（无线电物理专业论文）极区电离层f层特性的南北极对比研究.pdf

摘要 摘要 极区电离层强烈地受到极区对流电场、极光粒子沉降和场向电流等的影响。 通过这些驱动过程，来自太阳风和磁层的能量沉积在极区电离层中，直接改变极 区电离层的状态；或通过与中性大气的耦合，改变全球中性大气风场和中性大气 成份，影响到全球电离层。面电离层与远距离通讯、导航等人类活动紧密相关。 开展极区电离层研究具有重要的科学意义和潜在的应用价值。 人们已经观测到丰富的极区电离层物理现象。对这些物理现象的解释，比如 极隙区软电子沉降电离在t o i 结构形成中的贡献大小、等离子体云块的形成机制、 暴时极区电离层受不同磁层驱动过程影响的相对大小，以及中性大气变化在其中 所起的作用等，都是未能完全解决的问题。 空间等离子体受地球磁场的控制和影响。由于南北两极磁场位形的相似性， 两极电离层的不同表现，可能通过相同的物理机制加以解释。由于太阳风与磁层 相互作用的南北极不对称性，在极区电离层中的踪迹所表现出来的差异可能为我 们再清电离层中的基本物理过程提供帮助。 本文以中山站数字式电离层测高仪数据为基础，联合分析与中山站具有相同 地磁纬度并构成地磁共轭的s v a l b a r d 站，和与中山站具有相同地理纬度，几乎位 于同一磁经度予午面的t r o m s o 站测高仪探测数据，结合数值模拟和理论分析，研 究了极区冬季f 层电离层气候学特征的形成机理，分别考虑了极光粒子沉降和对 流电场对极区电离层的影响。对不同地磁活动条件下南极中山站电离层变化特性 进行了初步统计分析。论文的主要研究结果如下： 1 、光致电离、极区对流电场和极光沉降粒子电离共同作用的不同使得中山站 和t r o m s o 站f o f 2 日变化形态上出现差异。中山站通常处于极隙区纬度，其f o f 2 日变化主峰靠近磁中午，主要是日侧等离子体与极区对流相互作用的结果，此时 日侧极隙区软电子沉降也会对f o f 2 产生影响。t r o m s o 站在日侧通常处于亚极光区 纬度，由于日侧等离子体与极区对流相互作用较弱，f o f 2 日变化主峰在地方时中 午形成，此时f 层电子浓度主要由太阳天顶角决定。 2 、中山站与t r o m s o 站f 层电离层均受到极光沉降粒子电离的影响。由于中 山站地磁纬度较高，该站f 层受极光带电离作用主要分别发生在m l t 晨侧和傍晚 侧，在m l t 子夜附近处于极盖区，电子浓度较低。t r o m s o 站地磁纬度相当于夜侧 极光带中心位置，因而在m l t 子夜前后受到极光沉降粒子电离的作用明显。极光 沉降粒子电离在太阳活动低年对中山站f o f 2 日变化形态影响显著。 3 、中山站与t r o m s o 站f o f 2 随太阳活动的增强而整体变大。中山站在太阳活 动商年随太阳辐射流量f 1 0 7 的增大，极区背景f o f 2 增大，造成f o f 2 日变化次 峰不明显。 4 、s v a l b a r d 站与中山站虽然地磁纬度相当，但由于地磁极偏离地理极方向相 反，南极t o i 结构的形成与北极相差约1 2 小时。因此与南极中山站不同，s v a l b a r d 站f o f 2 日变化主峰不出现在磁中午附近，但此时光致电离较弱，极隙区软电子电 离作用相对明显。 5 、不同a e 条件下中山站f o f 2 日变化特性存在较大差别。a e 指数大的情况下 中山站f o f 2 月中值日变化峰值比a e 指数小的情况下的偏小，中山站“磁中午异 常”现象明显。 关键词：极区电离层等离子体对流粒子沉降太阳辐射流量f 1 7a e 指数 a b s t r a c r a b s t r a c t t h ep o l a ri o n o s p h e r ei ss t r o n g l yi n f l u e n c e db yc o n v e c t i o ne l e c t r i cf i e l d s ，a u r o r a l p a r t i c l ep r e c i p i t a t i o n ，a n df i e l d a l i g n e de l e c t r i cc u r r e n t s e t c t h ee n e r g yw h i c h o r i g i h a t e si nt h es o l a rw i n da n dt h em a g n e t o s p h e r ed e p o s i t si nt h ep o l a ri o n o s p h e r e ， c h a n g i n gt h e s t a t eo ft h ei o n o s p h e r e , o rt h r o u g hc o u p l i n gb e t w e e nt h ei o n o s p h e r ea n d t h et h e r m o s p h e r e ，c h a n g i n gt h en e u t r a lw i n d sa n dc o m