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李國主等-GRL:IONISE觀測揭示行星際磁場Bz極性變化導致低緯電離層TEC振蕩
2020-01-17 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  地球電離層是指地球高空601000 km高度中性大氣被部分電離的區域。在低緯赤道,電離層等離子體動力學過程受行星際磁場Bz極性變化影響,其引起的行星際穿透電場可導致低緯電離層等離子體重新分布,造成電離層時空變化。電離層電子濃度總含量(TEC)是描述電離層的一個重要參量?;?span>GPS信標觀測反演的電離層TEC已廣泛應用于電離層區域大尺度變化研究。然而,由于GPS衛星運動造成電離層穿透點位置不停變化,觀測的時間序列同時包含了隨空間和時間的變化信息,利用GPS觀測難以獲取電離層TEC隨空間和時間的精細變化。 

  近年來,我國發射了一系列北斗衛星開展全球組網。北斗衛星導航系統包括多顆地球同步軌道衛星,其電離層穿透點的位置幾乎不變,這為研究電離層TEC的時空精細變化提供了可能。近年來,中科院地質與地球物理研究所北京空間環境國家野外站圍繞南中國及周邊地區的三個研究方向——電離層不均勻體/閃爍發生與跟蹤、電離層擾動與激發源與電離層精細結構地域特性,致力于建設東亞/東南亞電離層不均勻體/閃爍觀測網(IONISE,http://ionise.geophys.ac.cn/)。目前北京空間環境國家站已開發了多衛星信標TEC/閃爍自動觀測系統,沿東經110度和北緯23度建設了十字觀測鏈,并在我國海南和南海島礁建立了多基地便攜式電離層探測儀PDI。這些使得IONISE具備大范圍、密集的電離層固定穿透點TEC探測能力(1)和對電離層運動的快速探測能力,可獲取我國南部及周邊地區電離層時空精細變化。 

1 IONISE電離層TEC/閃爍接收機位置(三角形)和北斗同步衛星電離層固定穿透點的位置(圓點)

  2018420日,一次中等強度的磁暴發生(SYM-H達到-86 nT),行星際磁場Bz極性呈現周期變化。中國科學院地質與地球物理研究所的李國主研究員等利用IONISE北斗同步衛星TECPDI快速多普勒探測,發現低緯電離層TEC在很大的經度范圍內同步出現周期性的增強現象(圖2)。他們聯合PDI多普勒、地磁ΔH和行星際磁場Bz數據開展分析,發現低緯電離層TEC周期性的增強與等離子體周期性的向下漂移密切相關(圖3):在行星際磁場Bz極性的多次變化期間,有多次行星際西向穿透電場驅使大范圍經度區的低緯電離層等離子體向下運動,造成電離層頂部密度下降,高的緯度頂部電離層等離子體向低的緯度運動填充該低密度區域,從而造成低緯電離層TEC的增加。在磁暴期間,以往觀測的低緯電離層TEC增加一般解釋為行星際東向穿透電場抬升電離層,由等離子體的向上運動導致。他們的觀測給出了磁層-低緯電離層電動力學耦合影響電離層結構變化的另外一種可能過程。 

2 沿北緯17度、北緯21.5度和東經112度的電離層固定穿透點觀測的垂直TEC隨時間的變化

3 不同頻點垂直探測電離層多普勒速度、地磁ΔH、行星際磁場Bz、電離層TEC、F層臨頻和虛高隨時間的變化

  研究成果發表于國際權威學術期刊GRL。(Li G*, Ning B, Zhao X, et al. Low latitude ionospheric TEC oscillations associated with periodic changes in IMF Bz polarity[J]. Geophysical Research Letters, 2019, 46(16): 9379-9387.DOI: 10.1029/2019GL084428

 
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