暴时热层大气密度对行星际扰动的响应时间研究

With the thermospheric total mass density derived from the high precision measurements of accelerometer boarded on CHAMP/GRACE satellites, the atmosphere density empirical models, as well as the ionosphere-thermosphere coupling theoretical model, the analysis of observation data and numeric simulation is made. The temporal and spatial distribution features of storm-time thermospheric mass density, along with the mechanism of the storm-time mass density disturbance, are analyzed. By analyzing the effect of solar wind and interplanetary magnetic field on the disturbance of storm-time thermospheric mass density, the effective control parameters or parameters group are sought out. The response time and its distribution law of storm-time thermospheric mass density to the effective control parameters or parameters group arrived at magnetopause are investigated...This study is the subject of international concern. The results of the study are of great importance not only to understand the solar wind-magnetosphere- ionosphere-thermosphere coupling process, but also to improve the precision of atmospheric density model.The study of storm-tiem thermospheric mass density have valuable application for the precise orbit determination and tracking of the low-orbit spacecraft.

利用由CHAMP/GRACE卫星先进加速度仪数据反演得到的热层大气总质量密度（数据精度高、时间连续、时空覆盖广）、以及大气密度经验模式和电离层热层耦合理论模式，开展数据分析和数值模拟，分析磁暴期间热层大气密度的时空变化规律及其形成机理；研究太阳风/行星际磁场参数对暴时热层大气密度扰动的影响，探寻暴时大气密度扰动的有效控制参量/参量组合；分析暴时热层大气密度扰动对到达磁层顶后的有效控制参量/参量组合的响应时间,并研究该响应时间的分布规律。.这是国际关注的前沿课题，对深入理解太阳风-磁层-电离层-热层耦合过程具有重要的科学意义；同时对改进现有热层大气密度模式，进而对低轨道航天器的精密定轨和轨道预测等工程领域具有重要的应用价值。

热层大气总质量密度（简称热层大气密度）与低轨道飞行器所受的大气拖曳阻力紧密相关，直接影响卫星轨道稳定性及寿命。暴时，太阳风携带的能量经过磁层-电离层-热层耦合和相互作用后进入地球空间，使热层大气密度时空分布发生显著变化。本课题利用CHAMP/GRACE 所测量的大气密度数据及已有的大气模式，在深入了解暴时热层大气密度扰动的时空分布特征及其形成机制的基础上，联合利用OMNI数据，研究到达磁层顶后的太阳风/行星际参数对暴时热层大气密度扰动的影响，确定对暴时热层大气密度扰动的有效控制参量或参量组合；重点分析暴时热层大气密度扰动对到达磁层顶后的有效控制参量或参量组合的响应时间，并研究该响应时间的分布规律。研究结果表明：（1）扰动期间，整体上在太阳风/行星际参数扰动之后的数个小时后，热层大气密度显著增长。(2)通过模式模拟发现，暴时CHAMP卫星轨道附近的焦耳加热、分子氧含量、中性大气温度急剧上升，与热层大气密度急剧上升紧密相关。（3）选取2000年到2006年期间大磁暴事件，统计分析热层大气密度扰动与多种太阳风/行星际参数的关系，结果表明重联电场Em与行星际磁场强度B与暴时大气密度扰动有较好的相关性。（4）暴时大气密度扰动相对于Em和B两参数变化存在时间延迟。对于参数Em来说，最可几延迟时间在高纬和低纬分别约为1.5h和4.5h，没有明显的地方时依赖；在中纬地区，除了正午扇区外最可几延迟时间约为6h，大于低纬地区最可几延迟时间。对于参数B来说，延迟时间分布较分散；最可几延迟时间具有明显的地方时依赖，正午/午夜扇区延迟短于晨昏扇区。（5）中低纬地区，当B较大时，B对大气密度扰动的线性控制因子增大；而当Em较大时，Em对大气密度扰动的线性控制因子出现“饱和”趋势。（6）磁暴类型不同，参数Em和B对暴时大气密度扰动的影响不同。Em对大气密度扰动的影响在CIR磁暴中较强，而在CME磁暴中较弱；此外，Em和B两参数对暴时大气密度扰动的影响存在地方时依赖性。（7）轨道平均的大气密度滞后Em约为0-4.5h，该延迟时间没有明显的高度依赖；当延迟时间小于3h时，扰动越强，延迟时间越短。对于参数B而言，轨道平均大气密度相对B的滞后时间较分散，整体上约为-1.5-10.5h。这些研究结果对深入理解太阳风-磁层-电离层-热层耦合过程以及暴时大气密度扰动特征具有重要的科学意义。