p o s i t i o n sg l o b a l l y t h i sf u r t h e r i n f l u e n c e st h ei o n o s p h e r ei nag l o b a ls c a l e t h es t a t eo ft h ei o n o s p h e r ea l s oh a sg r e a t i n f l u e n c eo nh u m a na c t i v i t i e s ，s u c ha sl o n g - d i s t a n c oc o m m u n i c a t i o n ，n a v i g a t i o ne t c i t i st h e r e f o r ei m p o r t a n tt os t u d yt h ep o l a ri o n o s p h e r ei nt h es e n s eo fs c i e n c ea n dp o t e n t i a l t e c h n o l o g y t h e r ea r ev a d e so fp h e n o m e n aw h i c hh a v eb e e nr e p o r t e di nt h ep o l a ri o n o s p h e r e h o w e v e r i ti ss t i l lo p e nq u e s t i o n st ou n d e r s t a n da l lo ft h e s ep h e n o m e n a ，f o re x a m p l e ， t h er e l a t i v ei m p o r t a n c eo fc u s ps o f te l e c t r o np r e c i p i t a t i o ni nt h ef o r m a t i o no ft o n g u eo f i o n i z a t i o n ( t o o ，t h em e c h a n i s mo fp o l a rc u pp a t c h e s ，t h ec o n t r i b u t i o no fd i f f e r e n t d r i v e np r o c e s s e si nt h ep o l a ri o n o s p h e r ed u r i n gs t o r ma n d o rs u b s t o r mt i m e s ，a n dt h e r o l eo fn e u t r a la t m o s p h e r ei nt h ev a r i a t i o no fp o l a ri o n o s p h e r e g c o s p a c ep l a s m ah a sb e e nk n o w nt ob ec o n t r o l l e do rs t r o n g l yi n f l u e n c e db yt h e g e o m a g n e t i cf i e l d s d u et ot h es i m i l a r i t yo fg e o m a g n e t i cf i e l dc o n f i g u r a t i o ni nb o t h h e m i s p h e r e s ，i ti sh e l p f u lf o rt h eu n d e r s t a n d i n go fp h y s i c a lp r o c e s s e st h r o u 曲a n a l y s i s o fs i m i l a r i t i e so rd i s s i m i l a r i t i e si nb o t hp o l a ri o n o s p h e r e s b a s e do nfr e g i 咖c r i t i c a lf r e q u e n c y ( f u v 2 ) d a t aw h i c hh a sb e e no b t a i n e db y d p s 一4a tz h o n g s h a ns t a t i o n c o m p a r a t i v ea n a l y s i sh a sb e e nc u r r i e do u tu s i n gf o f 2d a t a a ts v a i b a r d ，w h i c hi sg e o m a g n e t i c a l l yc o n j u g a t ew i t hz h o n g s h a ns t a t i o n ，a n dd a t aa t t r o m s o ，w h i c hi sl o c a t e da tt h es a m eg e o g r a p h i cl a t i t u d ea