背景電離層半球不對(duì)稱特征研究

羅偉華 徐繼生

（1.中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072）

引 言

日落以后，赤道電離層底部的電子密度經(jīng)常會(huì)發(fā)生損耗，形成泡狀結(jié)構(gòu)，并向上穿透至F2層峰以上高度，即赤道電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)或赤道擴(kuò)展F（Equatorial Spread F，ESF）.電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)對(duì)無(wú)線電波傳播存在極大的影響，可導(dǎo)致穿過(guò)其中的信號(hào)的幅度和相位發(fā)生快速的隨機(jī)變化，即電離層閃爍.

由于中性風(fēng)場(chǎng)和磁偏角的影響，背景電離層中的電子密度、foF2以及赤道電離異常（Equatorial Ionosphere Anomaly，EIA）通常表現(xiàn)出關(guān)于磁赤道不對(duì)稱［1-2］.羅偉華等［3］利用通量管積分得到的南-北半球積分電子密度N、積分Pedersen電導(dǎo)率～ΣP以及F區(qū)Pedersen電導(dǎo)率同E區(qū)和F區(qū)Pedersen電導(dǎo)率之和的比值～ΣFP／～ΣE+FP均表現(xiàn)出不對(duì)稱.電離層背景參量的不對(duì)稱分布將導(dǎo)致南-北半球的電動(dòng)力學(xué)過(guò)程存在差異，對(duì)赤道地區(qū)的等離子體不穩(wěn)定性過(guò)程可能產(chǎn)生影響，從而影響ESF的生成和發(fā)展以及閃爍發(fā)生率.

近年來(lái)，一些衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果表明，不規(guī)則結(jié)構(gòu)和閃爍活動(dòng)的出現(xiàn)率與背景電離層的半球不對(duì)稱存在聯(lián)系.例如，Maruyama［4］通過(guò)分析太陽(yáng)活動(dòng)高年期間（1978-1980）的ISS-b衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在ESF活動(dòng)被抑制的區(qū)域，電子密度分布呈現(xiàn)不對(duì)稱性；而在ESF活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)，磁子午面內(nèi)的密度分布基本關(guān)于赤道對(duì)稱.Raghavarao等［5］、Sridharan等［6］和Jayachandran等［7］分別指出，EIA的強(qiáng)度以及赤道異常峰的位置分布將會(huì)影響夜間ESF的出現(xiàn)［7］.Lee等［8］也指出在太陽(yáng)活動(dòng)高年期間（1999—2000），當(dāng)ESF的出現(xiàn)率較高時(shí)，EIA的不對(duì)稱特征越顯著（表征EIA不對(duì)稱特征的指數(shù)｜Ia｜的值越大）.Thampi等［9］進(jìn)一步研究了太陽(yáng)活動(dòng)低年期間（2005.8-2006.1），根據(jù)EIA的強(qiáng)度得到的EIA不對(duì)稱強(qiáng)度與ESF出現(xiàn)率之間的聯(lián)系，指出利用表征EIA不對(duì)稱的特征參數(shù)可用于預(yù)報(bào)ESF的出現(xiàn).Mendillo等［10］曾嘗試?yán)糜^測(cè)數(shù)據(jù)分析日落時(shí)的EIA的不對(duì)稱對(duì)夜間ESF出現(xiàn)率進(jìn)行預(yù)測(cè).

由于積分Pedersen電導(dǎo)率主要受電子密度的影響，這意味著的不對(duì)稱分布與不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率之間也可能存在聯(lián)系.Mendillo等［11］討論了E區(qū)Pedersen電導(dǎo)率在南-北半球的不同分布對(duì)R-T不穩(wěn)定性的影響，但沒(méi)有考慮E區(qū)和F區(qū)Pedersen電導(dǎo)率之和的不對(duì)稱的影響.Kil等［12］基于TIMED衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析指出，F(xiàn)區(qū)積分Pedersen電導(dǎo)率存在顯著的季節(jié)不對(duì)稱分布的不對(duì)稱分布對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化有重要影響.

