太阳辐射对热层和电离层变化性的影响

论文摘要

波长小于400 nm的太阳紫外辐射（UV）是高层大气物理过程的一个重要能量源。太阳紫外辐射光子在传播过程中通过分子的光致离解、分子和原子的光化电离、以及光致激发（包括共振散射）被行星大气层吸收,同时遍及和穿过日光层,从而影响整个太阳系空间。本文利用TIMED SEE观测的太阳辐射数据,以及常用的太阳活动指数,如F10.7和Mg II,结合CHAMP卫星观测的热层密度数据和DMSP卫星观测的顶部电离层离子密度数据,系统地研究了太阳辐射对热层和电离层变化性的影响。首先,本文研究了2002-2004期间太阳辐射流量的变化对410 km高度热层密度的影响。分析结果表明,密度与不同太阳辐射特征谱线和不同波段的太阳辐射流量之间的相关性显示出不同的特征。密度与除了低层色球辐射线O I （130.4 nm）以外的其它所选太阳辐射流量之间的相关性都相当好。对短期变化（≤27天）而言,在所选太阳活动指数中,Mg II,EUV （30-120 nm）和F10.7与密度的相关性最好。无论是对长期变化（> 27天）而言,还是对短期变化而言,从低纬到高纬的线性相关系数都呈现出下降趋势。同时利用多种太阳活动指数能够非常有效地拟合密度的变化,即能够解释71%的密度的变化。文中所用的太阳活动指数包括时间延迟为1天的F10.7和SEUV（EUV 30-120 nm指数）,以及时间延迟为5天的SFUV（FUV 120-193 nm指数）。在我们的回归方程中,SEUV对密度变化的贡献最大（40%）,其次是F10.7的贡献32%和SFUV的贡献28%。此外,在2003年太阳辐射和密度变化中都存在一个显著的27天周期（太阳自转周期）;在2004年除了存在27天周期以外,还存在一个显著的54.4天周期（太阳自转周期的两倍）。但是软X-ray和FUV在2004并没有显著的54天周期,尽管它们与密度之间的相关性很好。Ap指数在2004也显示出54天周期,这样一来,地磁活动和太阳活动一起影响密度变化中的54天周期。我们比较了CHAMP观测密度与NRLMSISE00,DTM-2000和JB2006模式的预测值,结果表明这些模式都低估了热层密度对太阳自转活动的响应。其次,本文分析了2002-2005期间太阳辐射流量变化对赤道顶部电离层总离子密度Ni的影响。分析结果表明,Ni与不同波段的太阳辐射之间的相关性显著不同。对长期变化而言,XUV （0-35 nm）和EUV （115-130 nm）与Ni之间的相关性较好;但是对短期变化而言,EUV （35-115 nm）与Ni之间的相关性更好。进一步的偏相关分析结果表明,Ni的长期变化主要受XUV （0-35 nm）和EUV （35-115 nm）的影响,其中受XUV （0-35 nm）的影响更大一些;短期变化主要受EUV （35-115 nm）的影响。此外,在2003年太阳辐射和Ni变化中都存在一个显著的27天周期;在2004除了存在27天周期以外,还存在一个显著的54天周期。最后,考虑到太阳辐射能量输入是引起热层密度“半年变化”的一个重要驱动源。本文分析了2002-2005年期间400公里高度的热层密度的年内变化。这里的年内变化,通常指半年变化,其主要特征包括显著的纬度结构、半球不对称性、年际变化。年最大值与年最小值之间差值的年际变化为60%;年最大值与年最小值出现的时间的年际变化大概是20-40天。年内变化的年谐波成份,也就是年变化,半年变化,三分之一年变化,四分之一年变化,从2002年到2005年呈现出下降趋势,即与太阳活动的下降趋势是相关的。此外,这些年谐波的变化也与地磁活动相关。可见,太阳EUV辐射与焦耳加热是导致了热层大气密度的年内变化的主要因素。最近的热层经验模式并不能预测观测数据中显示出来的年谐波成份的纬度依赖性。此外,谐波成份中存在的纬度变化和年际变化并不能很好地用太阳活动和地磁活动指数拟合。这可能与其它一些影响因素有关,比如说在匀质层顶高度的季节-纬度变化,电离层藕合过程等都可能影响这里描述的年内变化,我们的研究结果提供了新的数据,这将挑战和验证热层-电离层大气环流模型中给出的热层年内变化,同时也有助于我们理解各种影响因素对年内变化的相对贡献。而且,我们建议用“年内变化”（“intra-annual variation”）一词来描述热层和电离层参数中可以用年变化,半年变化,三分之一年变化,四分之一年变化来表征的各种变化;“半年变化”一词仅限于描述周期为6个月的正弦变化。另外,我们还建议用“季节内变化”（“intra-seasonal variation”）来描述更短周期的各种变化,也就是比四分之一年周期更短的各种变化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一节 绪论
• 1.1 热层-电离层系统
• 1.1.1 热层
• 1.1.2 电离层
• 1.1.3 热层-电离层中的主要物理过程
• 1.1.4 热层-电离层系统的耦合
• 1.2 太阳辐射的地球物理效应
• 1.2.1 太阳辐射随波长的变化
• 1.2.2 太阳辐射对地球大气的影响
• 1.2.3 与太阳耀斑相关的电离层-热层现象
• 1.2.4 与太阳长期变化相关的电离层-热层现象
• 1.3 本文工作的动机和目的
• 第二节 太阳辐射
• 2.1 引言
• 2.2 太阳辐射光谱特征
• 2.3 太阳辐射观测
• 2.4 太阳辐射变化的时间尺度
• 2.5 太阳辐射模型
• 第三节 热层大气密度及 CHAMP 卫星观测
• 3.1 热层大气密度的基本分布特征
• 3.2 CHAMP 卫星介绍
• 3.3 STAR 加速度仪数据处理与热层大气密度计算
• 3.3.1 STAR 加速度仪数据处理
• 3.3.2 实测大气密度计算
• 第四节 太阳辐射的变化对热层密度的影响
• 4.1 引言
• 4.2 数据
• 4.2.1 热层密度数据
• 4.2.2 太阳辐射数据和地磁数据
• 4.3 总质量密度与太阳辐射之间的关系
• 4.3.1 密度与太阳辐射之间的相关性
• 4.3.2 用多种太阳辐射指数拟合密度变化
• 4.4 太阳自转对密度的影响
• 4.4.1 Lomb-Scargle 谱分析
• 4.4.2 太阳辐射和密度变化中的27 天周期和54 天周期
• 4.4.3 与经验模式比较
• 4.5 讨论
• 4.6 小结
• 第五节 太阳辐射对赤道顶部电离层总离子密度的影响
• 5.1 引言
• 5.2 顶部电离层总离子密度和太阳辐射数据
• 5.3 赤道顶部电离层总离子密度（Ni）和太阳辐射之间的相关性
• 5.4 太阳自转对赤道顶部电离层总离子密度（Ni）的影响
• 5.5 小结
• 第六节 热层密度年谐波成份的年际变化和纬度变化
• 6.1 引言
• 6.2 数据和数据分析方法
• 6.3 分析结果
• 6.3.1 年内变化的年际变化和纬度变化
• 6.3.2 年谐波成份的时间变化
• 6.3.3 年谐波变化的纬度结构
• 6.3.4 拟合的年内变化与观测结果对比
• 6.4 讨论
• 6.5 小结
• 第七节 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间完成的论文
• 致谢