sz h o n g s h a ni nt h eo p p o s i t e h e m o s p h e r e ，a n di nt h es a m eg e o m a g n e t i cm e r i d i a np l a n e c o m b i n e dw i t hn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ec l i m a t o l o g yf e a t u r e so ft h ep o l a ri o n o s p h e r e d u r i n gw i n t e rt i m e sh a v e b e e ns t u d i e d ，w i t he m p h a s i so nt h er e l a t i v ec o n t r i b u t i o no f a u r o r a le l e c t r o np r e c i p i t a t i o na n dc o n v e c t i o ne l e c t r i cf i e l d st ot h ep o l a ri o n o s p h e r e v a r i a t i o no ff o f 2a tz h o n g s h a ns t a t i o nh a sa l s ob e e ns t u d i e sf u rd i f f e r e n tg e o m a g n e t i c a c t i v i t i e s t 1 l em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed i f f e r e n c ei nt h ef o f 2d i u m a lv a r i a t i o nb e t w e e nz h o n g s h a na n dt r o m s o s t a t i o n sr e s u l t sf r o mt h ed i f f e r e n c eo fi n t e r a c t i o na m o n gs u n l i ti o n i z a t i o n ，c o n v e c t i o n e l e c t r i cf i e l d sa n da u r o r ap a r t i c l ep r e c i p i t a t i o n t h em a j o rp e a ki nt h ef o f 2d i u r n a l a s t r a c t v a r i a t i o na r o u n dm a g n e t i cl o c a ln o o na tz h o n g s h a ns t a t i o ni sm a i n l yar e s u l to f i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es u n l i ti o n i z a t i o na n dt h eh o r i z o n t a lp l a s m ac o n v e c t i o no nt h e d a y s i d e c u s ps o f te l e c t r o np r e c i p i t a t i o na l s oc o n t r i b u t et ot h ee n h a n c e m e n t o ff o f 2a t t h em a j o rp c a i 【t r o m s oi sl o c a t e da ts u b a u r o r a ll a t i t u d e t 1 i ei n t e r a c t i o nb e t w e e n d a y s i d es u n l i tp l a s m aa n dt h ec o n v e c t i o ni sr e l a t i v e l yw e a k , m a k i n gt h em a j o rp e a ki n t h ef o f 2d i u r n a lv a r i a t i o na tt r o m s oa p p e a ra tt h et i m eo fa b o u ti t sl o c a ln o o n 2 i o n o s p h e r e sa tb o t hz h o n g s h a na n dt r o m s os t a t i o n s a r ei n f l u e n c e db ya u r o r a p r e c i p i t a t i o n fr e g i o ni o n i z a t i o nf r o ma u r o r a le l e c t r o n sa tz h o n g s