因此，研究電離層背景參量的半球不對(duì)稱特，有助于我們進(jìn)一步了解不規(guī)則結(jié)構(gòu)的生成和發(fā)展機(jī)制，進(jìn)一步理解不規(guī)則結(jié)構(gòu)和閃爍活動(dòng)的變化規(guī)律.本文將利用通量管積分技術(shù)計(jì)算電離層背景參量，分析電離層背景參量的半球不對(duì)稱性與不規(guī)則結(jié)構(gòu)和閃爍活動(dòng)出現(xiàn)率之間的聯(lián)系，進(jìn)而提出一種新的可應(yīng)用于電離層閃爍預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)指數(shù).

1 通量管積分電離層背景參量

將粒子守恒和電荷守恒方程沿通量管積分，積分從一個(gè)半球通量管的根部通過(guò)磁通量管的頂點(diǎn)直到另一個(gè)半球通量管的根部，包括E區(qū)和F區(qū).可以分別給出積分電子密度、積分Pedersen電導(dǎo)率的表達(dá)式為［3，13-14］

式中:ne是局地電離層電離密度；σP是局地Pedersen電導(dǎo)率；RE為地球半徑；L為 McIlwain參數(shù)；ζ=sinθ，θ為磁緯；上標(biāo)N和S分別表示北半球和南半球沿通量管積分的物理參量.線積分（1）和（2）從一個(gè)半球E層底高度開(kāi)始沿磁力線到磁力線頂點(diǎn)高度處.

由式（1）和（2）可知，當(dāng)電子密度和Pedersen電導(dǎo)率存在半球不對(duì)稱分布時(shí)，沿通量管積分得到的積分電子密度、積分Pedersen電導(dǎo)率以及F區(qū)積分Pedersen電導(dǎo)率～ΣFP與E區(qū)和F區(qū)積分Pedersen電導(dǎo)率之和～ΣE+FP的比值～ΣFP／～ΣE+FP也會(huì)表現(xiàn)出半球不對(duì)稱特征［3］.下面將研究積分電子密度和Pedersen電導(dǎo)率的不對(duì)稱分布與不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率之間的聯(lián)系.

2 計(jì)算結(jié)果分析

為了研究積分電子密度和Pedersen電導(dǎo)率的半球不對(duì)稱特征，下面將首先根據(jù)前面得到的表達(dá)式分別計(jì)算積分電子密度、積分Pedersen電導(dǎo)率.計(jì)算所用的模型為IRI2001［15］和 NRLMSIS00［16］.

2.1 積分電子密度

為研究電子密度的不對(duì)稱性特征與不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率和閃爍活動(dòng)之間的聯(lián)系，類似于Mendillo等［12］和 Thampi等［9］定義的表征 EIA 不對(duì)稱強(qiáng)度的參數(shù)AF，定義表征積分電子密度不對(duì)稱性強(qiáng)度的特征參數(shù)

式中，上標(biāo)N和S分別表示北半球和南半球沿通量管積分的物理參量.如果磁赤道兩邊的電子密度分布呈顯著不對(duì)稱性，則IN應(yīng)該較大.反之，如果電子密度的不對(duì)稱性并不顯著，則IN較小.下面主要研究IN隨季節(jié)和太陽(yáng)活動(dòng)的變化.

2.1.1 逐月變化

圖1給出太陽(yáng)活動(dòng)高年（2001）和太陽(yáng)活動(dòng)低年（2005年），地理經(jīng)度120°E，積分電子密度的南-北不對(duì)稱特征參數(shù)IN的逐月變化.

