暴时冷却效应对热层密度的影响及模式修正研究

This project will research on response range and delay time of thermospheric density to nitric oxide cooling effect during geomagnetic storms, with the thermospheric density data derived from satellites and nitric oxide cooling rate data from TIMED satellite. According to the influence of nitric oxide cooling effect on thermospheric density, some key temperature parameters of empirical density mode will be corrected. Therefore, a convenient modified density mode suitable to storm time will be developed. This project has scientific significance.for understanding energy transport in the thermosphere during the geomagnetic storms. Otherwise, it has engineering value on improving precision of thermospheric density mode, spacecraft orbit determination and prediction.

本项目基于卫星观测的实测大气密度和TIMED/SABER观测的一氧化氮冷却率数据，研究磁暴期间不同高度、不同纬度和不同地方时的热层密度对一氧化氮冷却效应的响应幅度及响应时间。通过修正经验大气模式中某些关键温度参数将冷却效应引入到经验密度模式，建立适用于暴时的、易操作的修正模式。该项目的开展对于认识理解热层能量收支过程，提高热层密度模式的预报精度，提高低轨航天器定轨和预报精度，具有重要科学意义和工程应用价值。

热层大气对航天器产生的阻力是低轨航天器的主要摄动力之一。计算大气阻力需要借助大气密度模式，而在磁暴期间，模式预报误差可达100%以上，且不能有效刻画热层大气密度的时空分布特征。因此，研究暴时热层大气密度变化规律，提高大气密度模式精度，对于中低轨航天器的精密定轨、轨道预报、变轨控制、寿命预测，以及避免与空间碎片碰撞等方面的应用均具有重要意义。. 本项目利用CHAMP卫星加速度计反演的密度数据和TIMED卫星SABER辐射计数据，分析了2002~2006年16个多阶磁暴期间热层大气密度和一氧化氮（NO）冷却率的变化特征，研究了NO辐射冷却效应在磁暴各个发展阶段对热层密度的影响。结果表明，后发生磁暴期间的热层密度值、纬度分布范围和持续时间都明显小于第1阶磁暴，这是因为NO冷却效应在第1阶磁暴期间显著增强，抑制了后发生磁暴期间温度的涨幅，从而抑制了密度的涨幅。热层大气经验模式MSISE和Jacchia等不能预测这些异常现象。通过分析物理模式WACCM-X和经验大气密度模式Jacchia71的温度差异，将冷却效应引入到经验大气密度模式，有效提高了连续磁暴期间经验大气密度模式的预报精度。. 本项目开展的暴时NO冷却机制的研究，对于理解热层能量收支过程，掌握热层密度变化规律具有重要科学意义；通过温度关联将物理模式WACCM-X中的冷却效应引入到经验大气密度模式，为经验大气模式修正和建模找到了具有物理机制的预报因子，具有航天工程应用价值。. 该修正模式可用于航天工程暴时低轨航天器轨道计算和预报，能够提高轨道预报的精度。