一个新的全球时变电离层/热层耦合模式研究

A new time-dependent global ionosphere/thermosphere model will be developed. In this model, the inertial terms in ion momentum equations and the inductive terms in Faraday's Law will not be ignored anymore, so this model can be used for the transient process of the ionosphere/thermosphere coupling system- - especally during the time scale of 15-20 Alfven travel time. A spherical coordinate system is taken in the model, with the altitude range from 80km to several thousand kilometers. Except for the magntic field, the model treats the density, velocity and the temerature of 7 ions(O+，H+,He+,O2+，NO+，N+ and N2+), 7 neutrals(O，H,He,O2，NO，N and N2) and electrons, and also the physical processes and chemical evolutions among them are considered. With the buliding of this model, we can not only understand the transient process of the ionosphere/thermosphere coupling system, but use it to couple with magnetosphere models.

我们将发展一个新的全球时变电离层/热层数值模型。在这个模型里，动量方程中的离子惯性项和法拉第定律中的磁场磁感应项将不再被忽略，因此可以用来完备的研究电离层/热层的时变过程- - 特别是15-20个阿尔芬波传播时间内的电离层/热层变化。模型将采用球坐标，计算高度从80km至数千千米，纬向和径向的网格大小也将根据实际问题设置。同时除了磁场变化，模型还将考虑7种离子(O+，H+,He+,O2+，NO+，N+和N2+)，7种中性成分(O，H,He,O2，NO，N和N2)以及电子的密度，速度和温度变化，此外它们之间的各种物理化学过程也将考虑在内。这个模型的建立，不但有助于理解电离层/热层的变化，还能在以后同磁层模型相耦合。

我们致力于一个新的时变电离层/热层数值模型的开发研究，在这个模型中，动量方程中的离子惯性项和法拉第定律中的磁场磁感应项将不再被忽略，因此这个模型更加适用于电离层/热层系统时变过程的研究，特别是几个阿尔芬波传播时间内的电离层/热层变化过程。电离层/热层系统中的中性成分和离子成分复杂，我们在模型中考虑了7种离子(O+，H+,He+,O2+，NO+，N+和N2+)，7种中性成分(O，H,He,O2，NO，N和N2)以及电子的运动变化。模型采用多步隐格式，在已经进行的一维测试中，我们在电离层顶部突然施加一个扰动，模拟结果显示磁场和离子等成分随着阿尔芬波的传播出现明显的变化，由此引起电离层电流的强烈扰动。在几个周期过后，整个系统逐渐建立平衡。电离层电流主要分布在电离层的E区和F区，尤以E区电流最为显著。这一结果显示了离子/电子与中性成分碰撞所带来的影响，也与之前的简化模型结果相一致。..同时，我们还研究了磁层-电离层系统在径向行星际磁场条件下的响应。结果表明磁场重联依然可以发生在一侧半球极尖区的赤道侧和另一侧半球极尖区的尾侧，由此给整个磁层-电离层系统带来显著的南北不对称性，但整个磁层-电离层状态较为平静。这为以后电离层/热层模型同磁层模型的耦合提供了一个很好测试环境。