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。      

火星磁场产生的原因及其分布

构建了一个可以得到火星赤道面上磁场分布的模型. 模型根据卫星观测数据, 提出了火星电离层、磁层顶和磁尾电流片上都各自通有电流的假设. 由电流的连续性条件可知, 这三种背景条件下的电流之间满足一定关系, 即火星磁层顶上的总电流是电离层上的总电流与磁尾电流片上的总电流之和. 这些电流产生的磁场与太阳风磁场共同构成了火星赤道面上磁场分布. 通过计算发现, 采用这种磁场模型得到的结果与目前卫星所观测的结果以及与采用其他方法得到的结果符合得较好.      

多点磁场协同探测反演电离层电流密度

相对于传统的单点磁场探测,多点磁场协同探测可以同时获得各测点磁场,消除探测磁场随时间的变化,能更好地计算空间电流密度.根据由多点磁场反演计算空间电流密度的计算方法,开展数值仿真,分析卫星编队数量、卫星编队构型、卫星定位偏差、卫星姿态测量误差、磁场测量误差、外部磁场强度及外部电流密度等对电流反演误差的影响.仿真结果表明,5星编队优于4星编队.在5星编队条件下,卫星姿态测量误差、卫星编队构型和外部磁场强度是反演误差的主要来源.根据仿真结果,当卫星姿态误差为0.001°,卫星编队尺度约为100km时,赤道区域电流密度的反演相对误差约为24%.      

VLF电波渗透到卫星高度电离层传播的全波计算

考虑斜向地磁场的影响将电离层设为多层水平分层各向异性有耗介质, 利用传播矩阵法求解全波方程, 进而研究分析VLF频段电离层反射系数随电波频率的变化, 电离层中两种特征极化波的折射和极化特性, 两特征波的电磁场水平分量以及坡印廷能流密度随传播高度的变化. 数值计算结果表明, 地—电离层波导中的垂直极化波比平行极化波易渗透进入电离层; 电离层中两种特征极化波可分为左旋和右旋圆极化波, 左旋分支由于D层强吸收作用表现为速衰减模, 而右旋分支表现为可传播模, 在传播过程中电磁波的能量主要存储在磁场中; 电波频率越低, 其在电离层中的传播损耗越小. 由数值模拟结果发现, 卫星监测VLF频段的低频部分及更低频段的水平磁场变化对于发现地震电离层电磁前兆异常可能更为有效.      

电离层F层中舒曼共振现象的检测

利用Ａｕｒｅｏｌ－３卫星在电离层Ｆ层高度上（６５０ｋｍ左右）对电离层电场扰动与电子密度扰动的观测进行分析处理,在高纬电离层Ｆ层高度上可以检测到舒曼共振现象。根据等离子体参数,可以认为,发生在这个高度上的舒曼共振现象与Ｌ模式的波传播有关,舒曼共振的基频是与电子密度的大尺度不规则性有关,谐波分量与正向密度梯度相关。     

利用聚类算法区分小尺度电离层行扰事件与赤道等离子体泡事件

利用Swarm卫星2015年1月1日至2019年12月31日的50Hz高频磁场数据,根据阈值判断垂直于主磁场方向的扰动,对磁纬45°N-45°S之间的小尺度电离层行扰事件进行探测.为避免混淆而产生的干扰,可以根据阈值判断平行于主磁场方向是否发生扰动,从而排除典型的赤道等离子体泡事件.但对于较弱的赤道等离子体泡事件,扰动阈值判断无效.为避免弱赤道等离子体泡事件的污染,根据小尺度电离层行扰事件和赤道等离子体泡事件在不同参数空间中的密度分布差异,利用基于密度的聚类算法将赤道等离子体泡事件进一步甄别提取.结果表明,聚类算法能够有效地将赤道等离子体泡事件从小尺度电离层行扰事件中甄选出来,并使小尺度电离层行扰事件聚类与赤道等离子体泡事件聚类形成清晰的边界.由聚类算法导出的弱赤道等离子体泡事件主要分布在磁纬15°N-15°S,地理经度20°-60°W,月份10至3月之间,并且在20:00MLT-24:00MLT存在高发生率,同时依赖于太阳活动,这也验证了前人的相关研究结果.      

