磁暴期间中纬度电离层剖面结构变化的数值模拟

利用电离层理论模型模拟了磁暴期间热层大气温度、成分、中性风和电场扰动对电离层电子密度剖面结构，特别是峰值密度和峰值高度变化的影响，结果表明，热层大气温度变化所引起光化反应系数的改变对电离层剖面结构影响不大；热层大气成分特别是Ｎ２／Ｏ的变化能有效地引起密度剖面变化，Ｎ２增加足以使峰值密度产生所观测到的负相暴；由中性风和电场引起等离子体漂移是峰值高度ｈｍＦ２变化的主要原因，但对电子密度的影响不足以抵消     

非相干雷达探测低电离层的结果分析

位于波多黎各的Arecibo非相干雷达可以获得低电离层电子和离子密度, 利用此非相干雷达数据对中纬度低电离层的运动特征进行研究. 得到了电子密度随时间和高度的变化 情况, 结果显著呈现出周日变化特征, 并分析了电子密度随高度的变化规律. 进一步对数据进行频谱分析, 深入研究低电离层电子密度的周日变化效应. 得到电子密度的高度剖面, 发现从F层底部到E层有明显的等离子体沉降. 低电离层的层结构特征及电子密度变化表明, 在该区域还存在不同程度的等离子体扰动, 由此对低电离层的作用因素 进行分析, 认为大气潮汐或声重波可能对低电离层产生扰动, 即低电离层与大气存在一定程度的耦合作用.      

大功率无线电波与低电离层的相互作用

地面入射的大功率无线电波能加热电离层等离子体，引起电离层电子温度和密度的扰动，实现电离层的地面人工变态．本文中，着重考虑电波和电离层相互作用过程中的自吸收，构造一个自治的相互作用模型，在一定功率和频率的加热电波作用下，利用该模型计算了白天低电离层电子温度和由温度的变化而引起的电子密度的变化．计算结果表明，在白天低电离层，电波的自吸收在90km以下比较显著，而最大温度变化在70km高度上，大约增加了2倍．在α复合的假设下，电子密度变化幅度随高度的增加而减少，在70km处，大约增加55％、120km处则为4％左右．     

"闪晕"的电场结构和光辐射的时变模拟

用时变的2-D准静电场模型,研究了由雷暴放电产生的静电场在中间层-低电离层的空间结构、时延、持续时间、向下传播的速度以及静电场引起的大气电离和光辐射．研究表明,由静电场引起的氮分子第一个正波段光辐射的时空特征与观测到的“闪晕”时空特征基本一致．     

化学物质释放人工改变电离层

考虑中性气体在电离层高度的扩散过程和相应的电离层离子化学过程，研究了利用主动化学物质释放来改变电离层的方法，理论计算了H2O和SF6两种气体释放后电离层随时间的响应过程，结果表明，在电离层高度上气体的扩散过程非常迅速，电离层F区的电子密度有很大程度的减少，而扩散慢且化学反应快的气体对电离层的影响更大，就更加有利于电离层洞的形成。     

利用MF雷达对耀斑期间电离层D区电子密度的观测研究

利用MF雷达观测资料对X级别耀斑爆发期间在66-80km高度之间的电子密度进行了研究，观测到了耀斑爆发期间电子密度的突然增加，在较低高度上的电子密度的时间变化趋势与耀斑的软X射线辐射通量相关．电子密度的变化强度依赖于具体的耀斑参数，有些耀斑引起的电子密度增加高达400cm^-3，有些仅为100cm^-3左右．但耀斑期间在这一高度区间增加的总电子含量增量仅占耀斑辐射引起的整个电离层总电子含量增量的千分之一左右．最后，利用恢复阶段电子密度的时间变化过程估算了1997年11月4日耀斑期间部分高度上的有效复合系数．     

地磁暴期间中国中低纬电离层的CIT研究

利用电离层层析成像技术(Computerized Ionospheric Tomography, CIT)处理115°E子午圈附近6个台站的GPS观测数据, 分析了2004年11月地磁暴期间中国中低纬电离层的响应情况. 结果表明, 电离层呈正相扰动, 且不同高度上的响应不同, 800 km以下电子密度有不同程度的增加, 且在峰值高度附近增幅最大, 800 km以上地磁暴的影响并不显著; 伴随地磁能量的注入, 赤道异常峰极向扩展; 随磁扰强度的降低, 电子密度也逐渐恢复至平静水平. 这些结果与以往的理论和观测结果一致, 初步估计扰动是由热层暴环流引起的, 并受到赤道异常峰移动的影响.      

