• ISSN 2096-8957
  • CN 10-1702/P

电离层日变化特性研究简述

刘立波 陈一定 张瑞龙 乐会军 张辉

引用本文:
Citation:

电离层日变化特性研究简述

Some investigations of ionospheric diurnal variation

    Corresponding author: Liu Libo, liul@mail.iggcas.ac.cn ;
  • CLC number: P352.1

  • 摘要: 电离层具有非常鲜明的日变化特性. 电离层日变化特性是认识包括逐日变化等众多电离层现象的出发点,也是电离层经验模型需要呈现的最基本特性. 本文简要介绍了有关电离层日变化的一些研究工作,重点关注以电场为核心的电离层日出变化、电离层午时咬失现象、电离层夜间增强,特别是以威德海异常为典型代表的中纬电离层夏季夜间异常变化. 评述了这些方面相关研究进展、目前存在的争议、需要特别注意的地方及应进一步探讨的问题.
  • 图 1  2004年6月10日Jicamarca非相干散射雷达观测的垂直漂移速度、及测高仪探测的foF2和hmF2日变化. (上图)带圆点线是非相干散射雷达观测垂直漂移速度,无圆点实线是由S-F经验模型给出的漂移. (中、下图)带圆点线表示测高仪foF2和hmF2当日观测值,无圆点实线是其27天滑动值(修改自Zhang et al., 2016

    Figure 1.  Diurnal variation of the vertical plasma drift from Jicamarca incoherent scatter radar and foF2 and hmF2 from Jicamarca ionosonde observations on June 10, 2004. (Top) vertical drift from Jicamarca incoherent scatter radar observations (curve with circles) and from S-F model (line without circles); (middle and bottom) foF2 and hmF2 from ionosonde observations (curve with solid circles denotes the observations and line without circles for 27-day moving values) (modified from Zhang et al., 2016)

    图 2  基于ROCSAT-1观测统计的赤道电场日出增强事件随经度分布. 从上到下分别是等分季节、六月至季和十二月至季. 竖条给出日出时段卫星轨道跨过赤道的数目,填充条为存在电场日出增强的轨道数目(修改自Zhang et al., 2015

    Figure 2.  Longitudinal distribution of the number of the events with sunrise enhancements in the equatorial zonal electric field and orbits of ROCSAT-1 observations in (top) Equinox, (middle) June solstice, and (bottom) December solstice. Bars denote the total numbers of orbits crossing the equator and filled part plots the number of the orbits with a sunrise enhancement in electric field (modified from Zhang et al., 2015)

    图 3  高太阳活动水平期间F2层峰值电子密度(NmF2)随地方时和月份的变化,自左至右依次为磁赤道Kodaikanal站、磁赤道北侧Manila站和磁赤道南侧Singapore站的结果. Kodaikanal站子图中的虚线框指示了午时咬失现象(修改自Chen et al., 2020b

    Figure 3.  Diurnal and seasonal variations of the peak electron density of F2 layer (NmF2) at (left) Kodaikanal, (middle) Manila, and (right) Singapore stations for high solar activity. The vertical dash line in the left panel denotes the appearance of the noontime bite-out feature at Kodaikanal (modfied from Chen et al., 2020b)

    图 4  在高(Smax)低(Smin)太阳活动条件下6月份Okinawa、Wakkanai和Yakutsk台站F2层临界频率(foF2,有圆点曲线)和峰高(hmF2)的周日变化. 图中阴影部分表示300 km高度无光照时间段(修改自Chen et al., 2021

    Figure 4.  Diurnal variations of the critical frequency (foF2, with solid circles) and peak height (hmF2) of F2 layer at (left) Okinawa, (middle) Wakkanai, and (right) Yakutsk stations for low (Smin) and high (Smax) solar activity. The grey area denotes the time interval without sun light at 300 km altitude (modified from Chen et al., 2021)

    图 5  Alma-Ata台站测高仪F2层临界频率(foF2)夜间增强典型事例. 图中箭头表示日落时刻以及地面与300 km高度日出时刻(修改自Yakovets et al., 2009

    Figure 5.  Cases of nighttime enhancements in the F2 layer critical frequency (foF2) at Alma-Ata. The arrows denote the time of ground sunset and sunrise at ground and 300 km altitude, respectively (modified from Yakovets et al., 2009)

    图 6  典型夜间增强事例中北京台站测高仪F2层临界频率(foF2)、hmF2和TEC日变化(修改自Li et al., 2020

    Figure 6.  Diurnal variations of the F2 layer critical frequency (foF2) and peak height (hmF2) and total electron content (TEC) during three cases of nighttime enhancements at Beijing (modified from Li et al., 2020)

    图 7  2012年148~150天期间三亚台站测高仪F2层临界频率(foF2)、hmF2和标高以及地磁活动Kp指数变化. 带圆圈线为观测值,带误差棒曲线为月中值及上下四分值,黑色短竖线标示当地子夜,阴影区域为夜间时段(修改自Liu et al., 2013

    Figure 7.  Diurnal variations of the F2 layer critical frequency (foF2), hmF2 and scale height at Sanya during 148~150 days in 2012. The geomagnetic activity Kp index is plotted in the bottom panel. The curve with circles denotes the observations and line with bars shows the monthly median values and upper and lower quartiles. The vertical solid lines mark the local midnight and the gray regions outline the nighttime intervals(modified from Liu et al., 2013)

    图 8  2014年4月8日我国曲靖台站电离层最大密度NmF2及四个高度上电子密度的日变化. 灰色区域展示在NmF2增强发生时,在峰高以上电子密度出现下降,而底部电离层出现增强(修改自Liu et al., 2020

    Figure 8.  Diurnal variations of the electron density at the F2 layer peak and four altitudes at Qujing on April 8, 2014. The grey area denotes the time interval of NmF2 enhancement (modified from Liu et al., 2020)

    图 9  六月至季COSMIC掩星观测在(120°E, 60°N)附近NmF2日变化. COSMIC观测值以散点表示,而平均值及方差以曲线和误差棒画出(修改自Chen et al., 2016

    Figure 9.  Local time variation of COSMIC NmF2 around (120°E, 60°N) at June solstice. Dots show the COSMIC measurements, the line with bars are the average and deviations of NmF2 (modified from Chen et al., 2016)

    图 10  2007~2009年期间冬季NmF2夜间增强幅度△NmF2. 黑实线对应零地磁偏角(修改自Chen et al., 2015b

    Figure 10.  The amplitude of the enhancement of NmF2 in December solstice and June Solstice determined from COSMIC observations in 2007~2009. Dark lines plot the zero magnetic declination, and the gray lines show the iso-dip contours (modified from Chen et al., 2015b)

  • [1]

    Aggson T L, Herrero F A, Johnson J A, et al. 1995. Satellite observations of zonal electric fields near sunrise in the equatorial ionosphere[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 57: 19-24. doi: 10.1016/0021-9169(93)E0013-Y
    [2]

    Ambili K M, St.-Maurice J-P, Choudhary R K. 2012. On the sunrise oscillation of the F region in the equatorial ionosphere[J]. Geophysical Research Letters, 39: L16102. doi: 10.1029/2012GL052876
    [3]

