暴时高-低纬耦合及其对中低纬电离层暴的影响研究

The driver of ionospheric storms in mid- and low-equatorial region is from the polar region and is synthesis results of response of the coupling thermosphere-ionosphere-magnetosphere system to blazing solar wind. The electrodynamic coupling between high latitude magnetosphere and low latitude ionosphere and thermospheric disturbances and their dynamic coupling with the ionosphere are very important for the form and evolvement of low-mid ionospheric storms. The proposal will use measurements of different ionospheric parameters based on the sky and the ground and make the statistical analysis of ionospheric storms. The proposal also will investigate morphologic features of low-mid latitude ionospheric storms and driving effect of electrodynamic and dynamic coupling between high and low latitudes on the forming and evolvement of low-mid ionospheric storms. The key scientific issues to solve in the project are: 1) Common morphologic features of low-mid latitude ionospheric storms; 2) During storms and in low latitudes the local ion enhancements from upper F layer to the plasmasphere and its forming reason; 3) The influence of the driving forces coming from the polar region on the forming and evolvement of low-mid ionospheric storms; and 4) In the different phases of storms the relative importance of the different driving forces. The study results have important scientific significance for well understanding the characteristics of the ionospheric storm and their driving mechanism and the potential application value for the forecast of deleterious space-weather.

中纬和低纬赤道区电离层暴的驱动主要源自极区，是耦合的磁层-电离层-热层系统对剧烈的太阳风暴响应的综合结果。高纬磁层与低纬赤道电离层的电动力学耦合和源于极区的热层大气扰动及其与电离层的动力学耦合，对中低纬电离层暴的形成与演化至关重要。本项目拟利用收集的各种电离层参量的星载设备测量数据和地基台网观测数据，以电离层暴特征的统计分析为基础、天基电离层-等离子体层CT和电离层暴数值模拟为手段，研究中低纬电离层暴的形态学特征以及高-低纬电动力学/动力学耦合对中低纬电离层暴的形成与演化的驱动作用。拟解决的科学问题是：1）电离层暴形态学特征的共性规律；2）源于极区的驱动源对中低纬电离层暴生成与演化的影响；3）暴的不同发展阶段，各驱动源的相对重要性；4）暴时低纬赤道区从顶部F层至等离子体层的局地离子增强及其成因。研究结果对深化电离层暴特征及其驱动机制的认识有重要科学意义，对灾害性空间天气预测有潜在应用价值。

项目执行期间，开展的研究及其主要结果如下：1、分析了2003-11-20超强磁暴期间，北美(15N至65N，70W至130W)扇区从高纬到低纬电离层暴的发展过程，结果表明，紧跟SSC，北美TEC暴首先从高纬开始形成，然后向中纬扩展，直达约35N，同时向东移动；在低纬区，TEC暴最早在主相急始(MPO)前后出现，出现时间滞后于高纬区约4h，然后向中纬和向西扩展，高纬区电离层暴相对于SSC滞后时间很短，可能与磁暴急始和初相期间太阳风能量向高纬电离层与磁层的输入有关；低纬区电离层暴主要出现在主相和恢复相，可能与电离层扰动风发电机有关，因此有较长的时间滞后；磁暴期间，IMF的Bz分量、行星际电场Ey分量、赤道电离层电场东西分量和TEC都出现相同周期的震荡，表明暴时可能存在周期性起伏的即时穿透电场，驱动TEC周期性起伏。2、分析了2005-5-15超强磁暴期间沿35N纬圈的TEC暴变与经度和地方时的关系，发现不同经度上，TEC暴变开始出现的世界时近似相同，都出现在磁暴急始之后约6 hr；正暴出现在白天，估计与中性风驱动的F层抬升机制有关。3、分析了2006-12-15强磁暴期间沿135E子午链TEC对磁暴的响应，发现北半球正暴为主，南半球负暴为主，南、北半球TEC暴相不对称，跨赤道的子午风可能引起这种不对称性的生成。4、开展了暴时顶部电离层和等离子体层的CT成像，得到在不同强度的磁暴期间，低纬区都出现近似垂直于磁力线分布的电子密度柱状增强结构和等离子体层中孤立的电离增强云团。5、统计分析了欧洲扇区和美洲扇区从赤道到极光椭圆带5个纬度区域的电离层暴特征，包括电离层暴类型随纬度、季节、磁暴暴相和地方时的分布特征，以及电离层暴开始时间的地方时分布特征。6、分析了中纬槽的位置变化以及引起中纬槽的位置变化的控制因素，发现AE指数和SYM-H指数与中纬槽位置的变化显著相关，表明极光电集流和环电流对中纬槽位置的变化起重要的控制作用，南北半球中纬槽极小位置与太阳风速度Vx分量都呈显著相关，对中纬槽极小的位置变化起主要控制作用的不是太阳风电场的极性，而是太阳风电场的大小。此外，还考察了磁偏角为零的经度两侧中纬电离层TEC的差异及其日变化特征和顶部电离层总离子密度经度结构的多重波数特征。研究结果对深化电离层暴特征及其驱动机制的认识有重要科学意义，对灾害性空间天气预测有潜在应用价值。