圖1 IN隨月份的變化

由圖1可以看到，在太陽(yáng)活動(dòng)高年，在3—4月和10—11月期間，IN較??；在6—8月，IN較大.這與圖2給出的不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)率隨月份變化特征正好相反［17］.在太陽(yáng)活動(dòng)低年，IN在至點(diǎn)（6月和12月）期間較小，兩分點(diǎn)（3月和9月）較大，與不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率的變化特征一致.這與 Maruyama［4］給出的觀測(cè)結(jié)果一致.另外，Mendillo等［12］和Lee等［9］計(jì)算分析太陽(yáng)活動(dòng)高年期間的EIA不對(duì)稱參數(shù)得到的結(jié)果也表明，在ESF出現(xiàn)率較低時(shí)，EIA不對(duì)稱更顯著，當(dāng)ESF出現(xiàn)率較高時(shí)，EIA不對(duì)稱特征較弱.

圖2給出120°～130°E地理經(jīng)度區(qū)，ROCSAT-1衛(wèi)星在1999—2004年期間觀測(cè)到的頂部赤道不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率隨月份的變化特征［17］.

圖2 1999—2004期間，ROCSAT-1衛(wèi)星觀測(cè)到的頂部不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)率隨月份的變化特征［17］

2.1.2 逐年變化

圖3給出一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期（1997—2007）內(nèi)，在不同季節(jié)，積分電子密度的不對(duì)稱特征參數(shù)IN的逐年變化.

由圖3可以看到，在春／秋和冬季，IN與太陽(yáng)活動(dòng)呈負(fù)相關(guān)；在夏季，IN與太陽(yáng)活動(dòng)呈正相關(guān).衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果表明，在不同經(jīng)度區(qū)和不同季節(jié)，不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)率與太陽(yáng)活動(dòng)呈正相關(guān)［18］，但是子午風(fēng)場(chǎng)也可能導(dǎo)致不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)率與太陽(yáng)活動(dòng)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)［19］.

由圖1和圖3可以看到，積分電子密度的不對(duì)稱性IN與等離子體泡的出現(xiàn)率隨季節(jié)和太陽(yáng)活動(dòng)的變化存在聯(lián)系.而且，在不同季節(jié)和不同太陽(yáng)活動(dòng)期間，IN的變化規(guī)律與等離子體泡出現(xiàn)率的變化規(guī)律存在差異，這可能是由于不同季節(jié)和不同太陽(yáng)活動(dòng)期間，子午風(fēng)場(chǎng)對(duì)電子密度運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響存在差異［10］，導(dǎo)致電子密度的半球不對(duì)稱特征不同.這意味著中性風(fēng)場(chǎng)在不同太陽(yáng)活動(dòng)和不同季節(jié)期間對(duì)背景電離層和等離子體不穩(wěn)定性的影響不同，可能導(dǎo)致不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)率與太陽(yáng)活動(dòng)呈負(fù)相關(guān).

圖3 IN隨太陽(yáng)活動(dòng)的變化

2.2 積分Pedersen電導(dǎo)率

類似于參數(shù)IN，定義表征積分Pedersen電導(dǎo)率不對(duì)稱性強(qiáng)度的特征參數(shù)和F區(qū)積分Pedersen電導(dǎo)率與E區(qū)和F區(qū)積分Pedersen電導(dǎo)率之和的比值不對(duì)稱性強(qiáng)度的特征參數(shù)分別為:

如果磁南北半球的ΣP、呈顯著不對(duì)稱，則IP、IrP的值應(yīng)該較大.反之，如果ΣP、的不對(duì)稱性并不顯著，則IP、IrP較小.下面將分別研究IP、IrP隨季節(jié)和太陽(yáng)活動(dòng)的變化.

2.2.1 逐月變化

圖4給出在不同太陽(yáng)活動(dòng)期間，參數(shù)IP隨月份的變化.圖4（a）為太陽(yáng)活動(dòng)高年（2001年），圖4（b）為太陽(yáng)活動(dòng)低年（2005年）.磁力線頂點(diǎn)高度為410 km.