    Ambili K M, Choudhary R K, St.-Maurice J-P. 2014. Seasonal differences in the sunrise undulations at the dip equator at solar minimum at two distinct locations and their relation with postsunset electrodynamics[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 119: 5777-5789. doi: 10.1002/2014JA019783
    [4]

    Balan N, Rao P B. 1984. Relationship between nighttime total electron content enhancements and VHF scintillations at the equator[J]. Journal of Geophysical Research, 89: 9009-1013. doi: 10.1029/JA089iA10p09009
    [5]

    Balan N, Rao P B. 1987. Latitudinal variations of nighttime enhancements in total electron content[J]. Journal of Geophysical Research, 92: 3436-3440. doi: 10.1029/JA092iA04p03436
    [6]

    Balan N, Bailey G J, Nair R B, et al. 1994. Nighttime enhancements in ionospheric electron content in the northern and southern hemispheres[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 56(1): 67-79. doi: 10.1016/0021-9169(94)90177-5
    [7]

    Bellchambers W, Piggott W. 1958. Ionospheric measurements made at Halley Bay[J]. Nature, 182: 1596-1597. doi: 10.1038/1821596a0
    [8]

    Burns A G, Zeng Z, Wang W, et al. 2008. Behavior of the F2 peak ionosphere over the South Pacific at dusk during quiet summer conditions from COSMIC data[J]. Journal of Geophysical Research, 113: A12305. doi: 10.1029/2008JA013308
    [9]

    Burns A G, Solomon S C, Wang W, et al. 2011. The summer evening anomaly and conjugate effects[J]. Journal of Geophysical Research, 116: A01311. doi: 10.1029/2010JA015648
    [10]

    Chen C H, Huba J D, Saito A, et al. 2011. Theoretical study of the ionospheric Weddell Sea Anomaly using SAMI2[J]. Journal of Geophysical Research, 116: A04305. doi: 10.1029/2010JA015573
    [11]

    Chen C H, Saito A, Lin C H, et al. 2012. Long-term variations of the nighttime electron density enhancement during the ionospheric midlatitude summer[J]. Journal of Geophysical Research, 117: A07313. doi: 10.1029/2011JA017138
    [12]

    Chen J, Wang W, Lei J, et al. 2020a. The physical mechanisms for the sunrise enhancement of equatorial ionospheric upward vertical drifts[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 125: e2020JA028161. doi: 10.1029/2020JA028161
    [13]

    Chen Y, Liu L, Le H, et al. 2015a. Dusk-to-nighttime enhancement of mid-latitude NmF2 in local summer: Inter-hemispheric asymmetry and solar activity dependence[J]. Annales Geophysicae, 33: 711-718. doi: 10.5194/angeo-33-711-2015
    [14]

    Chen Y, Liu L, Le H, et al. 2015b. NmF2 enhancement during ionospheric F2 region nighttime: A statistical analysis based on COSMIC observations during the 2007-2009 solar minimum[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics: 120. doi: 10.1002/2015JA021652
    [15]

    Chen Y, Liu L, Le H, et al. 2016. The global distribution of the dusk-to-nighttime enhancement of summer NmF2 at solar minimum[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 121: 7914-7922. doi: 10.1002/2016JA022670
    [16]

    Chen Y, Liu L, Le H, et al. 2020b. Equatorial north-south difference of noontime electron density bite-out in the F2 layer[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 125: e2020JA028124. doi: 10.1029/2020JA028124
    [17]

    Chen Y, Liu L, Le H, et al. 2021. Latitudinal dependence of daytime electron density bite-out in the ionospheric F2-Layer[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 126: e2020JA028277. doi: 10.1029/2020JA028277
    [18]

    Chen Y, Ma G, Huang W, et al. 2008. Night-time total electron content enhancements at equatorial anomaly region in China[J]. Advances in Space Research, 41: 617-623. doi: 10.1016/j.asr.2007.07.035
    [19]

    Dabas R S, Kersley L. 2003. Study of mid-latitude nighttime enhancement in F-region electron density using tomographic images over the UK[J]. Annales Geophysicae, 21: 2323-2328. doi: 10.5194/angeo-21-2323-2003
    [20]

    Davies K, Anderson D N, Pau A K, et al. 1979. Nighttime increases in Total Electron Content observed with ATS 6 radio beacon[J]. Journal of Geophysical Research, 84: 1536-1542. doi: 10.1029/JA084iA04p01536
    [21]

    Dudeney J R, Piggott W R. 1978. Antarctic Ionospheric Research[M]// Lanzerotti L J, Park C G. Upper Atmosphere Research in Antarctica. AGU, Washington, D. C. 29: 200–235.
    [22]

    Essex E A, Klobuchar J A. 1980. Mid-latitude winter nighttime increases in the total electron content of the ionosphere[J]. Journal of Geophysical Research, 85: 6011-6020. doi: 10.1029/JA085iA11p06011
    [23]

    Essex E A, Klobuchar J A. 1981. Ionospheric total electron content behavior at a pair of mid-latitude conjugate stations[J]. Journal of Geophysical Research, 86: 5815-5818. doi: 10.1029/JA086iA07p05815
    [24]

    Farelo A F, Herraiz M, Mikhailov A V. 2002. Global morphology of night-time NmF2 enhancements[J]. Annales Geophysicae, 20: 1795-1806. doi: 10.5194/angeo-20-1795-2002
    [25]

    Fejer B, Scherliess L. 1997. Empirical models of storm time equatorial zonal electric fields[J]. Journal of Geophysical Research, 102: 24047-24056. doi: 10.1029/97JA02164
    [26]

    Gong Y, Zhou Q, Zhang S, et al. 2012. Midnight ionosphere collapse at Arecibo and its relationship to the neutral wind, electric field, and ambipolar diffusion[J]. Journal of Geophysical Research, 117: A08332. doi: 10.1029/2012JA017530
    [27]

    Gordienko G I, Zachateiskiy D E, Kaliev M Z, et al. 2001. Nighttime increases in ionosphere electron content(a statistical and experimental study)[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 63: 617-625. doi: 10.1016/S1364-6826(01)00002-5
    [28]

    He M, Liu L, Wan W, et al. 2009. A study of the Weddell Sea Anomaly observed by FORMOSAT-3/COSMIC[J]. Journal of Geophysical Research, 114. doi: 10.1029/2009JA014175
    [29]

    Horvath I, Essex E A. 2000. Using observations from the GPS and TOPEX satellites to investigate night-time TEC enhancements at mid-latitudes in the southern hemisphere during a low sunspot number period[J]. Journal of Atmospheric and Solar–Terrestrial Physics, 62: 371-391. doi: 10.1016/S1364-6826(99)00101-7
    [30]

    Horvath I, Essex E A. 2003. The Weddell sea anomaly observed with the Topex satellite data[J]. Journal of Atmospheric and Solar–Terrestrial Physics, 65: 693-706. doi: 10.1016/S1364-6826(03)00083-X
    [31]

    Horvath I, Lovell B C. 2009. An investigation of the northern hemisphere midlatitude nighttime plasma density enhancements and their relations to the midlatitude nighttime trough during summer[J]. Journal of Geophysical Research, 114: A08308. doi: 10.1029/2009JA014094
    [32]

