暴时热层大气密度变化与太阳风--磁层耦合参数的关系及建模

摘要

对热层大气密度的研究是近年来国际关注的热门课题。研究磁暴期间热层大气密度的变化对于理解太阳风-磁层-电离层-热层耦合具有重要科学意义，同时在低轨航天器的精确定轨与轨道预测等工程领域有着重要的应用价值。 热层结构主要受太阳辐射和地磁活动的影响，其中太阳辐射决定了热层背景大气密度的基本结构和长期性变化。在磁暴期间，增强的携带着南向行星际磁场的太阳风与地球磁层相互作用，主要通过磁场重联机制，使得巨大的太阳风能量得以进入地球空间，大尺度行星际电场穿透进入磁层甚至低纬电离层。增强的磁层电场沿着高电导磁力线映射到高纬电离层，驱动等离子体对流增强。同时，磁层的高能带电粒子沿磁力线沉降到高纬电离层，使得电离层电导率增强。强对流电场和增强的电导率会在极区电离层/热层中产生很强的焦耳加热，高速等离子体流和中性成分碰撞摩擦以及沉降粒子与热层成分撞击也会引起加热。大气被加热后膨胀，引起局部大气密度的强烈扰动。高纬的大气密度扰动随后以大尺度水平环流和大气行进扰动等形式向中低纬传播，引起全球大气密度变化。在低纬地区，增强的环电流离子和电子的库伦碰撞会产生热能并传导到电离层热层系统，一方面引起热层的加热，另一方面使中性大气电离，改变中性大气密度。这一系列物理过程造成了磁暴期间大气密度分布的剧烈变化，有时变化的幅度可以到达平静时大气密度的200％-400％。 本文利用CHAMP和GRACE卫星加速度仪测量得到的大气密度数据，分析研究了太阳活动下降相2002-2005年发生的几十个大磁暴期间热层大气密度的变化。在高纬地区，首次揭示了极盖区大气密度暴时异常现象;通过对一些典型异常事件的分析，对驱动该异常现象的物理机制做出解释，并进行统计研究总结出该现象的基本特征。在中低纬地区，分析了重联电场对暴时大气密度扰动所起的控制作用，利用互相关分析找出了热层大气密度相对重联电场的滞后时延，并用线性回归等方法得到了暴时热层大气密度与重联电场之间的经验关系，建立了基于重联电场的简洁的暴时大气密度预测模型，实现了对400km和500km左右高度上的暴时大气密度的较好预测。 论文的主要研究工作与结果归纳如下: 1.利用400km高度上CHAMP卫星大气密度数据，分析了2002-2005年磁暴期间的大气密度变化，发现几乎在所有Dst(min)≤-100nT的大磁暴中，都存在极盖区大气密度异常增大现象，在±78°磁纬以上局部增强达到背景大气密度的120％以上。统计研究结果表明，极盖区大气密度异常的特点如下: a)极盖区大气密度异常的典型尺度在900km左右，可以认为是中等尺度物理现象。该异常现象在极盖区的持续时间较短，通常只能在单个CHAMP轨道内观测到。 b)大气密度增强的幅度平均为背景大气密度的200％;没有观察到密度增强幅度对太阳辐射通量(F10.7)的依赖关系;在北半球的大气密度平均绝对峰值是南半球的1.4倍，不过南北半球的密度相对增强幅度大致相等。 c)极盖区大气密度增强在行星际磁场的各种方向下都能观测到，南向IMF和强北向IMF期间发生机率较大。没有观察到在各种IMF方向下发生的异常事件对地方时的依赖性。 d)大约有一半异常事件同时伴随有北向IMF和增强的场向电流。 e)某些大气密度增强伴随有强烈的离子上行。 暴时极盖区大气密度异常是一种复杂的物理现象，可能需要多种不同的机制来解释其形成。可能的驱动机制包括:焦耳加热，与场向电流相联系的波动加热，大气行进式扰动的跨极盖传播，以及极盖区离子上行等。对某些异常事件来说，驱动的机制可能是以上一种，或者多种机制的共同作用。 2.根据2002-2005年的CHAMP卫星大气密度观测结果，研究了暴时中低纬大气密度对重联电场的依赖关系。利用32个大磁暴期间的大气密度数据进行统计研究，建立了暴时400km高度大气密度和重联电场之间的线性经验公式，并证明了这一公式可用于预测暴时大气密度变化。研究结果表明: a)经过适当预处理的重联电场(E)m与大气密度的变化在磁暴的各个阶段都具有良好的相关性，可以用于预测暴时大气密度变化。对Em的预处理包括进行3h的时延和积分，以此来体现太阳风对大气的累积作用;以及，取8mV/m为饱和值对Em进行截断，以考察跨极盖电位的饱和效应。研究结果表明，饱和截断后的Em不能很好地反应暴时热层大气密度变化的强度，尤其是大大低估超级磁暴期间的大气密度变化。 b)大气密度相对Em的滞后时间取决于多种因素。时延依赖于磁暴强度，并随磁纬和磁地方时而变化。低纬大气密度相对Em的最可几时延约为4.5h，并无显著的地方时依赖;中纬大气密度的最可几时延随地方时在1.5-6h内变化，其中夜侧的时延比白天侧长。中低纬轨道平均大气密度的时延与低纬大气密度的时延相近。 c)磁暴期间给定高度上的大气密度可以近似表示为在平静时大气密度的背景上线性叠加一个与重联电场成比例的扰动。对2002-2005年内所有的磁暴而言，400km左右高度大气密度和(E)m之间的关系可以近似用式ρ=a(E)m+ρamnb来表示，其中a=0.5。该式不受季节和地方时影响。背景大气密度ρamb由磁暴前的平静日计算获得，计算中考虑暴时太阳辐射对背景密度的影响。 d)上述简洁的线性经验公式可以很好地重现大多数磁暴期间中低纬大气密度的变化。 3.将上面建立的暴时大气密度预测模型拓展至对不同高度的轨道平均的大气密度的预测，并比较分析了在CHAMP和GRACE高度上该模型的特点和预测能力。 取得主要成果总结如下: a)重联电场与轨道平均大气密度之间具有更好的线性相关性，预测模型对中低纬轨道平均大气密度的预测效果优于对各个纬度段大气密度的预测效果。 b)沿CHAMP和GRACE轨道的平均的大气密度在磁暴期间相对到达地球的太阳风输入来说均有4.5h的滞后时延。 c)在GRACE高度上的a值大约是在CHAMP高度上a值的30％;各个磁暴期间在CHAMP/GRACE不同高度上拟合得到的参数a之比的对数，随高度差大致遵从线性规律变化。 d)对随机选取的2006年一个磁暴事例，此模型预测CHAMP/GRACE高度上大气密度的效果大大优于NRLMSISE-00模式，并在总体上与JB2008模式相当。 e)无论在CHAMP高度还是在GRACE高度，CIR磁暴的a值一般都比ICME磁暴的a值大。 论文的特色和创新之处: 本文结合CHAMP和GRACE卫星多年大气密度数据，首次研究了暴时大气密度对重联电场的依赖关系，并建立了基于重联电场的暴时大气密度预测模型。研究结果表明，该预测模型能较准确预测400km和500km左右高度的热层大气密度的暴时变化。本文首次发现暴时极盖区大气密度异常增强现象，并全面总结了该现象的统计特性，对可能的驱动机制做出了解释。研究成果不仅在热层理论研究上有重要科学意义，而且在低轨道航天工程上有潜在的重要应用价值。