利用北斗观测数据实时监测中国区域电离层变化

北斗卫星导航信号采用三个频点工作,可以利用伪距双频组差方法解算电离层电子含量,为实时监视中国区域电离层变化提供新的技术手段.中国中低纬度处于电离层赤道异常变化区,在北纬20°±5°区域时常发生较大梯度的电离层变化.利用北斗实时多频伪距和相位观测数据,采用相位平滑伪距方法计算电离层穿刺点电子含量,分析通过北斗系统GEO卫星监测的电离层周日变化特性;采用多面函数方法拟合中国区域1°×1°分辨率的电离层延迟量,每5min绘制一幅中国区域电离层图,观测区域所有电离层穿刺点拟合残差RMS为2.778TECU;分析北斗系统实时监测中国区域电离层异常情况,当发生电离层异常变化时,相邻两天的VTEC（Vertical Total Electronic Content）峰值相差约60TECU.      

风云三号C星GNOS北斗掩星电离层探测初步结果

利用风云三号卫星C星GNOS掩星探测仪电离层数据,分析了2013年10月FY-3C GNOS探测的北斗掩星电离层廓线分布,将2013年10月1日至2015年10月10日期间FY-3C GNOS观测的F₂层峰值电子密度（N_mF₂）与地面电离层测高仪观测结果进行对比,验证了FY-3C GNOS北斗电离层掩星的探测精度.结果表明,FY3-C GNOS北斗电离层掩星与电离层测高仪探测的N_mF₂数据相关系数为0.96,平均偏差为10.21%,标准差为19.61%.在不同情况下其数据精度有如下特征:白天精度高于夜晚;夏季精度高于分季,分季精度高于冬季;中纬地区精度高于低纬地区,低纬地区精度高于高纬地区; BDS倾斜同步轨道（IGSO）卫星精度高于同步轨道（GEO）卫星和中轨道（MEO）卫星.FY-3C GNOS北斗电离层掩星与国际上其他掩星电离层数据精度的一致性对GNSS掩星探测资料的综合利用具有重大意义.      

电离层等离子体泡的磁场扰动特征与识别

等离子体泡是赤道区电离层常见的密度耗空结构,同时伴随着背景磁场的增强和垂直背景磁场方向上的扰动,这些扰动具有阿尔芬波的特征.本文利用Swarm卫星的标量、矢量磁场以及等离子体观测数据,考察了等离子体泡产生的磁场扰动信号特征,发现磁场强度和平均场向分量的增强均与等离子体泡密度下降有较强的负相关性,说明磁场标量和矢量(平均...     

基于多种观测手段的东亚低纬电离层不规则体事件分析

利用海南台站（19.5°N,109.1°E,dip:13.6°N）和磁赤道区的多种地基和天基观测数据,对2011年11月20日观测到的电离层不规则体事件进行了分析.海南台站VHF雷达、电离层闪烁和数字测高仪的综合观测结果表明,当天日落附近发生了强的电离层不规则体事件,主要表现为雷达羽和强闪烁的形态.结合磁赤道区GPS和C/NOFS卫星观测结果进行分析可知,海南台站日落附近出现的雷达羽和强闪烁与南海磁赤道区产生的主等离子体泡存在明显联系.      

磁暴期间中国中低纬电离层不规则体与扰动分析

2017年9月8日发生了一次强磁暴,Kp指数最大值达到8.利用区域电离层格网模型（Regional Ionosphere Map,RIM）和区域ROTI（Rate of TEC Index）地图,分析了磁暴期间中国及其周边地区电离层TEC扰动特征和低纬地区电离层不规则体的产生与发展情况,同时利用不同纬度IGS（International GNSS Service）测站BJFS（39.6°N,115.9°E）,JFNG（30.5°N,114.5°E）和HKWS（22.4°N,114.3°E）的GPS双频观测值,获取各测站的ROTI和DROT（Standard Deviation of Differential ROT）指数变化趋势.结果表明:此次磁暴发生期间电离层扰动先以正相扰动为主,主要发生在中低纬区域,dTEC（differential TEC）最大值达到14.9TECU,随后电离层正相扰动逐渐衰减,在低纬区域发生电离层负相扰动,dTEC最小值达到-7.2TECU;在12:30UT-13:30UT时段,中国南部低纬地区发生明显的电离层不规则体事件;相比BJFS和JFNG两个测站,位于低纬的HKWS测站的ROTI和DROT指数变化更为剧烈,这表明电离层不规则体结构存在纬度差异.      