    Hsu M L, Lin C H, Hsu R R, et al. 2011. The O I 135.6 nm airglow observations of the midlatitude summer nighttime anomaly by TIMED/GUVI[J]. Journal of Geophysical Research, 116: A07313. doi: 10.1029/2010JA016150
    [33]

    Jain A, Tiwari S, Jain S, et al. 2011. Nighttime enhancements in TEC near the crest of northern equatorial ionization anomaly during low solar activity period[J]. Indian Journal of Physics, 85: 1367-1380. doi: 10.1007/s12648-011-0159-7
    [34]

    Jakowski N, Jungstand A, Lois L, et al. 1991. Night-time enhancements of the F2-layer ionization over Havana, Cuba[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 53: 1131-1138. doi: 10.1016/0021-9169(91)90062-C
    [35]

    Jiang C, Deng C, Yang G, et al. 2016. Latitudinal variation of the specific local time of postmidnight enhancement peaks in F layer electron density at low latitudes: A case study[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 121: 3476-3483. doi: 10.1002/2015JA022319
    [36]

    Jiang C, Wang W, Yang G, et al. 2020. An investigation of mid-latitude ionospheric peak in TEC using the TIEGCM[J]. Journal of Atmospheric and Solar–Terrestrial Physics, 211: 105480. doi: 10.1016/j.jastp.2020.105480
    [37]

    Kelley C M. 2009. The Earth's Ionosphere, Second Edition[M]. Amsterdam: Academic Press.
    [38]

    Kelley M C, Rodrigues F S, Pfaff R F, et al. 2014. Observations of the generation of eastward equatorial electric fields near dawn[J]. Annales Geophysicae, 32: 1169-1175. doi: 10.5194/angeo-32-1169-2014
    [39]

    Klobuchar J A. 1987. Ionospheric time-delay algorithm for single-frequency GPS users[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, AES-23, 3: 325-331.
    [40]

    Kolomiitsev O P, Reddy B M, Surotkin V A. 1997. Sunrise effects in the equatorial F-layer[J]. Journal of Atmospheric and Solar–Terrestrial Physics, 59: 1287-1297. doi: 10.1016/S1364-6826(96)00093-4
    [41]

    Le H, Liu L, Chen Y, et al. 2014. Modeling study of nighttime enhancements in F region electron[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 119: 6648-6656. doi: 10.1002/2013JA019295
    [42]

    Lee C-C. 2012. Examination of the absence of noontime bite-out in equatorial total electron content[J]. Journal of Geophysical Research, 117: A09303. doi: 10.1029/2012JA017909
    [43]

    Li Q, Hao Y, Zhang D, et al. 2018. Nighttime enhancements in the midlatitude ionosphere and their relation to the plasmasphere[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 123: 7686-7696. doi: 10.1029/2018JA025422
    [44]

    Li W, Chen Y, Liu L, et al. 2020. A statistical study on the winter ionospheric nighttime enhancement at middle latitudes in the Northern Hemisphere[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 125: e2020JA027950. doi: 10.1029/2020JA027950
    [45]

    Lin C H, Liu J Y, Cheng C Z, et al. 2009. Three-dimensional ionospheric electron density structure of the Weddell Sea Anomaly[J]. Journal of Geophysical Research, 114: A02312. doi: 10.1029/2008JA013455
    [46]

    Lin C H, Liu C H, Liu J Y, et al. 2010. Midlatitude summer nighttime anomaly of the ionospheric electron density observed by FORMOSAT-3/COSMIC[J]. Journal of Geophysical Research, 115: A03308. doi: 10.1029/2009JA014084
    [47]

    Liu L, Ding Z, Le H, et al. 2020. New features of the enhancements in electron density at low latitudes[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 125: e2019JA027539. doi: 10.1029/2019JA027539
    [48]

    Liu L, Luan X, Wan W, et al. 2003. A new approach to the derivation of dynamic information from ionosonde measurements[J]. Annales Geophysicae, 21(11): 2185-2191. doi: 10.5194/angeo-21-2185-2003
    [49]

    Liu L, Wan W, Chen Y, et al. 2011. Solar activity effects of the ionosphere: A brief review[J]. Chinese Science Bulletin, 56(12): 1202-1211. doi: 10.1007/s11434-010-4226-9
    [50]

    Liu L, Chen Y, Le H, et al. 2013. A case study of post-midnight enhancement in F-layer electron density over Sanya of China[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 118: 4640-4648. doi: 10.1002/jgra.50422
    [51]

    Lomidze L, Scherliess L, Schunk R W. 2016. Modeling and analysis of ionospheric evening anomalies with a physics-based data assimilation model[J]. Journal of Atmospheric and Solar–Terrestrial Physics, 140: 65-78. doi: 10.1016/j.jastp.2016.02.009
    [52]

    Luan X, Wang W, Burns A, et al. 2008. Midlatitude nighttime enhancement in F region electron density from global COSMIC measurements under solar minimum winter condition[J]. Journal of Geophysical Research, 113: A09319. doi: 10.1029/2008JA013063
    [53]

    Lynn K J W, Gardiner-Garden R S, Heitmann A. 2014. The spatial and temporal structure of twin peaks and midday bite out in foF2 (with associated height changes) in the Australian and South Pacific low midlatitude ionosphere[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 119: 10294-10304. doi: 10.1002/2014JA020617
    [54]

    Pavlov A V, Pavlova N M. 2007. Anomalous night-time peaks in diurnal variations of NmF2 close to the geomagnetic equator: A statistical study[J]. Journal of Atmospheric and Solar–Terrestrial Physics, 69: 1871-1883. doi: 10.1016/j.jastp.2007.07.003
    [55]

    Penndorf R. 1965. The Average Ionospheric Conditions Over the Antarctic Geomagnetism and Aeronomy[M]//Waynick A H. Antarctic Research Series, 4: 1–45.
    [56]

    Pezzopane M, Fagundes P R, Ciraolo L, et al. 2011. Unusual nighttime impulsive foF2 enhancement below the southern anomaly crest under geomagnetically quiet conditions[J]. Journal of Geophysical Research, 116: A12314. doi: 10.1029/2011JA016593
    [57]

    Pi X, Mendillo M, Fox M W. 1993. Diurnal double maxima patterns in the F region ionosphere: Substorm-related aspects[J]. Journal of Geophysical Research, 98(A8): 13677-13691. doi: 10.1029/93JA00502
    [58]

    Pirog O, Deminov M, Deminova G, et al. 2011. Peculiarities of the nighttime winter foF2 increase over Irkutsk[J]. Advances in Space Research, 47: 921-929. doi: 10.1016/j.asr.2010.11.015
    [59]

    Prolss G W. 2004. Physics of the Earth’s Space Environment: An Introduction[M]. Springer: Verlag Berlin Heidelberg.
    [60]

    Slominska E, Blecki J, Lebreton P, et al. 2014. Seasonal trends of nighttime plasma density enhancements in the topside ionosphere[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 119: 6902-6912. doi: 10.1002/2014JA020181
    [61]

    Thampi S V, Lin C, Liu H, et al. 2009. First tomographic observations of the Midlatitude Summer Nighttime Anomaly over Japan[J]. Journal of Geophysical Research, 114: A10318. doi: 10.1029/2009JA014439
    [62]