目录

声明

摘要

引言

第一章电离层与热层系统

§1．1热层

§1．2电离层

§1．3电离层热层过程

§1．3．1电离层电流和电导率

§1．3．2高纬电离层热层系统

§1．3．3中低纬电离层热层系统

§1．4电离层热层系统对磁暴的响应

§1．4．1地磁暴

§1．4．2电离层热层系统对磁暴的响应

第二章CHAMP和GRACE卫星大气密度数据

§2．1 CHAMP和GRACE卫星及仪器

§2．1．1 STAR加速度仪

§2．1．2恒星罗盘(Advanced Stellar Compass，ASC)

§2．1．3 GPS接收机

§2．2由加速度仪数据计算大气质量密度

§2．2．1加速度和速度

§2．2．2大气密度的计算

第三章暴时极盖区热层大气密度异常现象

§3．1引言

§3．2数据

§3．2．1 CHAMP数据

§3．2．2 ACE数据

§3．2．3 DMSP数据

§3．3极盖区大气密度异常

§3．3．1 2005年1月17-19日磁暴

§3．3．2 2004年7月26-28日磁暴

§3．3．3 2005年5月8日磁暴

§3．3．4 2002年5月23-25日磁暴

§3．4统计结果

§3．5讨论

§3．5．1 极盖区大气密度异常与磁暴的关系

§3．5．2极盖区大气密度异常的特征

§3．5．3可能的驱动机制

§3．6本章总结

第四章热层大气密度与重联电场的相互关系及暴时建模

§4．1 引言

§4．2数据

§4．3暴时大气密度对Em的响应

§4．3．1 大气密度数据的分组

§4．3．2 Em数据的预处理

§4．3．3线性模型

§4．3．4大气密度相对于-Em的滞后时延

§4．4预测结果

§4．5讨论

§4．5．1 热层大气密度的响应时间

§4．5．2大气密度和重联电场之间的线性关系

§4．5．3模型的局限性

§4．6总结

第五章CHAMP和IGRACE不同高度上的暴时热层大气密度预测

§5．1 引言

§5．2数据

§5．3结果

§5．4讨论

§5．4．1 a值的控制因素

§5．4．2热层大气密度在CHAMP和GRACE高度上的响应时间

§5．4．3不同磁暴类型的影响

§5．4．4 2005年1月21-22日磁暴

§5．5本章小结

第六章总结与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的科研成果

致谢