Response of the ionosphere to super geomagnetic storms: Observations and modeling

The relative importance of the main drivers of positive ionospheric storms at low-mid latitudes is studied using observations and modeling for the first time. In response to a rare super double geomagnetic storm during 07–11 November 2004, the low-mid latitude (17°–48°N geomag. lat.) ionosphere produced positive ionospheric storms in peak electron density (NmF2) in Japan longitudes (≈125°–145°E) on the day of main phase (MP1) onset (06:30 LT) and negative ionospheric storms in American longitudes (≈65°–120°W) on the following day of MP1 onset (13:00–16:00 LT). The relative effects of the main drivers of the positive ionospheric storms (penetrating daytime eastward electric field, and direct and indirect effects of equatorward neutral wind) are studied using the Sheffield University Plasmasphere Ionosphere Model (SUPIM). The model results show that the penetrating daytime (morning–noon) eastward electric field shifts the equatorial ionisation anomaly crests in NmF2 and TEC (total electron content) to higher than normal latitudes and reduces their values at latitudes at and within the anomaly crests while the direct effects of the equatorward wind (that reduce poleward plasma flow and raise the ionosphere to high altitudes of reduced chemical loss) combined with daytime production of ionisation increase NmF2 and TEC at latitudes poleward of the equatorial region; the later effects can be major causes of positive ionospheric storms at mid latitudes. The downwelling (indirect) effect of the wind increases NmF2 and TEC at low latitudes while its upwelling (indirect) effect reduces NmF2 and TEC at mid latitudes. The net effect of all main drivers is positive ionospheric storms at low-mid latitudes in Japan longitude, which qualitatively agrees with the observations.     

第24太阳活动周中国地区电离层闪烁统计特性研究

利用第24太阳活动周中国多个地区GNSS电离层闪烁监测站数据,统计分析中国中低纬地区电离层闪烁特性.结果显示:电离层闪烁主要发生在春秋分及夜间20:00-02:00 LT时段;在28°N以南地区,纬度越低电离层闪烁强度和发生概率越高;电离层闪烁发生概率与太阳活动呈正相关,太阳活动上升年电离层闪烁发生概率高于下降年;不同...     

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.     

华南地区电离层闪烁与TEC耗空的时间和空间分布统计分析

利用位于赤道异常区的深圳站（22.59°N,113.97°E）2011年1月至2012年12月及2015年1月至2015年12月监测到的GPS-TEC数据,统计分析华南地区电离层闪烁与TEC耗空同时出现、电离层闪烁单独出现和TEC耗空单独出现3种现象的时间和空间分布特性.结果表明:这3种现象均主要发生在春秋季节;闪烁与TEC耗空同时出现、闪烁单独出现和TEC耗空单独出现分别主要发生在纬度为19°-23°N,21°-24°N和24°-26°N的空间区域.探测到闪烁和TEC耗空同时出现、闪烁单独出现和TEC耗空单独出现的时间分别主要分布在20:00LT-22:00LT,21:00LT-23:00LT和22:30LT-23:30LT.闪烁与TEC耗空同时出现、闪烁单独出现和TEC耗空单独出现3种现象的时间和空间分布特性对应了华南地区不规则体和赤道等离子体泡（EPBs）从产生到消失的演变过程.      