h a ns t a t i o no c c u r so n t h em o r n i n gt h ee v e n i n gs i d ei nt h em a g n e t i cl o c a lt i m e ( m l t ) c o o r d i n a t e s z h o n g s h a n s t a t i o ni sl o c a t e di nt h ep o l a rc a pa ta b o u tm m i d n i g h t , r e s u l t i n gi nl o w e rfr e ：g i o n e l e c t r o nd e n s i t yd u r i n gt h ed a y t r o m s os t a t i o ni sl o c a t e da tal o w e rl a t i t u d et h a n z h o n g s h a ns t a t i o nb u ti nt h ec e n t e ro fa u r o r a lo v a la r o u n dm i d n i g h ts e c t o r s t h e c o n t r i b u t i o no fa u r o r ae l e c t r o ni o n i z a t i o nt ot h efr e g i p l a s m ai sd i s t i n c ta tt h i st i m e p e r i o d a u r o r a li o n i z a t i o ne f f e c ti sm o r ep r o n o u n c e di nl o w e rs o l a ra c t i v i t yy e a r sa tb o t h s t a t i o n s 3 f o f 2a tb o t hz h o n g s h a na n dt r o m s os t a t i o n si n c r e a s e sg e n e r a l l yw i t hh i g h e r s o l a ra c t i v i t y t h i si n d i c a t e st h ei m p o r t a n c eo fs u n l i ti o n i z a t i o ni nt h eo v e r a l lp o l a rf r e g i 咖i o n o s p h e r e 4 z h o n g s h a na n ds v a l b a r ds t a t i o n sa r eg e o m a g n e t i c a l l yc o n j u g a t e d h o w e v e r , d u et ot h eo p p o s i t ed e v i a t i o no ft h eg e o m a g n e t i cp o l e sr e l a t i v et ot h eg e o m a g n e t i cp o l e s i nb o t hh e m i s p h e r e s ，t h ef o r m a t i o no ft o ii nb o t hh e m i s p h e r e sh a sat i m ed i f f e r e n c eo f a b o u t1 2h o u r s ，t h i sl e a d st ot h er e s u l t st h a td i f f e r e n tf r o mz h o n g s h a ns t a t i o n ， s v a l b a r ds t a t i o no b s e r v e sam a j o rp e a l 【i nt h ed i u r n a lv a r i a t i o no ff o f 2n o ti nt h e m a g n e t i cl o c a ln o o n , b u ta tat i m ea r o u n dm l tm i d n i g h t t h ec o n t r i b u t i o no fc u s p s o f te l e c t r o np r e c i p i t a t i o nt ot h ei o n i z a t i o ni sm o r ed i s t i n c ta ts v a l b a r ds t a t i o nt h a na t z h o n g s h a ns t a t i o nd u et ot h er e l a t i v ew e a ks u n l i ti o n i z a t i o np l a s m ao nt h ed a y s i d ea t s v a l b a r ds t a t i o n 5 f o f 2d