极区热层大气对太阳风-磁层动量和能量输入的响应及其机制研究

摘要

地球热层是连接低层大气和外层空间的重要部分。热层大气的性质，特别是其密度变化，显著地影响低轨卫星定轨精度和寿命长短。同时，热层和电离层通过一系列物理化学过程耦合在一起。热层变化可以带来电离层扰动，进而影响无线电通信和卫星导航等人类活动。综上，研究热层大气具有重要的应用价值。热层大气变化，特别是其在高纬地区的变化，强烈地受到太阳风一磁层动量与能量输入的调制。本文的主题是热层大气对注入到地球极区的太阳风能量和动量的响应及相关的物理机制研究。本文以热层大气密度为核心，探讨了其对太阳风扇区极性反转和磁层对流等物理过程的响应。本论文的主要研究内容和取得的成果如下:
　　1.揭示太阳风扇形结构对热层大气的影响。
　　基于约5000个空间物体的两行轨道数据反演的1967-2007年间不同高度的的全球平均热层大气密度，统计分析了其对太阳风扇区极性反转的响应。结果表明，在三月份行星际磁场方向从背向太阳反转为面向太阳的过程中，400公里处的热层大气密度相对其11天的平均值最高增加23％;然而在太阳风扇区极性从面向太阳反转为背向太阳的过程中，密度最大减小仅12％。在九月份，相同的扇区极性反转过程引起的热层密度的增加或减少与三月份相反。在夏至或冬至日时节，扇区极性反转带来的热层密度变化较小。除去季节的影响，随着高度的增加和太阳活动水平降低，热层密度的相对扰动幅度增加。然而，在极低太阳活动条件下，400公里和550公里高度的大气密度的相对扰动接近，这可能是因为热层大气从氧原子主导向氦原子主导过渡的高度在太阳活动极低年下降。我们的研究还表明，太阳风中的共转相互作用区(GIR)与扇区极性反转大概率相继出现，这导致统计结果中太阳风扇区极性反转引起的密度增强有一部分是共转相互作用区的贡献。相应地，扇区极性反转引起的密度减小也被共转相互作用区削弱。
　　2.研究极点热层密度的变化特性及其受太阳风扇形结构的调制。
　　基于2002年至2010年的GRACE卫星的观测密度进行统计分析可得，南北极的热层大气密度均存在世界时（即磁地方时）变化。在9-11月份地球处于行星际磁场为背向太阳的扇区内（背向扇区）时，南极热层密度在约17:00UT(13:30MLT)达到最大值，比日平均值高约22％。而在6-8月份，当地球处于行星际磁场为面向太阳的扇区内（面向扇区）时，北极热层密度在06:00UT(12:30MLT)达到最大值，比日平均值高约13％。南极点的磁纬是-74°，其在15:30UT处于磁地方时正午，恰与极尖区位置重合。北极在5:30UT处于磁地方时正午，此时北极与极尖区位置最靠近。之前的研究表明极尖区热层密度比周围区域高。因此极点热层大气密度的磁地方时变化可能是其周期性靠近极尖区的结果。南北极热层密度的世界时变化分别在背向和面向扇区内更明显，这可能是与行星际磁场By分量对南北半球密度的不同影响有关。统计结果还表明，极点热层大气密度的磁地方时变化在冬季半球内不明显。这可能是由于在冬季半球，沉降于极尖区的粒子相比夏季半球少、沉降高度低，因而能量沉降所引起的热层上部的密度增强较小。
　　3.研究热层高纬低密度胞状结构的高度变化。
　　热层高纬的密度胞状结构指的是与临近区域相比局部的密度增强或减弱结构。之前的模拟结果表明密度胞状结构只存在于350公里之下。本工作利用全球电离层热层模式GITM来研究密度胞状结构在较高高度不明显的原因。结果显示在较低或较高的热层区域，离子对流均可以在磁极晨侧区域驱动中性的气旋结构，并在气旋结构的中心形成向下的对流，从而导致气旋中心的大气密度相对背景密度减小，并且密度减小的相对幅度随高度变化不大。在较低高度的热层，密度减小展现为一个明显的独立低密度胞状结构。然而，在较高的热层，背景大气密度在白天-夜间方向的梯度很强，离子对流引起的密度减小被掩盖。因此，独立的低密度胞状结构并没有在较高高度的热层凸显出来。
　　4.揭示热层高纬低密度胞状结构的世界时/经度变化特征及其机制。
　　GITM的模拟结果显示离子拖曳力驱动的南北半球热层高纬的中性气旋以及低密度胞状结构的强度均随着世界时/经度的变化而变化。而当模拟中的真实磁场被替换为偶极场时，中性气旋和密度胞状结构强度的世界时/经度变化随之消失。这显示了磁极与地理极的偏离在其中的决定性作用。本研究发现受日夜太阳辐射差异的影响，等离子体密度在日侧远大于夜侧。在地球自转的过程中，磁极周期性的处于地理的日侧和夜侧。当磁极处于日侧时，其背景等离子体密度大，这导致中性-离子碰撞频率和相应的离子拖曳力也比较大。因此离子拖曳力随地球自转发生周期性变化，这导致它所驱动的中性气旋和低密度胞状结构产生了世界时/经度变化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 热层大气概述

1．1．1 高度结构

1．1．2 水平结构

1．1．3 热层密度观测手段

1．1．4 热层模型

1．2 太阳风结构简介

1．2．1 太阳风扇形结构

1．2．2 共转相互作用区

1．2．3 其它太阳风结构

1．3 太阳风-磁层动量与能量输入对热层大气影响的研究进展

1．3．1 焦耳加热与高能粒子沉降

1．3．2 离子拖曳力

1．3．3 太阳风扇形结构对热层大气影响研究

1．3．4 共转相互作用区对热层大气影响研究

1．3．5 极尖区粒子沉降对热层大气影响研究

1．3．6 磁层对流对热层大气影响研究

1．4 本文选题依据与内容安排

第二章 热层密度对太阳风扇形结构响应的统计研究

2．1 引言

2．2 数据和方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 太阳活动与地磁活动情况

2．3．2 大气密度响应

2．3．3 共转相互作用区的影响

2．4 本章总结

第三章 极点热层密度变化特征及其受太阳风扇形结构调制

3．1 引言

3．2 数据与方法

3．3 结果与讨论

3．4 本章总结

第四章 高纬热层低密度胞状结构的高度变化

4．1 引言

4．2 数值实验设计

4．3 结果与讨论

4．3．1 孤立密度胞状结构的高度变化

4．3．2 低密度胞状结构的形成机制

4．4 本章总结

第五章 高纬热层低密度胞状结构世界时／经度变化特征

5．1 引言

5．2 模型介绍与数值实验设计

5．3 结果与讨论

5．3．1 南北半球低密度胞状结构世界时／经度变化形态

5．3．2 南北半球低密度胞状结构世界时／经度变化机制

5．4 本章总结

第六章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果