第24周低太阳活动条件下中低纬电离层的新特点及其影响因素

Following prolonged and extremely quiet solar activity from 2008 to 2009, the 24th solar cycle (SC24) starts slowly, and the solar extreme ultraviolet (EUV) irradiance level in cycle 24 is significantly lower than cycles 19 to 23. The ionization level of the atmosphere in SC24 is notably lower correspondingly. In this study, we plan to employ the rich historical ionospheric data in the space age to investigate the new features of SC24 ionosphere covering the following aspects: (1) the differences between SC24 ionosphere under low solar EUV flux and the previous solar cycles; (2) comparative study on the observation in SC24 and empirical models/modeling results to verify the forecasting of the ionosphere; (3) factors and mechanism in addition to the EUV direct effect, including the energy from geomagnetic activity and other geophysical events and the processes of thermospheric wind effect and atmosphere-ionosphere coupling. The expected results will contribute to the understanding of the ionospheric variations and processes in SC24, and the ionospheric forecasting under such ultra-low solar activity. Due to the insufficient data and knowledge on weak solar cycles, the results are helpful for the probably coming solar grand minimum.

在2008~2009年，太阳活动和地球电离层都经历了一段极低时期，而自第24太阳活动周以来太阳活动性上升缓慢，即使在趋近峰年时（2012~2014年）太阳EUV辐射通量水平仍显著低于前几个活动周，相应的，此时电离层的总体水平也明显偏低。本项研究拟充分利用太空时代以来丰富的电离层观测数据，在以下几方面开展对第24周电离层新特征的研究：（1）在太阳辐射的直接电离作用较弱的背景下，分析电离层在第24周与之前几个活动周的差异；（2）考察基于历史数据的电离层经验模式在第24周的适用性；（3）对此时影响电离层的非直接电离因素和机制开展研究，包括来自地磁扰动和其它地球物理现象的能量，及热层中性风、大气—电离层耦合等机制的作用。本研究的预期结果既有助于了解弱太阳辐射背景下电离层变化的物理机制，对此背景下的电离层预测预报也将有所助益，并在这两方面服务于第24周之后可能来临的更长的低太阳活动时期。

在2009年开始的第24太阳活动周里，太阳活动水平明显偏低，可能预示着太阳将进入一段较长的平静时期。本项目立足于第24活动周电离层的多手段观测数据，并扩展研究一两个活动周以来的电离层特征。针对第24太阳活动周的独特性，特别对太阳活动极低年的太阳EUV辐射和电离层水平进行了研究。另外，利用最近一个多太阳活动周的观测数据，系统研究了太阳EUV辐射的直接作用以及电离层长期趋势等特征，还关注了电离层与等离子体层的相互作用，以及开展了等离子层对行星际激波的响应的特例研究。对于由下至上的扰动源，则关注了局地的大气重力波活动与电离层TID和扩展F现象的关联。研究工作的主要发现包括：揭示了赤道电离层的双峰结构受大气潮汐的显著调制，而中纬度电离层与等离子体层之间存在重要的耦合关系，等离子体层可成为夜间电离层的重要等离子体来源。同时发现传统上用于电离层研究的GNSS TEC数据，可用于对激波压缩磁层过程的遥感观测，从TEC的突然变化中可获得等离子体层受行星际扰动而发生突然变化的信息。上述结果有助于全面的研究和了解影响电离层的多方面因素，特别是其与上下圈层的耦合机制。总而言之，本项目聚焦低太阳活动性期间的电离层状态和变化，凸显了低太阳活动周的独特特点，为接下来对可能出现的更长期的低太阳活动期开展研究提供了基础。