    Thampi S V, Balan N, Lin C, et al. 2011. Mid-latitude Summer Nighttime Anomaly (MSNA)- observations and model simulations[J]. Annales Geophysicae, 29: 157-165. doi: 10.5194/angeo-29-157-2011
    [63]

    Titheridge J E. 1968. The maintenance of the night ionosphere[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 30: 1857-1875. doi: 10.1016/0021-9169(68)90028-7
    [64]

    Trivedi R, Jain S, Jain A, et al. 2013. Solar and magnetic control on night-time enhancement in TEC near the crest of the Equatorial Ionization Anomaly[J]. Advances in Space Research, 51: 61-68. doi: 10.1016/j.asr.2012.08.016
    [65]

    Tsagouri I, Belehaki A. 2002. On the nature of nighttime ionisation enhancements observed with the Athens Digisonde[J]. Annales Geophysicae, 20: 1225-1238. doi: 10.5194/angeo-20-1225-2002
    [66]

    Unnikrishnan K, Nair R B, Venugopal C. 2002. A comparative study of night-time enhancement of TEC at a low latitude station on storm and quiet nights including the local time, seasonal and solar activity dependence[J]. Annales Geophysicae, 20: 1843-1850. doi: 10.5194/angeo-20-1843-2002
    [67]

    Venkatesh K, Fagundes P R, de Abreu A J, et al. 2016. Unusual noon-time bite-outs in the ionospheric electron density around the anomaly crest locations over the Indian and Brazilian sectors during quiet conditions- A case study[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 147: 126-137. doi: 10.1016/j.jastp.2016.07.016
    [68]

    Wang Y, Huang F, Lei J, et al. 2021. Ionospheric diurnal double-maxima patterns observed by the TEC from Beidou geostationary satellites in the Asian-Australian sector during 2016-2018[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 126: e2020JA028578. doi: 10.1029/2020JA028578
    [69]

    Xiong C, Lühr H. 2014. The Mid-latitude Summer Night Anomaly as observed by CHAMP and GRACE: Interpreted as tidal features[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 119: 4905-4915. doi: 10.1002/2014JA019959
    [70]

    Xu J, Liu X. 2016. Nighttime anomaly of ionospheric electron density[J]. Science China: Earth Sciences, 59: 1517-1518. doi: 10.1007/s11430-016-0083-x
    [71]

    Xu S, Zhang B-C, Liu R-Y, et al. 2014. Comparative studies on ionospheric climatological features of NmF2 among the Arctic and Antarctic stations[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 119: 63-70. doi: 10.1016/j.jastp.2014.06.016
    [72]

    Yadav S, Choudhary R K, Kumari J, et al. 2020. Reverse fountain and the nighttime enhancement in the ionospheric electron density over the equatorial region: A case study[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 124: e2019JA027286. doi: 10.1029/2019JA027286
    [73]

    Yakovets A F, Vodyannikov V V, Gordienko G I, et al. 2009. Vertical structure of the midlatitude winter F region of the ionosphere during postmidnight enhancements in NmF2[J]. Geomagnetism and Aeronomy, 49: 490-496. doi: 10.1134/S0016793209040094
    [74]

    Young D M L, Yuen P C, Roelofs T H. 1970. Anomalous nighttime increases in total electron content[J]. Planetary and Space Science, 18: 1163-1179. doi: 10.1016/0032-0633(70)90210-2
    [75]

    Zhang R, Liu L, Chen Y, et al. 2015. The dawn enhancement of the equatorial ionospheric vertical plasma drift[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 120: 10688-10697. doi: 10.1002/2015JA021972
    [76]

    Zhang R, Liu L, Le H, et al. 2016. Evidence and effects of the sunrise enhancement of the equatorial vertical plasma drift in the F region ionosphere[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 121: 4826-4834. doi: 10.1002/2016JA022491
    [77]

    Zhang S-R, Oliver W L, Fukao S, et al. 2000. A study of the forenoon ionospheric F2 layer behavior over the middle and upper atmospheric radar[J]. Journal of Geophysical Research, 105(A7): 15823-15833. doi: 10.1029/2000JA000007
  • [1] 曹雨田牛丹丹崔峻吴晓姝 . 金星与火星电离层研究现状概述. 地球与行星物理论评, doi: 10.16738/j.dqyxx.2021-024
  • 加载中
图(10)
计量
  • 文章访问数:  205
  • HTML全文浏览量:  145
  • PDF下载量:  23
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-02-08
  • 网络出版日期:  2021-03-24

电离层日变化特性研究简述

摘要: 电离层具有非常鲜明的日变化特性. 电离层日变化特性是认识包括逐日变化等众多电离层现象的出发点,也是电离层经验模型需要呈现的最基本特性. 本文简要介绍了有关电离层日变化的一些研究工作,重点关注以电场为核心的电离层日出变化、电离层午时咬失现象、电离层夜间增强,特别是以威德海异常为典型代表的中纬电离层夏季夜间异常变化. 评述了这些方面相关研究进展、目前存在的争议、需要特别注意的地方及应进一步探讨的问题.

English Abstract

    • 地球电离层具有复杂的变化特性. 引起电离层复杂变化的主要因素有来自多重尺度变化的太阳辐射电离、化学过程与动力学过程. 复杂的电离层变化一直吸引着研究者的兴趣. 作为最主要的电离层电离源,太阳辐射调制电离层变化,导致电离层有长达11年、短到27天以及与天的多尺度规则变化(Liu et al., 2011),还存在如磁暴和耀斑响应等非规则的变化. 其中,电离层日变化是电离层最显著及基本的变化特性,是认识包括逐日变化等在内的众多电离层现象的出发点,也是电离层经验模型需要呈现的最基本特性(Klobuchar, 1987).

      本文讨论有关F区电离层日变化的一些研究,分四个部分来简要地介绍. 这里我们关注的议题分别是:(1)在日出时段的电离层,以赤道地区电场日出变化为焦点;(2)日间时段电离层变化,主要介绍午时咬失现象;(3)夜间时段电离层异常现象,包括子夜前增强和子夜后增强;(4)以威德(Weddell)海异常为典型代表的中纬电离层夏季夜间异常. 我们评述相关研究的进展及目前存在的争议、指出了需要特别注意的地方,建议需要进一步开展工作的问题.

    • 当太阳辐射照射到电离层,光电离过程参与对电离层变化的贡献. 按电离理论预期,光电离导致的电子产生率剖面随天顶角变化遵循Chapman函数(Prolss,2004). 在日出时刻,电子离化产生率峰值高度位于较高高度;日出后,随着天顶角逐渐减小,光电离产生率峰值所处的高度向下移动,在正午达到最低.

      有趣的是,在日出后,随着天顶角减小,赤道地区电离层F层峰值高度hmF2常常表现为抬升,而不是跟随产生率峰值向下移动. Ambili等(2012)基于印度Trivandrum台站(8.47°N, 76.92°E, 倾角纬度0.17°S)测高仪资料,观测到日出时段赤道hmF2呈现先升后降的起伏变化. Ambili等(2014)进而分析了2010年秘鲁Jicamarca台站(12°S,76.9°W,倾角纬度1.7°S)和印度Trivandrum台站测高仪资料,也观测到日出时段赤道hmF2有相同的起伏变化. Ambili等(2012, 2014)认为赤道hmF2日出增加是光化学过程的结果,赤道hmF2先升后降的起伏变化应该源于光化学. 日出过程中,电离层在不同高度见到太阳辐射的见光时刻是存在差异的,在较高高度的见光时刻要早于低高度. 在不同高度的见光时刻差异可导致电离层日出后形成了一个新的峰,位于F层夜间峰的上面,垂直漂移输运并没有在其中起直接作用.