The solar wind control of the equatorial ionosphere dynamics during geomagnetic storms

The interplanetary magnetic field, geomagnetic variations, virtual ionosphere height h′F, and the critical frequency foF2 data during the geomagnetic storms are studied to demonstrate relationships between these phenomena. We study 5-min ionospheric variations using the first Western Pacific Ionosphere Campaign (1998–1999) observations, 5-min interplanetary magnetic field (IMF) and 5-min auroral electrojets data during a moderate geomagnetic storm. These data allowed us to demonstrate that the auroral and the equatorial ionospheric phenomena are developed practically simultaneously. Hourly average of the ionospheric foF2 and h′F variations at near equatorial stations during a similar storm show the same behavior. We suppose this is due to interaction between electric fields of the auroral and the equatorial ionosphere during geomagnetic storms. It is shown that the low-latitude ionosphere dynamics during these moderate storms was defined by the southward direction of the B_z-component of the interplanetary magnetic field. A southward IMF produces the Region I and Region II field-aligned currents (FAC) and polar electrojet current systems. We assume that the short-term ionospheric variations during geomagnetic storms can be explained mainly by the electric field of the FAC. The electric fields of the field-aligned currents can penetrate throughout the mid-latitude ionosphere to the equator and may serve as a coupling agent between the auroral and the equatorial ionosphere.     

Evidence for ion energy dispersion in the polar cusp related to a northward-directed IMF

Data from the particle experiment aboard the AUREOL-3 polar satellite show that about 30% of the summer cusp crossings are characterised by a clear latitudinal energy dispersion of the solar wind ions. This energy-latitude correlation is observed at very high latitudes, 80° – 85°, near the polar boundary of the cusp, as an increase of the ion average energy with latitude. These structures have a typical latitude extent of 1° – 2° at ionospheric heights and correspond to a northward-directed IMF. These observations are consistent with a sunward convection of the foot of the magnetic flux tubes recently merged with a northward directed interplanetary magnetic field.     

基于海南VHF雷达观测的低纬E区场向不规则体研究

利用海南VHF雷达（19.5°N,109.1°E;磁纬8.1°N）在2011年7月15—22日期间的连续观测数据,对东亚低纬3m尺度电离层场向不规则体（FAI）特性进行了分析. 主要结果表明,在整个观测期间,E区场向不规则体几乎每天发生,既可发生于夜间,也可发生于白天,且存在各种不同结构. 根据E区场向不规则体发生的时间及形态,可将其分为三种结构类型:低部连续型结构、上部下降型结构以及白天连续型结构. 这些低纬E区场向不规则体的回波谱特性与赤道电集流（EEJ）和中纬区E区场向不规则体中的2型回波相类似,但其随时间的变化与后两者存在明显差异,且与其他低纬区E区场向不规则体回波存在不同程度的差异.      

磁扰日向阳面对流电场转向区位置的晨昏不对称性(STARE、TRIAD、AE-C观测综合分析)

本文通过STARE观测的晨不连续性及其与TRIAD观测的场向电流分界区、AE-C卫星观测的电场转向区位置的比较,提出了在高扰日向阳面对流电场转向区位置存在着晨不对称性——晨半面所处纬度低于昏半面.该现象间接说明向阳面磁层边界层也存在某种不对称性.并在观测基础上对可造成该不对称性的物理因子进行了探讨,认为行星际磁场螺线结构对重连区位置的影响及其产生的激波结构的晨昏不对称性很可能与本文中讨论的现象有一定联系.      

Modelling studies of ionospheric convection in northern and southern polar regions

The realistic model of Quegan et al. has been used to investigate the convection paths of ionospheric plasma at 300 km altitude, for different polar cap radii and in both hemispheres. Taking the Northern magnetic dip pole to be at a co-latitude of 11° and the Southern magnetic dip pole at a co-latitude of 23°, these paths are presented in a Sun-Earth frame, with the position of the Earth's axis fixed as it is on 21 March, as polar plots centred on the magnetic pole. There are marked hemispheric differences between 13 and 23 L.T., particularly near the stagnation region at 18 to 21 L.T., but only minor differences between 00 and 12 L.T., when the radius of the polar cap exceeds 12°. For a smaller polar cap, the differences between the hemispheres are small at all local times. The time taken to perform a complete circuit is most dependent on the polar cap radius, and most variable - between 15 and 36 h - for convection paths starting near 60° latitude. The time that plasma convecting from noon to near midnight across the Northern polar cap spends within the 10° co-latitude circle increases from 6 h, for a polar cap radius of 10°, to 11.5 h at 17°. These results are compared and contrasted with other model calculation results and with some ground-based and satellite observations of plasma densities at high latitudes.