i u m a lv a r i a t i o na tz h o n g s h a ns t a t i o ns h o w sg r e a td e p e n d e n c eo nt h e g e o m a g n e t i ca c t i v i t i e s w i t ht h eh i g i l e rg e o m a g n e t i ca c t i v i t y , t h em a j o rp e a ki nt h e f 0 f 2d i u r n a lv a r i a t i o na r o u n dm itn o o nb e c o m e sm o r ed i s t i n c t k e y w o r d s ：p o l a ri o n o s p h e r ep l a s m ac o n v e c t i o np a r t i c l ep r e c i p i t a t i o n s o l a rr a d i a t i o nf l u xf 1 0 7a ei n d e x 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：懈 日期妇业 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在- 年解密后适用本授权书。 本人签名：拇 导师签名： 盔乙 日期型垦! 翌 引言 引言 地球电离层是地球高层大气被电离了的部分，是日地能量耦合过程中不可缺 少的一环。在其形成过程中有2 个主要的电离过程：由太阳紫外辐射和x 射线造 成的光化电离，以及太阳风和宇宙射线中的带电粒子进入地球大气层造成的碰撞 电离。在整个日侧以及亚极光纬度，光化电离起主要作用，日侧软电子沉降在极 隙区有时起主要作用：而在高纬以及夜侧，由沉降的极光电子和离子所引起的碰 撞电离，在电离层等离子体的产生过程中扮演着重要的角色。 与中性大气相比，电离层是导电的，可以支持电流在其中流动；作为电离介 质，可以强烈影响无线电波的传播；作为等离子体，可以产生各种等离子体波动 与不稳定性等现象。位于6 0 一1 0 0 0 k m 高度范围内的电离层在垂直方向上存在三个 不同区域，这三个区域之间有着不同的成分、密度、电离源、变化度、化学过程 以及动力学过程一6 0 k m 至9 0 k m 高度上的d 层是多原子离子“团”的稀薄层，浓 度为1 0 2 1 钿3 ，9 0 k m 至1 4 0 k i n 高度上的e 层( 又称发电机层) 是中等浓度的 分子离子层，浓度为1 0 3 - l o m 3 ，1 4 0 k i n 至1 0 0 0 k i n 高度上的f 层是原子离子层， 其浓度为1 0 5 - - 1 0 6 c m 3 。在d 层和e 层主要的离子是n o * 和0 2 + ；而含有大量电 离层等离子体的f 层，主要以o + 为主，在分子离子层和原子离子层的过渡区分裂 成f 1 层，在0 + 峰上对应于f 2 层。在f 层顶以上是稀薄的氢离子( h + ) 层，常称 之为质子层，扩展到数千公里的高度上，在该区域内粒子密度以指数形式减少。 几千公里以外的大气是完全电离的，即所谓“磁层”。电离层内有足够的自由电子， 能显著影响无线电波的传播，但其中的许多物理过程都仍然受到与中性成分碰撞 的强烈影响。磁层中的物理过程则主要由磁场控制。 电离层电子密度随高度变化，在大约1 1 0 k m 高度有一弱峰，为e 区极大；在 大约3 0 0 k m 高度，具有最大电离，此为f 2 峰。电离层电子密度随地方时、季节、 太阳活动周相而变化；在不同纬度区，电离层结构与动力学过程有很大差别：特 别是高纬电离层，其行为与磁层过程紧密联系，尤为复杂和特殊。 由于地球磁场拓扑位形以及地球与太阳相对位置等因素的差别，电离层在高 纬地区表现出许多与中、低纬电离层很不相同的特性。在极盖区上空地球磁力线 是开放的，向磁尾延伸有时甚至与行星际磁场相连接。某些磁层过程使其中的带 电粒子获得很高能量后沿着地磁力线近乎垂直地向磁层、电离层以至中低层大气 传输，使各层间产生能量、动量和质量耦合，并形成一系列重要的地球物理现象， 例如极光、粒子沉降、磁层亚暴、极盖吸收、电离层行扰、西向浪涌及对中层大 气加热等。磁层和太阳风相互作用所形成的大尺度磁层电场也可沿着高导电率的 地磁力线映像到极区电离层；另一方面，电离层的变化又可对磁层电场施加一定 2极区电离层f 层特性的南北极对比研究 的调制作用。概括地说，极区电离层通过对流电场，粒子沉降和场向电流与磁层 紧密耦合在一起，并受太阳风与行星际磁场i m f 的直接控制，在太阳风一磁层一电离 层一热层耦合过程中起着重要作用。太阳活动事件对地球空间环境的影响在极区最 先出现并且最为明显，有不少地球物理效应( 如地磁扰动、声重波和电离层行扰 等) 是从高纬向中低纬传输的。对极区电离层的观测研究有助于获得有关太阳风 一磁层一电离层以及热层耦合过程的更直接的信息。 极区电离层的地面观测对磁层一电离层现象的研究起着重要作用。