      但是,Aggson等(1995)认为赤道hmF2日出增加是一种电磁现象. Kolomiitsev等(1997)借助模型计算,还探讨了某些情况下在赤道F层夜间峰和早晨峰之间等离子体低值空腔的形成问题. 他们的模型计算结果显示,电子密度的时间变化主要取决于太阳辐射通量、离子产生率、扩散等因素,扩散减少有利于日出之前F层等离子体的维持.

    • 东西向电场或等离子体垂直漂移是决定低纬电离层输运的重要因素. 最近的个例观测研究(Aggson et al., 1995; Kelley et al., 2014)报道了赤道电离层电场日出增强特征. 赤道电场日出增强成为电离层电动力学重要的新问题.

      Aggson等(1995)报道了San Marco D卫星在1988年6月至9月日出时段附近记录到9次磁赤道东向电场异常增强事件. 在这些事件中,磁赤道电场日出增强的特征与日落反转增强非常相似. Kelley等(2014)从C/NOFS卫星的F层等离子体漂移原位探测资料,也发现了日出时段存在赤道电场增强的事例. 6个连续轨道资料中,有3个轨道展示了日出线东侧赤道电离层存在东向电场,幅度可高达3 mV/m,等离子体漂移具有高动态变化特性. 有趣的是,以往有关赤道电离层电场的统计与模型结果中尚未呈现过赤道电场日出增强特征. Kelley等(2014)提出日出与日落两个时段赤道电离层电场增强的形成机理相同,均源于F区东向热层风.

      Zhang等(2016)报道了Jicamarca非相干散射雷达历史资料中日出时段赤道F区电离层电场呈现很强的向上漂移的一些事例. 如图1所示,最上子图中红线给出了Jicamarca非相干散射雷达观测的2004年6月10日F层等离子体垂直漂移,蓝线为对应的Scherliess 和Fejer(S-F)经验模型参考值. S-F经验模型是基于Jicamarca非相干散射雷达历史资料构建的统计模型(Fejer and Scherliess, 1997),体现了赤道地区电离层电场的气候学特征. 从图1可以清楚地看到,非相干散射雷达观测结果展示2004年6月10日赤道电场存在日出增强,而S-F模型预测的赤道电场参考值缺失日出增强这一特征.

      图  1  2004年6月10日Jicamarca非相干散射雷达观测的垂直漂移速度、及测高仪探测的foF2和hmF2日变化. (上图)带圆点线是非相干散射雷达观测垂直漂移速度,无圆点实线是由S-F经验模型给出的漂移. (中、下图)带圆点线表示测高仪foF2和hmF2当日观测值,无圆点实线是其27天滑动值(修改自Zhang et al., 2016

      Figure 1.  Diurnal variation of the vertical plasma drift from Jicamarca incoherent scatter radar and foF2 and hmF2 from Jicamarca ionosonde observations on June 10, 2004. (Top) vertical drift from Jicamarca incoherent scatter radar observations (curve with circles) and from S-F model (line without circles); (middle and bottom) foF2 and hmF2 from ionosonde observations (curve with solid circles denotes the observations and line without circles for 27-day moving values) (modified from Zhang et al., 2016)

      图1还展示出了Jicamarca电离层频高图探测的F2层临界频率foF2和峰值高度hmF2,红色点线是2004年6月10日观测值,蓝色线表示的是27天滑动均值. 当非相干散射雷达观测到电场日出增强时,F2层峰值电子密度出现了弱的减小,F2层峰值高度显著增加. F2层峰值高度在日出增强期间从270 km抬升到380 km,结果有力地支持赤道hmF2日出增加是电离层电场日出增强导致的,可能是一种电磁现象,还表明赤道电离层电场日出增强现象可能被电离层测高仪观测到.

      除了非相干散射雷达,ROCSAT-1卫星原位探测资料也显示赤道电场经常存在日出增强特征. Zhang等(2015)利用ROCSAT-1卫星数据,统计分析了日出附近赤道电离层等离子体垂直漂移增强现象. 图2给出赤道电场日出增强有如下特点:(1)日出增强发生率夏季最高、冬季最低;(2)发生率有经度差异,受地磁偏角调控;(3)日出增强现象更容易发生在共轭半球E区日出时间差异大的经度地区,日出电场峰值在夏季和320°E经度附近,增强峰值时刻在南北共轭半球E区日出之后出现.

      图  2  基于ROCSAT-1观测统计的赤道电场日出增强事件随经度分布. 从上到下分别是等分季节、六月至季和十二月至季. 竖条给出日出时段卫星轨道跨过赤道的数目,填充条为存在电场日出增强的轨道数目(修改自Zhang et al., 2015

      Figure 2.  Longitudinal distribution of the number of the events with sunrise enhancements in the equatorial zonal electric field and orbits of ROCSAT-1 observations in (top) Equinox, (middle) June solstice, and (bottom) December solstice. Bars denote the total numbers of orbits crossing the equator and filled part plots the number of the orbits with a sunrise enhancement in electric field (modified from Zhang et al., 2015)

    • Kelley等(2014)提出了赤道电离层电场日出增强的一种可能形成机理. 该形成机理以F区东向热层风和存在于晨侧日夜交替线附近大的电导率梯度为核心,类似于赤道电离层电场日落增强的形成机理(Kelley, 2009). Zhang等(2015)从日出增强特征(发生率、出现时刻)对季节与经度依赖的特性,强调共轭半球E区日出时间差异与地磁场位型是电场日出增强形成时刻的关键控制因素,支持Kelley等(2014)提出的形成机理.

      Chen等(2020a)利用TIEGCM模型,模拟2004年6月10日F区电离层电场日出增强. 他们的模型结果表明,赤道区东向电场的强度取决于中纬西向风场的强度和电离层经度梯度,以及日出线的偏角. 除了赤道区,电场日出增强还出现在其他纬度. Chen等(2020a)认为太阳活动低年期间日出时段赤道F区电场增强是中纬E区东西向风通过E层发电机形成,而不是赤道F层风场发电机的结果. 他们不赞同Kelley等(2014)Zhang等(2015)的观点. 但是,TIEGCM模型计算结果显示出,电离层电场在地方时2点半左右开始出现东向,要远早于观测资料5点开始出现,这就与夜间F区发电机电场为主导(Kelley, 2009)相悖. 有关电场日出增强的形成机理,无疑还是一个有趣的未解问题.

      Zhang等(2016)利用观测和TIME-IGGCAS模型模拟计算,探究了垂直漂移日出增强对电离层的影响. 从其文章图3可以看到,发现日出增强现象可以引起赤道电离层等离子体剖面的显著改变,出现赤道电离层的高度抬升,减小峰高处和底部电离层电子密度. 更为重要的是,在模拟结果中日出增强现象引起了赤道电离层的再分层—F3层现象. 由此可见,基于电离层峰高来间接地提取电离层动力学信息(Liu et al., 2003)可能面临新的挑战. 期待未来工作来探索不同纬度的日出电场变化及其电离层效应.