强震前异常电场激发声重波对电离层的影响

震前地震孕育期地表异常增强的电场,通过大气电导率传输到电离层高度.该异常电场通过非稳态局部加热,可以在电离层高度激发声重波.基于该理论,利用一维时变中纬电离层物理模型,模拟了该扰动源对电离层电子密度的影响.结果表明,重力波引起的中性风速度扰动对电离层电子密度分布影响甚微,该机理无法解释震前电离层异常扰动现象.      

大功率无线电波加热低电离层

等离子体对大功率电波的欧姆耗散会使电子温度升高,进而导致电子密度和其他等离子体参数改变,实现电离层的地面人工变态.本文基于大功率无线电波与低电离层相互作用的自洽模型,分析了不同入射条件下电离层参数的变化,主要结论如下:电离层D区是电波的主要吸收区,并且其吸收强度随入射频率的升高而降低,当入射频率为6 MHz（有效入射功率为200 MW）时电子温度的最大增幅约为520 K,电子密度最大增幅为7300 cm^-3左右;电子温度达到饱和所需时间小于电子密度的饱和时间,前者具有μs量级,后者具有ms量级;停止加热后,电子温度和密度迅速恢复到初始状态,恢复时间均小于各自的饱和时间,但量级相当;入射功率越高,电子温度和密度的增幅越大,并且饱和时间也越长,在相同入射条件下,夜晚的饱和时间要大于白天.     

磁暴期间中低纬电离层暴形态和物理机制分析

本文利用东亚地区１２个低纬电离层台站的测高仪观测数据，对１９７８年８月２７日发生的一次曲型磁暴期间电离层峰值高度和密度的变化进行了分析。采用滑动平均区分开电离层中不同时间尺度的扰动，分析了影响中低纬度电离层暴的几种扰动形态特征，并对其物理机制进行了讨论。结果表明：伴随磁暴急始的磁层压缩，电离层中表现出峰值密度增加和峰值高度下降；磁暴主相期间热层大气暴环流及其所引起的中性大气成分变化控制着电离层的大     

由电离层电位所建立的大气电状态

本文在已知电离层电位分布下, 解析地计算了大气电位, 电场和电流强度的全球分布.结果表明, 在大气导电率随高度呈指数增加的情况下, 100km高度上的电离层电位, 几乎无衰减地扫到25km以下.大气电场较强的区域主要在20km以下的低层大气区, 其垂直分量比水平分量大4个数量级.而中高层大气电场较弱, 且两分量量级相当.本文还提出了一种考虑地面形状对大气电场影响的解析方法.      

电离层H2O释放扰动效应的数值模拟研究

为充分研究化学物质在电离层释放的扰动效应和后期发展效果,基于化学物质在电离层的扩散模型、化学反应和电离层扩展F的控制模型,通过电离层H₂O的释放,研究电子e,H₂O,O+和H₂O+共4种粒子的分布状态,分析点源、多源和线源释放对电离层的扰动效果,比较不同高度、不同量和不同时间释放的影响结果,模拟夜间释放后期所激发的扩展F发展差异.结果表明,H₂O在电离层释放后,能有效耗散背景电子形成空洞,O+和H₂O+数密度呈椭圆形分布;点源、多源和运动目标线源等不同释放方式对电离层的扰动效果不同,证实了人工影响一定形态和区域电离层的可能性;H₂O释放扰动幅度,低层大于高层,白天强于夜晚,释放量越多扰动越突出;夜间化学释放能激发扩展F,并且释放量越多,激发效果越好.      

雷暴充电对大气电位的影响

本文在指数导电率大气中,在给定电离层电位情况下,考虑雷暴充电电流源以后,解析地求解了稳态电流守恒方程,获得了大气电位分布的解析表达式.考察这一表达式可以看到,雷暴充电对大气电位的影响和电离层电位对大气电位的影响主要都是垂直地起作用的.从观测到的雷暴充电电流密度的数值以及其他性质出发,利用本文得到的解析表达式进行计算可看到,雷暴充电作用能够使电层高度上的电位上升到由观测所推出的电层电位应具有的数值.数例结果还表明,电离层电位能通过对雷暴上空电层电位值的显著影响而对晴天区低层大气电状态发生作用.      

