基于地基气辉成像仪及卫星观测的低纬电离层不规则体研究

发布时间：2020-05-07 17:57

【摘要】：电离层F层中含有多种等离子体不规则结构,它们是重要的空间天气现象。这些不规则体的出现,通常能够影响星地卫星的通信,导航及定位等。因此研究这些不规则体的结构特征及其详细的演化过程具有非常重要的科学意义和应用价值。本论文,使用子午工程被动光学探测结果和我们团队建立的全天空气辉成像仪(All-sky imager)探测网的观测数据、C/NOFS(Communication/Navigation Outage Forecasting System)卫星的观测数据、中国环境监测网GNSS(Global Navigation Satellite System)的TEC(Total Electron Content)观测数据以及子午工程海南台站数字测高仪的监测数据,并结合再分析资料,对在我国上空观测到的特殊赤道等离子体泡(Equatorial Plasma Bubbles,EPBs)事件及边缘等离子体增强(Edge Plasma Enhancements of Equatorial Plasma Depletion,EPEEPDs)进行了详细研究。在特殊等离子体泡事件的研究中,发现观测到的类波结构的等离子体泡很可能是由底层台风引起的大气重力波诱发所致,预示了某些特殊电离层不规则体的形成与低层大气活动存在重要的耦合关系。此外,在对EPEEPDs的研究中,我们探讨了其可能的形成机制。该机制揭示了等离子体泡演化过程中,等离子体的再分配机制在其中起着非常重要的作用,该结果有利于我们进一步认识电离层不规则体的形成及演化过程。主要研究结果归结如下:1.利用富克(109.1°E,19.5°N)台站以及桂平(110.7°E,23.8°N)台站全天空气辉成像仪的观测数据研究了我国上空2013年10月04日(事件1)及2013年9月29日(事件2)夜晚观测到的赤道等离子体泡,对其结构特征以及演化过程做了详细的研究。研究中发现,事件1中的等离子体泡午夜前呈现出明显的类波结构特征,且相邻等离子体泡相互平行。结合再分析资料及台风观测数据,研究发现底层台风引起的大气重力波很可能是这些类波结构等离子体泡形成的重要诱因。此外,这些等离子体泡沿着西北-东南向分布,与磁子午方向有一个大约30°的夹角。其中一个等离子体泡的高纬度部分突然向东旋转,最后形成一个类似“C”形结构的等离子体泡,这样的演化过程首次被全天空气辉成像仪观测到。午夜之后,一个等离子体泡融合进入另一个等离子体泡,石化的等离子体泡的融合过程首次被观测到。事件2中的观测结果呈现了“I”,“S”以及“Y”三种不同形状的等离子体泡。此外,研究结果证实等离子体泡的特殊形态以及与磁子午方向形成的夹角可能和不同纬度夜晚电离层的背景中性风及电导率有关。在“Y”形结构的等离子体泡发展过程中,其东向分支的速度大于西向分支的速度。2.利用曲靖(103.8°E,25.5°N)台站的全天空气辉成像仪以及C/NOFS卫星观测数据详细研究了伴随着赤道等离子体泡出现的边缘性等离子体增强(EPEEPDs)。我们发现EPEEPDs伴随着等离子体泡而产生,其形成机制可能和等离子体泡演化过程中的极化电场相关。同时,该机制也揭示了等离子体泡演化过程中,等离子体的再分配机制在其中起着非常重要的作用。多年来等离子体泡有较为广泛的研究,然而出现在等离子体泡边缘的等离子体增强却很少被研究。使用曲靖台站气辉成像仪及C/NOFS卫星四年(2012-2015)的观测数据对EPEEPDs进行了详细研究。发现EPEEPDs仅仅出现在等离子体泡的东西边缘,在其极向边缘并没有出现。在等离子体泡的演化过程中,这是一个高发的现象,四年的平均发生率达到约82%。EPEEPDs随经度及当地时间的发生变化相似于等离子体泡的发生,在当地时间20:00-22:00有明显的发生峰值。其纬向尺度随着高度具有明显的变化特征。3.利用曲靖台站的全天空气辉成像仪观测数据以及中国环境监测网络GNSS的TEC数据对2015年11月08日出现在我国上空的一个特殊赤道等离子体泡的演化过程做了详细研究。在过去的研究中,大量赤道等离子体泡都出现在日落后的短暂时间,并且通常是自西向东运动。而在我们的观测数据中显示,当天捕捉到的等离子体泡,出现在接近日出附近,并且在日出之后保持着继续生长,一直到日出后大约1小时才消失。这样一个特殊的等离子体泡的演化过程被全天空气辉成像仪及GNSS观测网络首次捕捉到。同时,在气辉观测结果及GNSS的TEC观测结果中显示这些等离子体泡是西向漂移的,和早期观测到的东向漂移的日落附近等离子体泡的运动方向相反。此外,在观测结果中,等离子体泡的断裂及复合过程也首次被全天空气辉成像仪观测到。这些等离子体泡出现在一个磁暴的恢复相期间,磁暴引起的电离层反馈很可能是诱发这些特殊赤道等离子体泡产生的重要因素。
【图文】：

大气层,大气波,中性成分,被层

及意义个地球被大气层所包裹着。而地球大气随高度呈基于大气温度分布特征，垂直方向我们通常将们分别是对流层、平流层、中间层、热层和逃逸部分也通常称之为低热层，许多重要的大气波., 2015; Li 等., 2018; Liu 等., 2014, 2018）。而由作用，对应大气层中的中性成分会被电离，被层，完全电离的区域被称之为磁层（熊年禄，是低层大气和高层大气之间的连接层，受到多种人类无线电波通讯通常依赖于电离层中的自由

质量图,大气层,不同高度,成分

属于电离层 D 层。只出现在白天，到了夜晚，由于离子间的快速复合作用，在夜晚会消失。而 E 层主要分布在 90 -150 km 高度层，在该区域，，分布最多的是NO 和O 离子。该高度层中，受制于大气的一些风剪切效应（Kato 等.,1972），某些时候也会形成一层较为稀薄的金属离子层，通常称之为偶发 E 层。而在电离层 150 km 高度之上的部分，我们常称为电离层 F 层。电离层 F 层是电离层分区中电子浓度最高的地方，白天通常会分为 F1和 F2层。其中 F1主要分布于 150 -200 km 高度层，通常在夜晚消失。在 200 km 高度层之上，通常分布的是电离层F2层。很多非常有意义及重要的电离层现象均发生在F2层的赤道附近。例如磁赤道上空的 F2层附近的电子浓度在磁赤道附近常呈现出明显的“双驼峰结构”，我们通常称为磁赤道附近的“赤道异常”现象。同时，很多电子密度不规则结构也常常发生在电离层F2层，我们通常将之称之为扩展F层，即Spread F。当无线电信号经过这些不规则体区域的时候，常会出现明显的闪烁现象。同时，
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P352.7

【相似文献】