      图  3  高太阳活动水平期间F2层峰值电子密度(NmF2)随地方时和月份的变化,自左至右依次为磁赤道Kodaikanal站、磁赤道北侧Manila站和磁赤道南侧Singapore站的结果. Kodaikanal站子图中的虚线框指示了午时咬失现象(修改自Chen et al., 2020b

      Figure 3.  Diurnal and seasonal variations of the peak electron density of F2 layer (NmF2) at (left) Kodaikanal, (middle) Manila, and (right) Singapore stations for high solar activity. The vertical dash line in the left panel denotes the appearance of the noontime bite-out feature at Kodaikanal (modfied from Chen et al., 2020b)

    • 随着太阳向天顶移动,太阳辐射引起的光电离逐渐增加,Chapman理论预期电离层电子密度在正午或之后的某一时刻达到最大值. 但是,地球电离层主分层(F2层)电子密度表现出复杂的变化,可能显著偏离Chapman理论预期,在正午时段电子密度反而显著降低,甚至出现极小. 日间电离层有时出现双峰特征,在午前和午后各有一个峰值,称为“午时咬失”(noontime bite-out)现象,如图3所示.

      磁赤道附近电离层可常常观测到午时咬失现象. 通常认为,电场驱动了赤道等离子体喷泉,把等离子体搬移到更高高度、更高纬度,引起正午前后赤道区电子密度损失,从而形成了午时咬失现象. 按照这种理论,午时咬失应该在赤道及南北两侧形成. Chen等(2020b)选择赤道区域的电离层观测,对赤道Kodaikanal站(10.2°N, 77.5°E,倾角4.8°)与南侧Singapore(1.3°N, 103.8°E,倾角-17.1°)、北侧Manila(14.7°N, 121.1°E,倾角15.1°)三个典型位置的电子密度日变化特征进行比对研究,如图3所示,发现午时咬失的发生季节有明显的南北不对称:在赤道所有季节均发生,而在赤道南北两侧不同时发生,夏季台站则不出现. 进一步分析揭示这种南北不对称的主因是半球不对称的中性风驱动了越赤道等离子体输运过程,进而调制了电子密度的日变化. 在低纬,从夏季半球向冬季半球的输运过程驱动赤道夏季半球一侧等离子体外流,在喷泉效应之前就已经造成电子密度的损失,使得电子密度从早晨至下午缓慢增长,因此不呈现午时咬失的特征.

      Venkatesh等(2016)报道了2004年4月12~18日不寻常的午时咬失事件,午时咬失发生在赤道异常驼峰地区,却没有出现在赤道附近. 特别是在2004年4月13日,印度赖布尔地区(21.2°N,81.7°E)出现的咬失达到30 TECu,是该地当日TEC最大值的50%. 相对印度地区,在巴西扇区午时咬失出现要晚2天. 在该次事件中,午时咬失在印度地区持续了约5小时,而在巴西扇区为3小时左右.

      Lee(2012)发现在Jicamarca地区,测高仪探测的NmF2有午时咬失特征,总电子含量TEC却没有呈现午时咬失特征,这表明午时咬失存在高度差异. Lynn等(2014)利用澳大利亚超视距高频天波雷达网获得的垂测和斜测探测foF2资料,发现在北澳大利亚日间时段foF2有上午和下午峰值特征. 午时咬失在太阳活动低年的2007~2008年持续可见,而在2011~2013年幅度要小一些. 有趣的是,从亚洲/澳大利亚扇区TEC资料的统计分析,Wang等(2021)展示了TEC午时咬失,其出现率在北半球有半年变化特征,在南半球有年变化特征.

      Zhang等(2000)分析了位于日本Shigaraki(34.85°N, 136.10°E)的MU非相干散射雷达探测资料,发现午时咬失只出现在夏季,在太阳活动低年比太阳活动高年更显著. Chen等(2021)对东亚测高仪历史资料进行统计分析重构,研究了特定太阳活动水平下的中低纬电离层日变化特性. 在夏季,午时咬失在中低纬均可以发生. 在赤道异常驼峰区,跨赤道等离子体流向另外一个半球和向上的热扩散引起了午时咬失;热层成分是形成中纬午时咬失的重要因素. 图4给出在太阳活动高年和低年6月份Okinawa(26.3°N,127.8°E)、Wakkanai(45.4°N,141.7°E)和Yakutsk(62.0°N,129.6°E)台站F2层临界频率(foF2)和峰高(hmF2)的周日变化.

      图  4  在高(Smax)低(Smin)太阳活动条件下6月份Okinawa、Wakkanai和Yakutsk台站F2层临界频率(foF2,有圆点曲线)和峰高(hmF2)的周日变化. 图中阴影部分表示300 km高度无光照时间段(修改自Chen et al., 2021

      Figure 4.  Diurnal variations of the critical frequency (foF2, with solid circles) and peak height (hmF2) of F2 layer at (left) Okinawa, (middle) Wakkanai, and (right) Yakutsk stations for low (Smin) and high (Smax) solar activity. The grey area denotes the time interval without sun light at 300 km altitude (modified from Chen et al., 2021)

      要特别提及的是,从图4中Yakutsk台站特征可以看出,在有的地方日间双峰特征可能与电离层夜间增强有一定的关联. Jiang等(2020)利用TIEGCM模型研究中纬TEC日变化峰值的出现时间. 他们选取的模拟条件是太阳活动低年,把TIEGCM模型计算结果和2009年TEC观测值进行对比分析,认为不同的机制导致了中纬电离层峰值出现在白天,还是在夜间. 在白天,向上的双极扩散通量和极向中性风产生电离层损耗,导致在冬季中纬电离层在上午时段出现峰值;而来自等离子体层向下的等离子体通量在夜间形成了电离层峰值.

      在高纬度,如冬季Longyerbyen(78.2°N,16.0°E),可能存在一类特别的日间双峰特征(Xu et al., 2014),源于太阳电磁辐射与粒子电离的重要作用,以及等离子体对流的共同参与. 当两类过程的峰值时间不重合时,电离层在地方时和磁中午各有一个极大值,也表现出双峰日变化特征.

      Pi等(1993)报道了与亚暴活动相关的中低纬电离层日间双峰特征或咬失现象. 他们通过地方时约束是日间事件,通过峰值与槽值的比来限定事件强度的阈值,由此给出了如何判定此类事件的判据.

      从现有的研究来看,午时咬失可能是特定条件下的现象,存在于某些空间区域. 关于电离层午时咬失,仍有如下问题有待于研究,比如:电离层午时咬失出现在哪些高度区域,有怎样的纬度和经度依赖特征,哪些因素在其中扮演着主控的角色,地磁活动水平与午时咬失的形成有怎样的关联,午时咬失的第二个峰是否与夜间增强或黄昏增强有关联.