圖4 不同太陽(yáng)活動(dòng)期間IP隨月份的變化

圖5給出在不同太陽(yáng)活動(dòng)期間，參數(shù)IrP隨月份的變化.圖5（a）為太陽(yáng)活動(dòng)高年（2001年），圖5（b）為太陽(yáng)活動(dòng)低年（2005年）.磁力線頂點(diǎn)高度為410 km.

圖5 不同太陽(yáng)活動(dòng)期間，IrP隨月份的變化

由圖4和圖5可以看到，參數(shù)IrP和IrP隨月份變化的趨勢(shì)與IN隨月份的變化趨勢(shì)一致.太陽(yáng)活動(dòng)高年期間，IrP和IrP隨月份變化的趨勢(shì)與圖2所示的不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率隨月份的變化趨勢(shì)［17］相反；太陽(yáng)活動(dòng)低年，IrP和IrP隨月份變化的趨勢(shì)與不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率隨月份的變化趨勢(shì)一致.

由圖4和圖5還可以看到，相比IrP，IP的值較大.這表明ΣP的半球不對(duì)稱特征較的半球不對(duì)稱特征更為顯著.另外，IP和IrP隨月份的變化存在一些差異，這意味著E區(qū)積分Pedersen電導(dǎo)率可能也存在不對(duì)稱.由于EIA和半球不對(duì)稱分布的電離密度可能產(chǎn)生一個(gè)局地的風(fēng)場(chǎng)，導(dǎo)致E區(qū)電導(dǎo)率增強(qiáng)，導(dǎo)致E區(qū)積分Pedersen電導(dǎo)率呈現(xiàn)不對(duì)稱，使得IP和IrP的變化規(guī)律存在一些差異.

2.2.2 逐年變化

圖6給出不同季節(jié)，參數(shù)IP、IrP在一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期內(nèi)（1997—2007年）隨太陽(yáng)活動(dòng)的變化.黑實(shí)線為春季（3月）、紅色點(diǎn)虛線為夏季（6月）、黑虛線為秋季（9月）、藍(lán)色雙點(diǎn)虛線為冬季（12月）.磁力線頂點(diǎn)高度為410km.

圖6 不同季節(jié)參數(shù)IP、IrP隨太陽(yáng)活動(dòng)的變化

由圖6可以看到，在不同季節(jié)，參數(shù)IP和IrP隨太陽(yáng)活動(dòng)變化的趨勢(shì)不同.與不規(guī)則結(jié)構(gòu)和閃爍活動(dòng)的出現(xiàn)率也不同.在3月和9月，IP和IrP隨太陽(yáng)活動(dòng)的變化趨勢(shì)與不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)率隨太陽(yáng)活動(dòng)變化的趨勢(shì)［18］相反；在6月和12月，IP隨太陽(yáng)活動(dòng)的變化趨勢(shì)與不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)率隨太陽(yáng)活動(dòng)變化的趨勢(shì)一致.但是，在6月和12月，IrP隨太陽(yáng)活動(dòng)的變化不是很明顯，與不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)率似乎沒(méi)有關(guān)系.這也意味著當(dāng)積分Pedersen電導(dǎo)率不對(duì)稱特征越顯著時(shí)，不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)率越低.

2.3 討 論

南-北半球電子密度的不對(duì)稱可能對(duì)R-T不穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響不規(guī)則結(jié)構(gòu)（ESF）和閃爍活動(dòng)隨季節(jié)和太陽(yáng)活動(dòng)的變化.導(dǎo)致電子密度的南北不對(duì)稱的主要因素就是中性風(fēng)場(chǎng)和磁偏角，因此，電子密度的不對(duì)稱特征也能間接反映出中性風(fēng)場(chǎng)和磁偏角對(duì)等離子體不穩(wěn)定性存在影響.

