minimum to maximum solar activity by the SROSS-C2 satellite over Indian low and equatorial latitudes

To study the variation of ionospheric electron and ion temperatures with solar activity the data of electron and ion temperatures were recorded with the help of Retarding Potential Analyzer payload aboard Indian SROSS-C2 satellite at an average altitude of ∼500 km. The main focuses of the paper is to see the diurnal, seasonal and latitudinal variations of electron and ion temperatures during periods of minimum to maximum solar activity. The ionospheric temperatures in the topside show strong variations with altitude, latitude, season and solar activity. In present study, the temperature variations with latitude, season and solar activity have been studied at an average altitude ∼500 km. The peak at sunrise has been observed during all seasons, in both electron and ion temperatures. Further, the ionospheric temperatures vary with latitude in day time. The latitudinal variation is more pronounced for low solar activity than for high solar activity.     

赤道反向电射流中不均匀性的对流放大特性及对某些观测特性的解释

本文分析了反向赤道电射流条件下的不均匀性的对流放大特性。根据电射流不稳定性的线性理论,对一个分层均匀的电射流的模式的数值计算表明:在反向电射流条件下,电射流不均匀性有如下的特性:在波的传播过程中,在上电射流区内,波矢向下旋转,在下电射流区内,波矢向上旋转;在驱动电场E_D数值相同的情况下,反向电射流条件下的射线路径积分增长率r比正常电射流情况的要小得多。这是由于波的群速度方向是向下的,而电子密度梯度起稳定化作用。对于电子密度的特征长度L_N=6km和│E_D│=0.8mV/m,波长λ=10m,高度h≥105km,有r<20。在这一高度范围,波可能是不饱和的,增大L_N,使波在h=105km饱和的临界电场│E_D│值减小。上述计算结果可解释某些在反向电射流条件下,在Addis-Ababa观测到的10m波长雷达回波的特性。      

雷暴云准静电场和夜间低电离层的电离

用点电荷模型计算雷暴云突然放电后形成的准静电后形成的准静电场随高度的分布，以E/N（E的电场大小，N为大气密度）为输入参量，在一定条件下，对Boltzmann方程数值求解，计算电离层电子数密度的扰动。计算结果表明，在约70-90km之间，在约放电后的10ms内，准静电场大于中性大气的击穿电场，将引起大气的雪崩电离，从而引起夜间低电离层电子密度的显著增加，但这种电子密度的增加是暂的，在很短的时期内就恢复到平静时的水平，恢复时间随高度的变化而不同。     

Accuracy of IRI profiles of ionospheric density and temperatures derived from comparisons to Kharkov incoherent scatter radar measurements

The incoherent scatter radar (ISR) facility in Kharkov, Ukraine (49.6°N, 36.3°E) measures vertical profiles of electron density, electron and ion temperature, and ion composition of the ionospheric plasma up to 1100 km altitude. Acquired measurements constitute an accurate ionospheric reference dataset for validation of the variety of models and alternative measurement techniques. We describe preliminary results of comparing the Kharkov ISR profiles to the international reference ionosphere (IRI), an empirical model recognized for its reliable representation of the monthly-median climatology of the density and temperature profiles during quiet-time conditions, with certain extensions to the storm times. We limited our comparison to only quiet geomagnetic conditions during the autumnal equinoxes of 2007 and 2008. Overall, we observe good qualitative agreement between model and data both in time and with altitude. Magnitude-wise, the measured and modeled electron density and plasma temperatures profiles appear different. We discovered that representation accuracy improves significantly when IRI is driven by observed-averaged values of the solar activity index rather than their predictions. This result motivated us to study IRI performance throughout protracted solar minimum of the 24th cycle. The paper summarizes our observations and recommendations for optimal use of the IRI.     

Initial nighttime ionospheric observations with advanced ionospheric probe onboard FORMOSAT-5

FORMOSAT-5 satellite was launched into a sun-synchronous orbit at 720 km altitude with 98.28° inclination on 25 August 2017. The onboard scientific payload, Advanced Ionospheric Probe (AIP) is capable of measuring topside ionospheric ion density, cross-track flow velocities, ion composition and temperature, and electron temperature. Initial observations of nighttime midlatitude ionospheric density and vertical flow velocity variations at 2230 LT sector during a few quiet magnetic days in December 2017 are studied here. Longitudinal density variations in the equatorward edge of midlatitude ionospheric trough (MIT) region are noticed. Accompanied with this density variation, the vertical flow velocities also behave differently. Although the density difference has been stated due to zonal wind effect related to the declination of the geomagnetic field lines, the vertical flow velocity variation seems to play the opposite role. All these density and vertical flow observations in the northern winter hemisphere can only be explained by the longitudinal differences in the diffusion velocity coming down from the protonsphere (plasmasphere). In addition, the hemispheric asymmetry in the vertical flow velocity can also be explained by the interaction between the topside ionosphere and the protonsphere. The observed vertical flow variations near MIT at different longitudes should present a new potential tool for the study of MIT formation.     

星载单频GPS数据的电离层延迟改正方法分析

利用C/A码单点定位对LEO(Low Earth Orbit)卫星上的电离层延迟改正方法——"电离层比例因子法"进行了分析研究.计算的CHAMP卫星的轨道结果表明:采用电子密度峰值高度(hmF2,F2 region maximum electron density height)平均值和瞬时值计算的电离层比例因子α变化范围分别为0.3~0.4和0.2~0.65之间,两者最大差异可达0.3,相比较而言,hmF2瞬时值的结果更加合理,并且相应的大地高H方向的系统偏差要降低0.05~0.3m左右;与双频无电离层组合的普通单点定位结果相比表明该方法能较好地消除电离层一阶项所引入的H方向上的系统偏差;该方法适用的LEO卫星轨道高度范围大致在200~ 600km之间,当轨道高度超过700km时,该方法并不适用.     

Effects of geomagnetic storms on the bottomside ionospheric F region

The geomagnetic storm is a complex process of solar wind/magnetospheric origin. The variability of the ionospheric parameters increases substantially during geomagnetic storms initiated by solar disturbances. Various features of geomagnetic storm act at various altitudes in the ionosphere and neutral atmosphere. The paper deals with variability of the electron density of the ionospheric bottomside F region at every 10 km of altitude during intense geomagnetic storms with attention paid mainly to the distribution of the F1 region daytime ionisation. We have analysed all available electron density profiles from some European middle latitude stations (Chilton, Pruhonice, Ebro, Arenosillo, Athens) for 36 events that occurred in different seasons and under different levels of solar activity (1995–2003). Selected events consist of both depletion and increase of the F2 region electron density. For European higher middle and middle latitude the F1 region response to geomagnetic storm was found to be negative (decrease of electron density) independent on the storm effect on the F2 region. For lower middle latitude the F1 response is weaker and less regular. Results of the analysis also show that the maximum of the storm effect may sometimes occur below the height of the maximum of electron density (NmF2).