高纬电离层特性及其与磁层耦合的动力学研究
发布时间：2021-12-22 09:24
太阳紫外线辐射能导致地面海拔高度60km以上的高层大气产生电离形成电离层。高纬电离层易受太阳风、行星际磁场（IMF）以及当地发生的一系列动态物理过程的影响,这些过程会导致极光、磁扰动甚至是磁宁静期间高纬电离层的扰动。另外,高能粒子沉降、中性风和电场漂移等一些物理过程的影响都有可能影响电离层的电子浓度分布。极区电离层和磁层通过对流电场、粒子沉降以及场向电流紧密耦合在一起,在太阳风-磁层-电离层-热层耦合系统中扮演着重要角色。电离层标高是研究电离层电子浓度剖面的固有特征参量,它能够反映电离层电子浓度剖面的形状和梯度变化,这些变化又与电离层动力学、等离子体温度、等离子体成分组成等有关。虽然对于电离层HmF2的变化特性,人们己经做了大量研究工作,但是对于极区HmF2特性的相关工作仍然十分有限。为了深入了解极区电离层的特性以及极区电离层-等离子体层-磁层耦合的机制,我们做了如下几个方面的研究:（1）基于EISCATESR雷达的大量观测数据,我们对极区电离层顶部电子浓度剖面数据进行了最小二乘法拟合,提出并验证了计算极区电离层HmF2的新方法。（2）基于EISCATESR雷达1997至2008年间的...
【文章来源】：武汉大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．３沉降电子和离子在电离层中引起的电离??１．１．３电离复合和粘附过程??，
ｓ＇１??图１．３沉降电子和离子在电离层中引起的电离??１．１．３电离复合和粘附过程??如果电离层中只有电离过程的话，那么高层大气最终肯定会完全电离。实际??上电离层中存在着抵消电离且维持平衡的两种物理过程：离子和电子组合重新形??成中性原子，电子粘附在中性原子或分子上形成负离子。在形式上这两个过程可??以用复合系数■和粘附系数＆来表示，这两个系数分别表示每秒有多少电子和离??子复合、每秒有多少电子粘附在中性粒子上。复合和粘附都是有效的电离粒子损??失过程，它们对电离过程有着逆向的影响。复合率与能够复合的离子密度和电子??密度有关，而粘附率则仅仅与可粘附在中性粒子上的电子的数量有关。人们观察??到在平衡状态下，电离层等离子体是呈电中性的，即，因此推出电子密度??的连续性方程如下：??ｄｉｎ．?〇?１??批—Ｑｖｆｅ?＿?—?Ｐｒ＾ｅ?（１－１２）??式（１．１２）右边第一项为太阳紫外线辐射产生的电离和沉降粒子碰撞产生的??电离项，它是电离层中电子密度的来源，另外两项为损失过程。系数和＆包含??一系列复杂的光化学过程
?性也是必须考虑的因素。基于以上因素，地球电离层的电子密度呈现出三个不??同的分层：Ｄ层，Ｅ层和Ｆ层，如图１．５所示。??１０００?厂?｜?＼?Ｉ?＼??８００?＾?强太阳活动??６００－?弱麵动??１?）?／?２??６０【???Ｉ?１?！?１?＾??１０８?１０９?１０１０?１〇１１?１０１２?１０１３??电子浓度（ｎｆ３）??图１．５电离层电子浓度垂直分层结构示意图??６０ｋｍ到９０ｋｍ高度范围内的低电离层被称为Ｄ层，电子浓度白天大致为１０２??？１０４?ｃｍ＇夜间则会变得非常小，该层对无线电波的吸收起主要作用。Ｄ层电离??率很低，并由于中性气体动力学和化学反应过程占主导使其振荡频率过高，因而??不能视为等离子。??９０ｋｍ以上高度范围的电离层因为中性气体提供了电离的来源，上至５００ｋｍ??高度仍然是部分电离的状态。上层电离层又可分为两部分：９０ｋｍ到１４０ｋｍ高度??范围内、峰值高度在１１０ｋｍ左右的Ｅ层以及１４０ｋｍ以上高度范围内、峰值高度??在３００ｋｍ左右的Ｆ层。??Ｅ层的电子浓度随太阳紫外线入射天顶角及太阳活动强度有规律地变化，电??子浓度在白天大致为１０４?－?１０５?ｃｍ－３，在夜间则会降低至少一个数量级，该层的带??电粒子足以反射频率为几兆赫兹的无线电波。Ｅ层主要由于波长较长的紫外线到??达１５０ｋｍ高度左右的电离层之后与氧分子作用引起电离而形成，因而Ｅ层电离??层主要组成为氧离子。随着高度增加
【参考文献】：
期刊论文
[1]Statistical characteristics of the polar ionospheric scale height around the peak height of F2 layer with observations of the ESR radar: Quiet days[J]. QIAO Zheng,YUAN Zhi Gang,QI Feng,HUANG Shi Yong,LI Hai Meng,LI Hui Min,LI Ming,WANG De Dong. Science China（Technological Sciences）. 2015(04)
