夜间电离层中纬度带状结构特性

  电离层的纬度结构不仅受到光化学过程的影响,同时受到复杂的动力学和电动力学过程的调制。在日间,中低纬度电离层的电离水平主要依赖于太阳辐射和太阳天顶角。到了夜间,中低纬度电离层几乎没有任何电离源。根据光化学平衡理论,电离层电子浓度在日落之后应该会出现快速减少,但是从实际观测结果来看,中低纬度电离层的电子浓度能够维持较长的时间,甚至会出现增强。目前国际上对于夜间电离层纬度结构的研究成果有很多,但具体的演化特性及其中主导的物理机制尚未清楚。

  中山大学大气科学学院空间天气团队钟嘉豪副教授与中国科学技术大学地空学院雷久侯教授等人利用2006至2017年COSMIC卫星在200至800公里高度的掩星观测电子浓度数据详细分析了夜间电离层中纬度带状结构的全球分布、垂直结构、太阳活动依赖性、以及地方时变化等特性,并结合等离子体层总电子含量和水平风经验模型进一步探讨其中的主导物理机制。主要研究结果如下:

(1)夜间电离层中,沿着磁纬度40度左右呈现出相对较高电子浓度的带状分布结构,(图1);


图1. 夜间中纬度电离层带状结构(左)与赤道异常结构(右)的对比。上面两图给出电子浓度的全球分布,下面两图给出的是全球电子浓度随磁纬度的变化。

(2)在分点期间,中纬度带状结构南北半球对称且分布在所有经度上;但在至点期间,其通常只出现在冬季半球特定经度(图2);


图2. 太阳活动低年,在地方时为03 LT和800公里高度上,四个季节的电子浓度全球分布情况。

(3)中纬度带状结构在较高高度、夜间更晚的地方时、以及较低太阳EUV辐射条件下更显著;

(4)在23-05 LT,中纬度带上的电子浓度长时间维持不变,且伴随着峰值高度的升高;

(5)中纬度带的电子浓度与低纬度区域的等离子体层TEC的经度变化特性基本一致;

(6)在中纬度带状结构较为明显的经度区域,其南北半球中纬度中性风在沿磁力线方向投影的风速分量通常是向上的;

(7)中纬度带的形成与等离子体沿磁力线扩散以及中性风抬升作用有关(图3);


图3. 夜间电离层纬度结构受等离子体层沿磁力线扩散以及中性风抬升作用影响的示意图。

(8)由于热层动力学过程引起的复合率变化也有可能进一步加强夜间中纬度带状结构。

  该研究成果发表于 JGR: Space Physics (Zhong, J., Lei, J., Yue, X., Luan, X., & Dou, X. (2019). Middle-latitudinal band structure observed in the nighttime ionosphere. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 124(7), 5857-5873. https://doi.org/10.1029/2018JA026059),同时被美国地球物理学会JGR: Space Physics总主编Michael Liemohn选为Editor Highlight亮点报道,评价该工作完整概述了夜间电离层的变化情况(Holistic Views of the Nighttime Ionosphere,https://eos.org/editor-highlights/holistic-views-of-the-nighttime-ionosphere)。