    • 夜间电离层存在许多复杂而有趣的现象. 在傍晚到夜间时段,随着太阳辐射的减弱和消失,光电离作用逐渐退出对电离层的贡献(Prolss, 2004). 在动力学过程和化学过程的作用下,特定条件下电离层电子密度随地方时出现增加,即夜间增强现象(Xu and Liu, 2016). 人们利用多种探测手段的探测数据,从不同角度开展了夜间增强的特征及其形成机理的研究,用到的探测数据包括测高仪探测的关键电离层参数、信标和GNSS等卫星的TEC、卫星原位探测、非相干散射雷达电子密度剖面,以及基于TEC层析重构、测高仪描迹反演或掩星技术反演得到的电子密度剖面.

    • Titheridge(1968)利用地球同步卫星TEC记录,结合测高仪观测,研究34°S和42°S的夜间电离层行为. 假设夜间电离层以恒定指数速率衰减,确定了夜间等效损失率在夏天为4×10−5 s−1,在冬天为3×10−5 s−1. 随着夜间hmF2上抬,有效损失率在等分和冬季下降了2.7倍. 他们假设夜间电离层剖面形状没有大的改变,因而电离层高度的变化表征了电离层的总体垂直运动. 需要说明的是,剖面维持不变的假设与他们观测到电离层板厚在子夜后增加是不吻合的,也与Liu等(2013, 2020)报道的电离层剖面变化的观测事实是不吻合的.

      以指数衰减值为基准值,Young等(1970)分析了1964~1968年Hawaii(21.3°N, 158°W)同步卫星信标TEC观测,发现低纬台站TEC增强典型持续2~4小时,幅度约6 TECu,峰值在地方时2100~2200和0100~0200两个时段,冬季比夏季更显著. 依据几百公里范围内的多地特征差异,提出增强效应有时是局域性的. Chen等(2008)关注中国赤道异常区域TEC夜间增强的区域在经度上小于5°,他们研究的增强现象持续时间不超过1小时,幅度大于1 TECu的事件. Essex和Klobuchar(1981)分析了中纬地区阿拉斯加Shemya及其磁共轭点澳大利亚Beveridge的TEC资料,发现两地TEC变化在夜间呈现负相关,启示半球间的等离子体交换存在的可能性.

      Essex和Klobuchar(1980)以TEC增幅大于1 TECu、持续时间长于1小时为发生TEC增强的判据,对中纬冬季TEC夜间增强进行了分析,其资料覆盖1971年、1974年和1975年. 结合测高仪资料揭示出,夜间时段TEC增加过程中,常常伴随有NmF2强烈增加,F层最低虚高下降. 在地磁活动增强时,发生增强的空间区域扩大. Horvath和Essex(2000)分析GPS和TOPEX卫星的TEC资料,获得了1995年3月至1996年2月太阳活动低年期间澳大利亚中纬地区夜间增强特征. Yadav等(2020)利用两个印度赤道台站GPS TEC和测高仪研究子夜前和子夜后增强.

      以指数衰减值为基准值,Balan和Rao(1987)从1975年12月至1976年1月冬季TEC数据,展示了2°~63°倾角纬度范围内的夜间增强,在30°和60°纬度存在两个极小值. 夜间增强峰值在低纬与地磁活动没有显著的相关性,在其他纬度却呈现出很强的正相关. Balan等(1994)研究了中低纬TEC夜间增强,发现在低纬赤道异常地区,南北半球可能同时发生增强,增强在南半球比北半球发生更频繁、增加幅度更强烈. 形成显著对比的是,在中纬地区一个半球发生增强时,另外一个半球要么不出现增强,要么只出现弱增强,没有发现在两个半球同时发生强增强事件. Balan和Rao(1984)基于1975年10月至1976年7月Ootacamund(11.43°N, 76.7°E)和Thumba(8.54°N, 76.87°E)两个赤道站同步卫星信标TEC资料,发现TEC增强与闪烁指数的幅度存在相关性. Unnikrishnan等(2002)利用1980~1989年Palehua台站对同步卫星的TEC观测分析TEC夜间增强,关注地磁活动对夜间增强参数的影响. Palehua台站位于赤道异常峰北侧,地理纬度和地磁纬度均接近19°N. 相对于磁平静期来说,在大磁暴期间TEC增强的幅度、持续时间和出现频次均有所变强.

      Gordienko等(2001)基于1985~1986年Almaty台站同步卫星TEC资料及Alma-Ata(43.25°N, 76.92°E)台站测高仪资料,分析了中纬电离层夜间增强的幅度、出现几率、持续时间和峰值时间等特性. Jakowski等(1991)从1974~1980年期间在古巴Havana台站(23.1°N, 82.5°W)同步星信标TEC观测记录到741次夜间增强事件,测高仪观测的foF2记录到1 317次增强事件. 增强出现率最大在低太阳活动条件下发生在冬季,而在高太阳活动条件下发生在夏季.

      Davies等(1979)从1974年7月至1975年5月Bozeman(45.7°N, 110.7°W, L = 3.1)、Boulder(40.13°N, 105.24°W, L = 2.34)和Dallas(32.98°N, 96.75°W, L = 1.88)等台站TEC资料,确定TEC夜间增强主要出现在冬季子夜,增强最大值在55°磁纬. 他们估计增强主要发生在电离层,等离子体层的变化要小得多.

    • Farelo等(2002)综合分析1955~1999年全球53个测高仪台站foF2历史资料,获得了15°~60°纬度范围电离层夜间增强的季节变化、太阳活动依赖与出现的地域特性. 他们以foF2夜间最低值为基准来确定foF2夜间变化幅度,而不是以增强之前时段的低值为基准,这种选取方式是有问题的. 从Farelo等(2002)图1来看,所选foF2夜间最低值出现在子夜前峰值以后时段,错误地判定了子夜前增强. 因此,Farelo等(2002)结果是值得怀疑的,有待进一步甄别.

      Yakovets等(2009)报道了2005~2006年Alma-Ata台站测高仪数据在11月至3月NmF2增强出现率超过50%. Alma-Ata台站测高仪数据探测的6个夜间增强事例见图5. 这些事例展示出夜间增强图像有很强的地方时演变差异. Trivedi等(2013)从2005年1月至2008年2月期间Bhopal(23.2°N, 77.4°E, 地磁14.2°N)台站GPS TEC观测中,提取到157次夜间增强事件,有75次发生在子夜前,82次出现在子夜后(需要提及的是,2006年12月至2007年9月间缺失观测记录). 夜间增强通常持续30~40 min;在夏季出现最频繁,分季次之,冬季最少. Jain等(2011)以相对背景增强10%为发生了增强的判据,对2005年3月至2006年11月Bhopal台站GPS TEC资料进行分析,从发现的138次TEC增强事件来看,增强可以出现在任何季节,在夏季最频繁发生、幅度最大,等分次之,冬季最少、幅度最小. TEC增加幅度出现频次峰值在子夜前为4.4 TECu,子夜后为2.17 TECu.