长期以来， 大量的观测研究已经取得了一些成果，例如威德尔海异常和罗斯海异常的发现及 对其形成原因的解释等【1 1 ，以及大量数据分析对磁中午异常现象的确认。d y s o i l 等 人综述了观测研究高纬电离层的无线电手段 2 1 ，近十年来，欧洲非相干散射雷达、 s u p e r d a r n 雷达网、数字式电离层测高仪等这些先进的观测仪器也被用于极区电离 层的观测研究。 电离层探测是研究电离层的重要手段，高新技术在电离层探测中的应用极大 地推动着电离层研究的深入发展。目前进行空间探测的方法主要有地基或空基遥 测，和空间飞行器实地( i n - s i t u ) 测量两大类。前一类一般利用一个仪器主动发 射电磁波，另外一个仪器( 可与发射仪器在同一地点，共享天线) 接收经电离层 或大气层传播之后的( 回) 波信号，通过分析信号在与传播介质作用前后的变化 来研究介质的性质，例如各种散射雷达、地面与卫星电离层垂测、以及卫星信标 的地面与卫星接收( 如空基g p s 掩星试验) 等等。后一类是利用卫星火箭等手段， 将探测仪器放入待测环境中进行测量，如f a s t 卫星、c l u s t e r 一以及即将发射的 中国双星等都装载有测量仪器，能够对日地空间不同区域内的各种参数进行实地 测量。今天，借助科学卫星、地面大功率雷达等手段，通过国际间的广泛合作， 人们可以获得更为全面、准确的空间科学数据。 由于电离层本身的复杂性，以及空间探测覆盖的空间和时间范围的有限性， 除了电离层探测手段外，对电离层的深入研究还需要借助数值模拟手段。电离层 模式是定量研究电离层结构和动力学过程不可缺少的重要数值手段。电离层模式 大致可以分为三种类型：经验模式、半经验模式和物理模式。经验模式和半经验 模式使用大量的观测数据( 半经验模式还使用物理模式的计算结果，以弥补在有 些地区观测数据的缺乏) ，经过日平均、季节和太阳周期平均，用一些简单的解 析公式来描述电离层的电子密度、电子温度等电离层参量的空间和时间变化。经 验和半经验模式的优点是：运算速度快，并具备一定的预报能力。但是，由于在 建模过程中对相关物理量做了平均，因此，由此类模式给出的电离层参数随时间 的变化只是平均情况，该类模式不适合用于研究电离层各种过程的机理。物理模 式又称为第一原理模式( t h ef i r s tp r i n c i p l em o d e l ) ，该类模式用数值方法求 解电离层等离子体的输运方程，即连续性方程、动量方程，有时还包括能量方程 引言3 等，来模拟电离层中的各种物理化学过程。由于该种模式可以尽可能地包括各种 电离层过程，能够给出电离层各参数较为细致的时间和空间变化，并且易于与日 地空间其它区域，如热层和磁层的物理模式的耦合，因此被广泛应用子电离层各 种过程物理机制方面的研究。借助现代计算机技术，用物理模式进行计算机“实 验”，通过调整输入参数，可以较为方便地模拟研究各种情形下电离层过程。利 用电离层物理数值模式对特殊的电离层现象进行模拟，有助于研究现象背后潜在 的机制和过程。随着数值计算方法的不断更新、完善和计算机性能的日益提高， 数值模拟正在逐渐成为除空间探测之外的一种重要的、无法替代的手段，在空间 科学研究中发挥着越来越重要的作用。 中国极地研究中心高空大气物理研究室自9 0 年代初开始组建，通过国际合作 在南极中山站逐步建立了由数字式电离层测高仪( d p s 4 ) 等8 台观测仪器组成的 中山站高空大气综合观测系统，使得中山站成为世界上为数不多、技术装备精良 的南极日地物理考察站之一，在极隙区纬度上形成了观测设备性能比较先进、观 测要素基本配套的高空大气地面综合观测系统。对数字式电离层测高仪等观测数 据陆续的分析和研究，已经使人们对中山站电离层在太阳活动低年的特性有了一 些初步的认识。另外，随着北极观测条件的逐步完善，已经取得了越来越多的观 测数据，因此，开展南北极对比研究也变得可行了。 南北两极电离层由于磁力线开放的特性，二者之间的联系虽不如由极区能量 沉积引起的中低纬与极区电离层以及低纬与赤道电离层通过磁力线联系紧密，然 而由于磁场位形的相似性，和太阳风与磁层相互作用在两极地区的不同表现，开 展极区电离层对比研究对理解极区电离层物理过程具有重要的作用。 随着地磁扰动的增强，极光带和极隙区都会向赤道方向移动。由于中山站与 它们相对位置的重大变化，其电离层f 层特性也必然出现明显不同。因此对不同 地磁活动条件下中山站电离层变化特性进行研究也有助于理解极区电离层物理过 程。 本文联合使用空间探测和数值模拟两种手段，以南北两极三站数字测高仪数 据为基础，数据分析和数值模拟、理论研究相结合，对极区电离层结构及粒子沉 降、等离子体对流和太阳辐射作用等方面进行研究，进一步揭示了极区电离层特 征的形成机理。同时，对不同a e 条件下中山站电离层f 层变化特性进行统计研究。 论文的结构安排如下： 第一章介绍电离层的基本理论，指出高纬电离层的特殊性质以及在空间科学 研究中的重要地位。 第二章简述数字式电离层测高仪探测技术，对南北极所选台站冬季的观测数 4 极区电离层f 层特性的南北极对比研究 据进行分析，对比研究南北极冬季f 层电离层变化特性。 