Variations of quasi-electrostatic fields and ionosphere potential above lightning discharge at equatorial latitudes

Lightning discharges by thunderstorms cause generation of electromagnetic pulses and of quasi-electrostatic fields (QESF) in the atmosphere above, which occur in different time-scales. QESF penetrate into the mesosphere and the lower ionosphere where they are big enough to generate considerable electric charge transfer there and, in some cases, to cause red sprites. These processes may have an important contribution to the global atmospheric electric circuit. Significant transient variations of the ionospheric potential above the thunderstorm take place as well. QESF depend on the atmospheric conductivity and in the ionosphere they are affected also by its anisotropy determined by geomagnetic field orientation. QESF after a lightning discharge are investigated theoretically in this work in the case of equatorial latitudes (by horizontal geomagnetic field), where thunderstorms are important contributors to the global circuit. Results for DC electric fields in the lower equatorial ionosphere above a thundercloud obtained by earlier models demonstrate some specific features of the spatial distribution of these fields, which appear due to geomagnetic field orientation. Thus, the electric fields can be shifted by tens or more kilometers to east of the cloud charge region; also their horizontal scale is much bigger than in the case of middle latitudes. Here, a presence of similar specific features of quasi-electrostatic field distributions and ionospheric potential variations caused by a lightning stroke is studied. A situation when no secondary ionization is generated is considered. A model based on the Maxwell equations for potential electric fields is proposed. Computations of QESF in the middle atmosphere and of the ionospheric potential variations are provided as dependent on conductivity and its anisotropy in D-region. The obtained results for the ionosphere show that the electric fields in the equatorial lower ionosphere are comparable to these formed in the case of middle latitudes. However, their horizontal scales are much bigger and depend on conductivity profiles. Similar features are valid also for the ionospheric potential variations and for their horizontal scales.     

On the effect of near-equatorial thunderstorms on the global distribution of ionospheric potential

We develop our earlier attempts to perform an indirect quantitative examination of the hypothesis that electric currents flowing up from thunderstorms to the ionosphere (also known as Wilson currents) charge the ionosphere to a large positive potential with respect to the Earth. First, we take the electrostatic potential arising from the interaction of the solar wind with the Earth’s magnetosphere derived from an experimental data-based model of the high-latitude field-aligned currents. We then obtain the global distribution of ionospheric potential, utilizing a thin shell model, based on integration along field lines of the current continuity equation with a realistic model of ionospheric conductivity. Next, we include additional upward currents to simulate the effect of the three main thunderstorm regions over equatorial Asia/Oceania, Africa and the Americas. We compare the local time variation of the eastward electric field in the ionosphere produced by these three equatorial sources separately, and seek to understand the substantial differences between them. Finally, we examine the variation with local time of the eastward electric field in the ionosphere at low latitudes.     

Importance of electric field measurement over low latitudes at stratospheric heights by balloons

The vertical field in the stratosphere around 35 km is predominantly of atmospheric origin whereas the horizontal electric field at these altitude is mainly of ionospheric origin. The electrical coupling between ionosphere and atmosphere is not known for low latitudes. Balloon borne electric field measurements are planned from Hyderabad, India (geographic latitude 17.5° N) to understand this coupling. Measurement of stratospheric electric fields are also important from the point of view of the sun-weather relationship. It si suggested that the balloon borne electric field measurements are important to understand the electrodynamics of the middle atmosphere.     

台风影响电离层F2区的一种可能机制

在台风期间,特别是台风登陆前后,强烈的海气、陆气相互作用会增强低层大气中的湍流活动,并可能导致大气湍流层顶的抬升.这种抬升会改变高层大气结构,从而影响高层大气中的光化学过程,最终造成对电离层的影响.在台风活动抬升了湍流层顶的前提下,利用一个一维电离层物理模型,模拟了日本中纬地区(45°N,142°E)电离层F2区的响应.模拟结果很好地定性解释了如下观测事实,台风期间,电离层f0F2会下降,对给定频率电波的反射面会抬升;同时还表明以上过程会导致hmF2上升,这表明台风期间湍流层顶的抬升可能是台风影响电离层F2区的一种十分有效的机制.      

不同上边界条件下的极区电离层数值模拟

利用一维自洽的极区电离层模型,研究了沿磁力线方向不同电离层-磁层耦合条件下极区电离层的响应.此模型在110-610km的电离层空间区域内,综合求解描述极区电离层的连续性方程、动量方程和能量方程,以得到电离层数值解.研究发现,上边界条件在200 km以上的高度能显著地影响电离层参量的形态.较高的O+上行速度对应较低的F层峰值和较高的电子温度.不同边界O+上行速度对应的温度高度剖面完全不同.200km以上电子温度高度剖面不但由来自磁层的热流通量所控制,同时还受到场向O+速度的影响.对利用电离层模型研究电离层内部物理过程提出了建议.