电离层太阳耀斑效应的研究

Ionospheric response to solar flares is an important issue in the study of satellite safety, satellite navigation, radio communication and ionosphere physics. At current stage, the investigation of ionospheric response to flares faces some challenges in the change of solar radiation during flares, the monitoring of solar flare events and the electrodynamical response of the equator and low latitude ionosphere to solar flares. Utilizing the ionospheric observations of electron density and total electron content, this project is devoted to reveal the changes of solar effective radiation derived from Chapman theory during solar flares. Moreover, we plan to perform statistical studies on the correlations of equatorial electrojet with changes in the flare parameters of X-ray level, location and duration based on the horizontal component of the geomagnetic field around the geomagnetic equator, to investigate the modulation effect of the eastward electric field over the equatorial latitudes in the equatorial fountain effect, to examine the spatial and temporal evolutions of electron density and total electron content modulated by the eastward electric field, explore the physical mechanisms of the modulation effect. This study will be helpful for the understanding the physical mechanisms of photochemical and dynamical process in the ionosphere induced by solar flares. Furthermore, the investigation can provide the support for theory and technology in the monitoring solar radiation and solar flare.

太阳耀斑作为显著影响电离层空间环境的重要空间天气事件，一直是电离层物理研究中关注的焦点问题之一。目前在利用电离层观测数据，表征耀斑期间太阳辐射、监测耀斑事件、考察耀斑期间电离层电动力学效应等方面有待进一步开展工作。本项目拟以太阳耀斑期间电离层电子密度和总电子含量（TEC）为主要研究对象，结合Chapman理论，事例分析和统计研究耀斑期间电离层高度上太阳等效辐射的变化特征。同时，结合赤道区地磁场水平分量观测数据，统计分析耀斑期间赤道电集流与太阳耀斑的级别等参量之间的关系，事件研究太阳耀斑期间赤道东西向电场对电离层“喷泉效应”的调制效果，以及调制效果在电离层电子密度和TEC参量上的演化过程，分析影响调制效果的因素及其物理机制。该项目的实施将促进对太阳耀斑引起的电离层光化学和电动力学过程的理解，同时也为利用电离层观测快速监测太阳辐射变化以及耀斑事件提供一种新的途径。

本项目围绕“太阳耀斑的电离层响应”开展了系统的研究工作，在太阳耀斑期间电离层TEC响应特征、赤道电集流的变化规律、赤道东西向电场对赤道及低纬电离层变化的影响、电离层TEC模型研发等方面取得了一系列进展。. 在太阳耀斑期间电离层TEC响应研究方面，利用中国地区高密度、多系统的GNSS卫星观测，以北斗单站连续时间序列的TEC和密集台站构建的TEC地图为主要研究对象，分析了太阳耀斑期间电离层TEC的扰动特征。研究结果显示：耀斑期间电离层TEC的响应存在明显的纬度和经度差异。针对电离层TEC的东西差异，利用北斗同步卫星的TEC观测，结合电离层测高仪的观测进行了对比研究，结果显示：在小经度差（3.52–11.31度）的范围内，电离层TEC的东西差异明显；该差异主要是由于磁倾角的差异造成的。此外，增加了北斗系统的GNSS为利用电离层观测监测太阳耀斑提供了一种途径。. 在太阳耀斑期间电离层电动力学效应研究方面，利用非相干散射雷达、测高仪、地磁仪和GPS的观测数据，研究了美洲赤道和低纬度地区电离层对2005年9月13日X1.5级耀斑事件响应的电动力学效应。观测结果显示：太阳耀斑期间赤道区东向电场的减弱，这一现象第一次被仪器观测到。同时，耀斑期间垂直向上的E×B漂移速度和赤道电集流呈现负相关，这与以往在秘鲁扇区的统计结果不一致，这一差异可能主要由耀斑期间柯林电导率增加导致的。在此基础上，利用西太平洋扇区的多种观测设备研究了2013年5月15日期间电离层对X1.2耀斑的响应。研究结果表明：在耀斑期间东亚扇区的赤道电集流增强；耀斑结束时刻，磁赤道区域的F2层峰高降低，峰高的降低与东向电场的减弱有关。. 在电离层TEC模型研究方面，利用球谐函数开发了一个参数化的电离层模型，该模型同化了GNSS和海洋卫星等观测的TEC数据，同化后的模型可以获得电离层TEC和电子密度等参量。. 以上研究结果揭示了太阳耀斑期间电离层TEC响应的不对称性，促进了对太阳耀斑期间电离层电动力学效应特性和机理的认识，为利用电离层观测监测太阳耀斑提供了一种途径。上述工作共发表SCI论文6篇，培养博士生2人，出站博士后1人，1名博士生获国际空间科学大会(COSPAR) 2016年度青年科学家优秀论文奖，项目负责人因研究工作突出，被《亚太地球科学学会第十二届年度会议》邀请作分组特邀报告。