第三章将用以近似描述极区地磁扰动剧烈程度的极光电集流指数a e 分为两 种情况，相应于地磁活动平静和扰动，对不同a e 条件下中山站f 层电离层变化特 性进行研究。 第四章针对南北极台站冬季电离层f 层表现出的日变化特征，结合数值模拟 结果，从太阳辐射、粒子沉降、极区等离子体对流等方面对极区电离层f 层变化 特性的形成机理进行理论探讨。 第五章对全文进行总结，介绍本文的主要工作与成果，并对下一步的工作提 出初步设想。 第一章极区电离层 第一章极区电离层 本章在概述地球电离层及其基本物理化学过程的基础上，简述极区电离层的 特点与动力学过程 1 1 电离层概述 在地球上层大气中，虽然占绝大多数的成分是中性分子和原子，但有少量的 自由电子和离子存在。我们将被电离的、包含有自由电子和离子并足以影响无线 电波传播的那部分大气层称为电离层。 人类对电离层的发现和初步研究，可追溯到十九世纪对地磁场的观测和无线 电科学的兴起。早在十八世纪，人类已经观测到地磁场中的周日变化，1 8 3 9 年， g a u s s 推测这些变化起源于大气中的电流，s t e w a r t 于1 8 8 2 年第一次提出著名的“大 气发电机”理论；随后，s c h u s t e f ( 1 9 0 8 ) 和c h a p m a n ( 1 9 1 9 ) 等人以定量的形式进 一步发展。1 9 0 2 年美国人k e n n e l l y 和欧洲人h e a v i s i d e 独立地指出高层大气中导电 层反射无线电波是m a r c o n i 跨越大西洋的无线电通信成功的原因。自此以后的一个 时期内，人们称这种能反射无线电波的导电层为“k e n n e l l y h e a v i s i d e ”层。t a y l o r ( 1 9 0 3 ) 和f l e r m i n g ( 1 9 0 6 ) 先后提出太阳紫外线是上层大气层中气体的电离源的理 论。1 9 2 5 年，a p p l e t o n 和b a r m e t t ，b r e i t 和t u v e 用脉冲探测的实验证实了理 论的正确性。实验还证明了，白天k e n n e l l y h e a v i s i d e 层的高度大约是1 0 0 k i n 。 a p p l e t o n 相继发现回波从不同高度上反射回来。他开始用字母e 、f 来表示从较低 的层与较高的层反射回的信号电矢量，后来又用d 、e 、f 这些字母表示相应的层。 r aw a t s o n 于1 9 2 6 年首次使用了“电离层” ( i o n o s p h e r e ) 这个术语。实验工 作的发现，迅速推动了理论工作的进展，h u l b u r t ( 1 9 2 鼬和c h a p m a n ( 1 9 3 1 ) 提出 了关于电离层形成的理论，这被认为是现代电离层理论的起点。1 9 3 2 年，a p p l e t o n 建立了完整的磁离子理论，并提出了计算电波折射指数的a p p l e t o n h a t r e e 公式， 为现代电离层折射延迟改正的应用奠定了基础。第二次世界大战期问及战后，由 于世界各大国在政治、经济和军事上的需要，电离层及无线电波传播的研究得到 了空前的发展，其应用研究的成果逐渐走入了人类的日常生活。 电离层位于地面之上约6 0 k m 至1 0 0 0 k i n 高度范围之内，是近地空问环境的一 个重要组成部分。这一范围内的地球中性大气有一部分由于吸收太阳远紫外线 ( e u v ) 及软x 一射线谱段的辐射而电离，生成自由电子和离子。在5 0 0 k m 高度 以下，电子和离子的运动除部分地受地磁场影响之外，还因碰撞而显著地受背景 大气中性成分的制约。与此同时，电离成分吸收了使之电离的那部分太阳辐射能 量，并在碰撞时部分地把这些能量传递给中性成分。由于在8 0 k m 至9 0 k m 以上的 6 极区电离层f 层特性的南北极对比研究 较高高度上空气非常稀薄，热容量相当小， 气称之为热层；电离层和热层强烈的耦合， 电离层的一个重要特点。 中性成分的温度显著提高，这部分大 尤其表现在运动学过程方面，形成了 事实上，从电离层向外直至若干个地球半径的范围内，地球大气都是电离的， 但大气本身越来越稀薄，电离程度也越来越高，几千公里以外的大气是完全电离 的，不存在背景中性成分，电离气体的运动完全受地磁场的控制，其表现形式和 电离层中有很大的差异。为此，我们将所在高度更高、完全电离的部分称为磁层。 电离罢向磁层提供一定的电离成分，特别是一些重离子成分；而某些磁层过程使 其中的带电粒子获得很高能量后又可沿着地磁力线到高纬地区的电离层中。同时， 磁层和太阳风相互作用所形成的大尺度磁层电场也可沿着高导电率的地磁力线传 递到商纬电离层；反过来，电离层的变化又可对磁层电场施加一定的调制作用。 因此电离层与磁层也是强烈耦合的。它们共同组成了日地空问环境的主体部分。 6 0 1 u n 高度以下的中、低层大气( 中层、平流层、对流层) 是电离层的下界面， 其中的环流及其变化所造成的大气成分的变化可以显著影响电离层底部的电离状 况和热层的下边界条件。