由圖1和圖3～5可以看出，分別表征積分電子密度和積分Pedersen電導(dǎo)率半球不對(duì)稱強(qiáng)度的參數(shù)IN和IP存在隨太陽(yáng)活動(dòng)和季節(jié)的變化，與不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率隨太陽(yáng)活動(dòng)和季節(jié)的變化規(guī)律存在顯著相關(guān).在太陽(yáng)活動(dòng)高年期間，IN和IP隨月份的變化與不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率的變化規(guī)律相反，這與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的結(jié)果一致.在太陽(yáng)活動(dòng)低年期間，IN和IP隨月份的變化與不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率的變化規(guī)律相同.這可能是由于在不同太陽(yáng)活動(dòng)和不同季節(jié)期間，中性風(fēng)場(chǎng)對(duì)背景電離層的影響不同.此外，導(dǎo)致電子密度的半球不對(duì)稱還有其他因素，如日落時(shí)間、磁傾角等［20］，這些因素對(duì)電子密度的半球不對(duì)稱分布強(qiáng)度也可能會(huì)存在影響.

基于電子密度的不對(duì)稱分布強(qiáng)度和Pedersen電導(dǎo)率的不對(duì)稱分布強(qiáng)度與不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)率存在聯(lián)系，可以考慮用參數(shù)IN和IP進(jìn)行ESF和閃爍活動(dòng)出現(xiàn)率的預(yù)測(cè).一些研究表明，EIA的強(qiáng)度與ESF的出現(xiàn)存在聯(lián)系［5］.表征EIA強(qiáng)度的不對(duì)稱性參數(shù)AF的值在沒(méi)有ESF出現(xiàn)的時(shí)候較大［9］.當(dāng)利用TEC得到的EIA及其強(qiáng)度的不對(duì)稱對(duì)ESF出現(xiàn)率進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，準(zhǔn)確率可達(dá)85%［9，12］.因此，當(dāng)考慮利用積分電子密度和積分Pedersen電導(dǎo)率的不對(duì)稱強(qiáng)度對(duì)ESF和閃爍出現(xiàn)率進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，需要進(jìn)一步的工作將各種實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究建模.

3 結(jié) 論

本文首次根據(jù)電離層經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算得到表征沿通量管積分的電子密度、Pedersen電導(dǎo)率以及F區(qū)Pedersen電導(dǎo)率與E區(qū)和F區(qū)Pedersen電導(dǎo)率之和的比值的不對(duì)稱強(qiáng)度的參數(shù)IN、IP和IrP，分別計(jì)算分析了IN、IP和IrP隨季節(jié)和太陽(yáng)活動(dòng)的變化規(guī)律，并與閃爍活動(dòng)的出現(xiàn)率規(guī)律進(jìn)行了比較.根據(jù)理論和計(jì)算分析，本文的結(jié)果可總結(jié)如下:

1）積分電子密度的不對(duì)稱性特征參數(shù)IN的不對(duì)稱性特征參數(shù)IP和的不對(duì)稱性特征參數(shù)IrP存在隨季節(jié)和太陽(yáng)活動(dòng)的變化.

2）IN、IP和IrP與閃爍活動(dòng)的出現(xiàn)率相關(guān)，相關(guān)關(guān)系隨季節(jié)和太陽(yáng)活動(dòng)變化.在太陽(yáng)活動(dòng)高年，IN和IP隨季節(jié)的變化與不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率隨季節(jié)的變化相反；在太陽(yáng)活動(dòng)低年，IN和IP隨季節(jié)的變化與不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率隨季節(jié)的變化一致.在兩分點(diǎn)期間，IN和IP隨季節(jié)的變化與不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率隨季節(jié)的變化相反；在兩至點(diǎn)期間，IN和IP隨季節(jié)的變化與不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率隨季節(jié)的變化一致.

3）IN和IP可作為一種應(yīng)用于電離層閃爍預(yù)報(bào)／現(xiàn)報(bào)系統(tǒng)中的預(yù)報(bào)指數(shù).

對(duì)于IN和IP應(yīng)用于閃爍預(yù)報(bào)，需要結(jié)合更多的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)加以修正和完善，這也將在今后的研究工作中展開(kāi).

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