[2]基于Millstone Hill非相干散射雷达观测的电离层电子浓度剖面的经验正交函数分析[J]. 梅冰,万卫星. 地球物理学报. 2008(01)
[3]极隙区极光粒子沉降对电离层影响的模拟研究[J]. 陈卓天,张北辰,杨惠根,刘瑞源. 极地研究. 2006(03)
[4]高纬电离层气候学特征研究——EISCAT雷达观测及与IRI模式的比较[J]. 蔡红涛,马淑英,K.Schlegel. 地球物理学报. 2005(03)
本文编号：3546162
【文章来源】：武汉大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．３沉降电子和离子在电离层中引起的电离??１．１．３电离复合和粘附过程??，
ｓ＇１??图１．３沉降电子和离子在电离层中引起的电离??１．１．３电离复合和粘附过程??如果电离层中只有电离过程的话，那么高层大气最终肯定会完全电离。实际??上电离层中存在着抵消电离且维持平衡的两种物理过程：离子和电子组合重新形??成中性原子，电子粘附在中性原子或分子上形成负离子。在形式上这两个过程可??以用复合系数■和粘附系数＆来表示，这两个系数分别表示每秒有多少电子和离??子复合、每秒有多少电子粘附在中性粒子上。复合和粘附都是有效的电离粒子损??失过程，它们对电离过程有着逆向的影响。复合率与能够复合的离子密度和电子??密度有关，而粘附率则仅仅与可粘附在中性粒子上的电子的数量有关。人们观察??到在平衡状态下，电离层等离子体是呈电中性的，即，因此推出电子密度??的连续性方程如下：??ｄｉｎ．?〇?１??批—Ｑｖｆｅ?＿?—?Ｐｒ＾ｅ?（１－１２）??式（１．１２）右边第一项为太阳紫外线辐射产生的电离和沉降粒子碰撞产生的??电离项，它是电离层中电子密度的来源，另外两项为损失过程。系数和＆包含??一系列复杂的光化学过程
?性也是必须考虑的因素。基于以上因素，地球电离层的电子密度呈现出三个不??同的分层：Ｄ层，Ｅ层和Ｆ层，如图１．５所示。??１０００?厂?｜?＼?Ｉ?＼??８００?＾?强太阳活动??６００－?弱麵动??１?）?／?２??６０【???Ｉ?１?！?１?＾??１０８?１０９?１０１０?１〇１１?１０１２?１０１３??电子浓度（ｎｆ３）??图１．５电离层电子浓度垂直分层结构示意图??６０ｋｍ到９０ｋｍ高度范围内的低电离层被称为Ｄ层，电子浓度白天大致为１０２??？１０４?ｃｍ＇夜间则会变得非常小，该层对无线电波的吸收起主要作用。Ｄ层电离??率很低，并由于中性气体动力学和化学反应过程占主导使其振荡频率过高，因而??不能视为等离子。??９０ｋｍ以上高度范围的电离层因为中性气体提供了电离的来源，上至５００ｋｍ??高度仍然是部分电离的状态。上层电离层又可分为两部分：９０ｋｍ到１４０ｋｍ高度??范围内、峰值高度在１１０ｋｍ左右的Ｅ层以及１４０ｋｍ以上高度范围内、峰值高度??在３００ｋｍ左右的Ｆ层。??Ｅ层的电子浓度随太阳紫外线入射天顶角及太阳活动强度有规律地变化，电??子浓度在白天大致为１０４?－?１０５?ｃｍ－３，在夜间则会降低至少一个数量级，该层的带??电粒子足以反射频率为几兆赫兹的无线电波。Ｅ层主要由于波长较长的紫外线到??达１５０ｋｍ高度左右的电离层之后与氧分子作用引起电离而形成，因而Ｅ层电离??层主要组成为氧离子。随着高度增加
【参考文献】：
期刊论文
[1]Statistical characteristics of the polar ionospheric scale height around the peak height of F2 layer with observations of the ESR radar: Quiet days[J]. QIAO Zheng,YUAN Zhi Gang,QI Feng,HUANG Shi Yong,LI Hai Meng,LI Hui Min,LI Ming,WANG De Dong. Science China（Technological Sciences）. 2015(04)
[2]基于Millstone Hill非相干散射雷达观测的电离层电子浓度剖面的经验正交函数分析[J]. 梅冰,万卫星. 地球物理学报. 2008(01)
[3]极隙区极光粒子沉降对电离层影响的模拟研究[J]. 陈卓天,张北辰,杨惠根,刘瑞源. 极地研究. 2006(03)
[4]高纬电离层气候学特征研究——EISCAT雷达观测及与IRI模式的比较[J]. 蔡红涛,马淑英,K.Schlegel. 地球物理学报. 2005(03)
本文编号：3546162
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