对流层中各种尺度的运动和波动在一定条件下会向电离 层传播，其能量耗散在电离层中会影响电离层中湍流状况及分布，在电离层中形 成一定类型的扰动。虽然现在还不太清楚起源于电离层或磁层中的等离子体扰动 是如何影响下层大气的，但看来这种影响是存在的。作为电离层电离源的太阳辐 射，随着各种不同时间和空间尺度的太阳活动性，以及强有力的太阳扰动而产生 剧烈变化，直接影响着电离层。太阳活动和扰动的其他效应，例如曰冕质量抛射 等，通过行星际和磁层间接地影响电离层。因此，电离层是日地空间耦合链中的 一个重要环节。 如图1 1 所示，通常将地球电离层划分为不同的几个特征区域。主要的四个 区域是d 区、e 区、f 1 区和f 2 区。f 1 区和f 2 区也统称为f 区。最低的称为d 区，其高度范围大约从5 0 k m 至9 0 k m ，该区对无线电波的吸收起主要作用。其电 子密度在白天约为2 5 1 0 m 。，在夜间减小到可以忽略。高度从9 0 k m 至1 3 0 k m 的 区域称为e 区，该区的电子密度随太阳天顶角及太阳活动有规律的变化。密度值 在白天可达2 x1 0 “m 。，足以反射频率为几兆赫兹的无线电波，在夜间，e 区电子密 度降低一个多量级。e 区的上面是f 区，是整个电离层中电子数密度最大的一个区 域。f 区有时分裂为两层，其主要部分叫f 2 层，在其下方，有时出现一个小的极 大值，叫f l 层，主要出现于太阳活动极小年份夏季的白天，大体在1 8 0 k m 附近。 从d 区到f 区顶部，电子密度的变化超过四个量级。 第一章极区电离层 7 噫 答 o | = = ： 富 图1 - - 1 典型的中纬电离层电子密度垂真结构图 ( 引自p h y s i c so ft h eu p p e rp o l a ra h n o s p h e r e ，1 9 9 7 ) 3 1 1 2 电离层基本物理过程 电离层的基本物理过程大致分为两大类，一类过程导致电离物的产生和消失； 另一类过程则引起电离物的运动。分别称之为“光化学过程”和“输运过程”。这 两类过程的相对重要性随高度变化：在较低的电离层( d 、e 层) 中。光化学过程 起控制作用；而f 2 层则处在光化学控制和输运控制之间的过渡高度1 4 1 。 下面引入几个在连续性方程中经常使用的术语，它们是： 1 产生率单位时间、单位体积中产生的离子一电子对称为产生率，通常以q 表示，单位是m - 9 s d 产生过程是： 1 ) 中性大气吸收太阳紫外线辐射和x 射线的结果，以及其中能量大于大约 1 2 e v 的光子能电离一种或多种大气成分( 光电离) ； 2 ) 在高纬地区及磁暴期间，离子一电子对也由沉降入大气层的高能带电粒子 同中性分子之间的碰撞产生，这称为“微粒电离”； 3 ) 在低电离层( d 层) 中，附着过程形成负离子，而光致电离则是产生电子的 另一个机制。 2 损失率单位时间、单位体积中消失的离子一电子对称为损失率，通常以 u m 表示( 它是电子浓度n 的函数) ，单位是c m 4 s 一。主要的损失过程是： 1 ) 原子离子和电子复合，也叫辐射性复合，f4 - x + 一x + h v 。 个电子同单原子离子复合要辐射第四个粒子个光子。这种辐射性复合 因为不容易同时满足能量与动量守恒，敌反应进行的很慢，在e 层和f 层不太重 耍。 8 极区电离层f 层特性的南北极对比研究 2 ) 分子离子同电子复合，也叫离解性复合，c + x y + 一x + y 与某种分子态正离子的复合，即伴有分子分解。这种复合生成两种物质粒子， 易于满足能量守恒，反应速率比辐射性复合快1 旷倍，是电离层中的主要反应。 3 ) 在低电离层中的附着过程，也叫附着性复合，e 。+ z z 一 附着在中性原子上形成负离子。因负离子中的电子易于被别种反应剥离，故 除最低电离层( d 层) 外，这种复合引起的电子消失可以忽略。 3 输运项如果迭加在无规则热运动上有有规则整体运动速度，即净漂移速 度，用矿表示，则由于输运过程引起的电子浓度的变化率就是通量( n 矿) 的散度 v ( v ) ，正的散度值表示一种损失。 描述各种过程对电子( 或离子) 密度影响的方程是： _ o n q 一三( ) 一v ( 亏) ( 1 1 ) 讲 其中：n 是电子密度，t 是时间； q 是电离生成率，即单位对间、单位体积中产生的离子一电子对数目； “n ) 是电离消失率，即单位时间、单位体积中消失的离子一电子对数 目； 矿是离子漂移速度，指叠加在无规则热运动之上的有规则整体运动速 度。 例如，在电离层f 2 区，消失率u n ) 可以用来表示，其中声是复合系数。 故方程( 1 - 1 ) 可改写为： _ o n q 一卢一v ( 帚) ( 1 2 ) o r 前面已经提到，电离生成的主要过程有：( 1 ) 太阳的紫外与远紫外辐射以及x 一射线电离中性大气；( 2 ) 高纬地区及磁暴期间，沉降于大气层中的高能带电粒 子与中性分子之间的碰撞；( 3 ) 低电离层( d 层) 中，作用于负离子上的光致电 离作用等。 从全球尺度看，太阳辐射是电离层最主要的电离源。c h