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中高层大气与电离层耦合机理研究取得重要成果

(2012-12-21)
      热层大气密度与低轨道卫星大气拖曳力直接相关,是低轨卫星轨道设计最重要的参数之一,也是计算卫星轨道摄动、飞行寿命及飞船返回阻力的重要依据。近地空间环境重点实验室对热层大气变化特性的研究将加深对热层光化学与动力学过程的认识,并推动我国在热层及热层-电离层耦合研究方面的进展,而且该项研究对卫星设计及航天活动、通讯、导航与国防安全有着重要的应用意义。

     近地空间环境重点实验室雷久侯教授等人分析CHAMP卫星观测的400公里附近的热层大气密度和同时的电离层电子密度数据,研究了热层赤道异常及电离层赤道异常的时空变化特征。同时利用CHAMP和GRACE卫星从2001年到2010年的长期的热层密度观测,基于一种新的稀疏自然正交分析方法,获取了热层赤道异常在相同地方时与季节条件下随太阳活动的依赖性。结果表明电离层热层‘直接而简单’的相互耦合过程不是形成热层赤道异常的原因,且现有的理论难以解释热层赤道异常随纬度、经度和地磁活动的变化特征。

 

 

图: CHAMP卫星同时观测的热层大气密度与电离层电子浓度的经度与时间演变

 

     利用全球电离层热层耦合模式,并结合多年的卫星观测数据,研究了400公里高度热层赤道异常的形成机制。通过系统的控制模拟实验,发现已有理论假设中的化学加热及纬向风场热传导均不能解释热层赤道异常的形成。研究发现热层赤道异常槽与电离层驼峰的形成原因不同:离子与中性大气的场向拖曳作用形成热层赤道槽,而离子与中性气体相互碰撞引起的能量交换是热层赤道异常驼峰的形成机制。模拟结果与观测现象非常一致。同时发现,在210公里左右的低热层高度,大气密度的双驼峰及槽现象可由中层附近产生的迁移潮汐上传导致。 

     上述研究加深了对热层光化学与动力学过程的认识,并推动了热层-电离层耦合研究方面的进展,尤其是揭示了近40年来一直没有被很好解释的热层赤道异常的形成机制。过去几十年里,电离层学界一直认为化学加热和动量耦合是热层赤道异常形成的主要原因,而忽略了离子与中性气体间碰撞能量交换过程。该研究成果也获得了国际同行的广泛关注与高度评价,认为研究非常重要与及时(This research is timely and very important because new observational results about the ETAs have been presented in recent years)。同时,热层-电离层耦合方面的研究成果荣登美国地球物理学会(AGU)论文流行榜,并在2011年AGU会议上做口头报告及在2012年亚太地球物理年会和日本地球物理年会上作邀请报告。

 

(中科院近地空间环境重点实验室)


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