等离子体层电子浓度变化特性及其物理机制研究

The ionosphere and plasmasphere compose the complex and coupled plasma environment that surrounds the Earth. Since observations of plasmasphere were relatively sparse, less work has been done to investigate the variations of the plasmasphere, and the physical processes that dominate in the plasmasphere are still not fully understood. Recently, low earth orbit (LEO) satellites equipped with GNSS receivers have been new tools for total electron content (TEC) measurements on the plasmasphere, and this dataset has better global coverage. In this study, upward-looking TECs from multiple LEO satellites, in situ plasma densities, ground-based ionosonde data from Chinese Meridian project, will be used to study the variations of the plasmasphere under different longitude, latitude, altitude, local time, season, solar activity and geomagnetic activity conditions, explore the global distribution and structure of the plasmasphere, establish a high accuracy empirical model of the plasmaspheric TEC through polynomial fitting or empirical orthogonal function expansion, compare the distribution and structure of the electron densities in the plasmasphere and in the ionospheric peak region during geomagnetic quiet and disturbed periods, and analyze the effects of electric field, neutral winds and neutral constituent on the coupling processes between the plasmasphere and ionosphere with theoretical models. This study will improve the accuracy and reliability of spacecraft navigation and positioning, and give better forecasts of space weather.

电离层和等离子体层组成了地球空间复杂耦合的等离子体环境。过去等离子体层探测数据非常少，其形态结构及变化特性一直未被认识清楚。近年来低轨卫星顶部总电子含量成为探测等离子体层的重要手段，具有更好的全球覆盖性。本项目将基于多个低轨卫星的顶部总电子含量，结合卫星在轨等离子体浓度、子午工程测高仪等观测数据，分析等离子体层总电子含量在不同经纬度、高度、地方时、季节、太阳及地磁活动等条件下的变化特点，探究等离子体层电子浓度全球形态结构的一般变化规律；使用多项式拟合以及经验正交函数分解法，建立高精度全球等离子体层总电子含量经验模式；分析比较等离子体层和电离层峰值区域的电子浓度在平静及磁暴期间的时空分布结构差异，结合理论模式分析电场、风场、成分变化等因素对等离子体层和电离层相互耦合的影响及其中的物理机制，为提高空间飞行器导航定位的精度、改进空间天气预报等服务。

过去受限于观测数据的缺乏，等离子体层的形态结构及变化特性一直未被认识清楚。近年来部分搭载GNSS接收机的低轨卫星能够获取卫星高度以上顶部总电子含量，且全球覆盖性好，成为探测和分析等离子体层的重要手段。本项目基于新型的低轨卫星总电子含量数据，结合掩星电子浓度等，从多个角度分析等离子体层的形态结构及变化特性，主要研究内容有：探究磁暴期间顶部电离层和等离子体层时空变化特性，比较电离层和等离子体层电子浓度暴时响应差异；围绕夜间中纬度电离层带状结构，讨论电离层和等离子体层之间的相互耦合作用；探讨总电子含量提取过程中的硬件偏差变化趋势，建立高精度全球等离子体层总电子含量经验模式。通过以上工作，取得系列研究成果如下：（1）详细分析了磁暴期间顶部电离层和等离子体层形态结构及演化特征，重点辨析了电离层和等离子体层响应差异，揭示了恢复相期间多扇区日间电离层正暴的特征，加深了对恢复相电离层暴的认识。（2）提取了夜间中纬度电离层带状结构全球分布、垂直结构、太阳活动依赖性、以及地方时变化等特性，重点讨论了长时间磁平静期间中纬度带状结构在夜间和日间连续不间断显著出现的特征，以及提出暴时中低纬隆起结构可能是中纬度带状结构的演化结果。其中夜间电离层中纬度带状结构时空形态分析的工作发表于JGR Space Physics，并被总编辑Mike Liemohn选为亮点报道（Highlight），指出该工作提供了对夜间电离层全面完整的分析（Holistic Views of the Nighttime Ionosphere）。（3）确认电离层的变化并不是造成DCB长期变化趋势的原因，明晰DCB短周期变化趋势与GPS draconitic year的关系，并基于处理获得的高质量低轨卫星TEC数据，建立等离子体层经验模式，模式结果显著优于当前其它经验模型。本项目研究成果可应用于提高空间飞行器导航定位精度，为改进空间天气预报服务等。本项目按照计划书的要求执行，累计发表项目相关标注SCI论文7篇，其中第一和通讯作者论文6篇。