低纬电离层暴的电动力学驱动研究

作为一种极端的空间天气现象，伴随磁暴发生的电离层暴是太阳风-磁层-电离层-热层系统强烈耦合的结果。本项目拟从暴时低纬电离层的扰动特征分析出发，通过理论分析、统计分析和数值模拟，深入理解中低纬电离层暴的电动力学驱动因素，从电动力学耦合的角度探索电离层正、负暴相的生成和演化机制，包括行星际电场/高纬对流电场向低纬电离层穿透的时间尺度、穿透效率及其与IMF指向的依赖关系，以及在暴的不同发展阶段磁层穿透电场和扰动风发电机电场对中低纬电离层电子密度和总电子含量变化影响的相对重要性。主要研究内容包括：1．暴时极区对流电场变化特征及中低纬电离层暴相特征的个例与统计分析；2．磁层和极区电离层能量输入对中低纬电离层暴的驱动研究； 3．内磁层与电离层耦合对中低纬电离层暴的作用分析；4．暴时中低纬电离层电场建模的探索性研究。本项目研究将有助于深化对暴时电离层响应机制的认识，对灾害性空间天气预测有重要的科学意义。

本项目主要开展了以下研究：1、暴时穿透电场对低纬/赤道电离层影响的卫星观测和数值模拟；2、超强磁暴期间低纬电离层响应的CT反演；3、电场穿透特征的统计分析； 4、不同经度扇区电离层暴的统计特征。主要研究结果如下：1、2000年7月15-16日超强磁暴期间，正午、黄昏和午夜扇区都发生电场穿透，午夜前扇区穿透效率高达30%，持续时间超过3小时，多颗卫星观测数据表明，赤道异常北峰向高纬扩展到21.2°N，离子密度增长约390%，美洲扇区黄昏附近发生SED现象，赤道区等离子体槽出现显著扩展的电子密度深度耗空；2、观测与数值模拟显示，2004年11月9-10日超级磁暴期间Jicamarca扇区在强东向穿透电场作用下发生2次超级喷泉，随后都受到西向电场的强烈抑制，白天超级喷泉形成明显的暴时F3层，夜间超级喷泉导致低纬电离层F区的巨大耗空；3、电离层CT反演得到2004年11月8日磁暴主相期间在澳大利亚经度圈上空的顶帽状F2-3双层结构以及柱状电离增强结构，与主相期间的强电场穿透及低纬电离层与等离子体层的强烈耦合过程有关；4、电场穿透效率具有明显的地方时效应，夜侧平均穿透效率14.6%，峰值达到33.1%；日侧平均穿透效率7.6%，峰值达到14.7%，行星际电场从磁层顶穿透到低纬电离层的时延没有明显的地方时依赖性，平均16分钟，峰值44分钟，穿透持续时间在昼夜交替面较短，在正午-午夜子午面较长，持续时间最长可达12小时；5、四个经度扇区的中纬电离层暴统计研究表明，伴随磁暴发生的电离层暴次数有明显地域性差异，MPO在白天的电离层暴次数多于夜间；冬季正暴显著多于负暴，夏季负暴显著多于正暴；主相期间，电离层正暴显著多于负暴，冬季差异最显著，最高可达12:1；恢复相期间，电离层负暴显著多于正暴，夏季差异最显著，最高可达14:1，正、负暴比例存在明显地域性差异；电离层负暴多发生于MPO在地方时午后到午夜之间，没有明显的地域性差异，北美扇区正暴多发生于MPO在地方时白天，欧洲和东亚扇区正暴多发生于MPO在午夜后到正午；电离层正暴相对于MPO的响应时延多在10小时以下，且MPO在地方时白天比在夜间的时延短，负暴则相反。