      图  5  Alma-Ata台站测高仪F2层临界频率(foF2)夜间增强典型事例. 图中箭头表示日落时刻以及地面与300 km高度日出时刻(修改自Yakovets et al., 2009

      Figure 5.  Cases of nighttime enhancements in the F2 layer critical frequency (foF2) at Alma-Ata. The arrows denote the time of ground sunset and sunrise at ground and 300 km altitude, respectively (modified from Yakovets et al., 2009)

      Pirog等(2011)利用Irkutsk台站(52.5°N, 104.0°E)1958~1992及2002~2009年测高仪foF2数据,分析冬季夜间增强的特性. 在磁平静条件下,foF2峰值主要出现在02~04地方时. Li等(2020)基于第24太阳活动周北京与漠河台站的测高仪观测,结合美国喷气推进实验室(JPL)TEC以及岢岚法布里—珀罗干涉仪(FPI)的风场观测资料,开展了中纬电离层夜间增强的统计研究. 结果表明,夏季增强发生集中在较早时段,增强期间hmF2呈现增加趋势;这与以往认为的中性风抬升电离层减少复合损失,从而形成夜间增强的认识一致. 冬季夜间增强发生时间较晚,集中在子夜之后. 如图6所示,增强发生期间,hmF2既可以呈抬升变化,也可以是下降或变幅不显著的类型.

      图  6  典型夜间增强事例中北京台站测高仪F2层临界频率(foF2)、hmF2和TEC日变化(修改自Li et al., 2020

      Figure 6.  Diurnal variations of the F2 layer critical frequency (foF2) and peak height (hmF2) and total electron content (TEC) during three cases of nighttime enhancements at Beijing (modified from Li et al., 2020)

      Pavlov和Pavlova(2007)分析磁赤道附近Huancayo–Jicamarca等多台站测高仪数据,揭示出夜间增强峰值依赖于所处的经度,出现频次在地磁活动期高于磁平静期.

      Pezzopane等(2011)基于南美地区赤道异常峰附近的Cachoeira Paulista(22.4°S, 44.6°W)、São José dos Campos(23.2°S, 45.9°W)和Tucumán(26.9°S, 65.4°W)台站foF2数据,分析了在2010年3月6日发生的一次夜间增强事件. 在电离层增强过程中,各站F层最低虚高(h′F)下降和板厚减小,指示着电离层受到了压缩.

      Liu等(2013)利用2012年我国三亚(18.3°N, 109.6°E)台站测高仪探测数据,对发生在子夜后的一类特殊的夜间行为进行了系统分析. 如图7所示,他们研究的100多次子夜后低纬增强事件中,伴随F2层峰值电子密度增强,峰值高度下降,标高指示电子密度剖面逐渐变薄. 考虑到测高仪不能提供顶部电离层的直接测量信息,Liu等(2020)利用我国低纬台站的非相干散射雷达,并结合测高仪及GNSS观测,研究了低纬电离层增强现象发生过程中不同高度的特征. 如Liu等(2013)报道的那样,我国曲靖、三亚等低纬电离层发生增强时,可能出现电离层高度下降特征. 图8展示在午后低纬电离层增强发生时,电子密度在顶部电离层出现下降,而底部电离层出现增强.

      图  7  2012年148~150天期间三亚台站测高仪F2层临界频率(foF2)、hmF2和标高以及地磁活动Kp指数变化. 带圆圈线为观测值,带误差棒曲线为月中值及上下四分值,黑色短竖线标示当地子夜,阴影区域为夜间时段(修改自Liu et al., 2013

      Figure 7.  Diurnal variations of the F2 layer critical frequency (foF2), hmF2 and scale height at Sanya during 148~150 days in 2012. The geomagnetic activity Kp index is plotted in the bottom panel. The curve with circles denotes the observations and line with bars shows the monthly median values and upper and lower quartiles. The vertical solid lines mark the local midnight and the gray regions outline the nighttime intervals(modified from Liu et al., 2013)

      图  8  2014年4月8日我国曲靖台站电离层最大密度NmF2及四个高度上电子密度的日变化. 灰色区域展示在NmF2增强发生时,在峰高以上电子密度出现下降,而底部电离层出现增强(修改自Liu et al., 2020

      Figure 8.  Diurnal variations of the electron density at the F2 layer peak and four altitudes at Qujing on April 8, 2014. The grey area denotes the time interval of NmF2 enhancement (modified from Liu et al., 2020)

      Jiang等(2016)等通过对Puer(22.7°N, 101.05°E, 倾角纬度12.9°N)、Chiang Mai(18.76°N, 98.93°E, 倾角纬度9.04°N)、Chumphon(10.72°N, 99.37°E, 倾角纬度0.93°N)和Kototabang(0.2°N, 100.32°E, 倾角纬度9.99°N)台站测高仪资料分析,展示了2013年9月子夜后低纬电离层增强事例,发现子夜后增强峰值的出现时间在南半球早于北半球;北半球纬度越低,越早出现.

      Thampi等(2009)采用层析方法对观测重构的电离层资料,结合COSMIC掩星、测高仪、GPS TEC以及CHAMP原位探测资料,发现2008年7月135°E扇区北半球33°中纬几乎每天发生夜间增强,夜间值高于白天值. Li等(2018)利用CHAMP和DMSP卫星等离子体原位探测资料,研究了350 km和850 km高度夜间增强,发现夜间增强集中在30°~50°磁纬,出现在低太阳活动条件的冬季和分季.

      Luan等(2008)从COSMIC掩星资料确定的平均值,发现夜间增强的纬度和地方时依赖有经度差异. 夜间增强出现在F2层峰高附近50~100 km高度区域;在这一高度区域之外,无论是顶部电离层还是底部电离层均未看到显著的增强特征.

    • Jakowski等(1991)发现在增强事件中foF2达到峰值的时间经常比TEC要晚1小时. 他们据此提出,上部电离层密度先增强,NmF2后增强. 来自等离子体层的等离子体向下输运是夜间电离层增强的主要机制. Li等(2020)通过统计研究揭示出电离层—等离子体层耦合对夜间电离层行为的重要性. 在中纬冬季夜间增强期间,虽然子午向中性风的变化与hmF2的变化有很好的一致性,但是hmF2的改变对夜间增强的特征影响不大;形成夜间增强的主要控制过程是等离子体的向下输运(包括跨半球输运)对. 在等离子体向下输运的主导作用下,等离子体在F2层峰高附近堆积,形成夜间增强,电离层板厚变薄.

      Davies等(1979)从F2层峰下移及夜间增强区域从东向西运动,推测增强期间存在西向电场,驱动等离子体从高磁壳数向低磁壳数区域运动,从而增加等离子体压力,进而加速等离子体从等离子体层向电离层的流入. Balan等(1994)提出,赤道喷泉日落增强是低纬增强的主要源,中纬地区夜间增强的重要源是等离子体从等离子体层向电离层沿磁力线向下输运,是半球不对称性的. Tsagouri和Belehaki(2002)利用Athens(103.5°E, 地磁36.23°N)测高仪观测,分析了2000年9月29日至10月8日磁暴期间电离层增强,提出增强是来自等离子体层的等离子体向下输运的结果.

      Young等(1970)提出可能的增强源分别是等离子体的共轭半球迁移和电磁漂移. Essex和Klobuchar(1980)认为,在较低中纬与更高纬度出现的TEC夜间增强的机理应该不同;TEC增强来自于夏季共轭半球,不是以消耗等离子体层为代价. Horvath和Essex(2000)发现中纬子夜增强的发展与低纬E×B漂移转向吻合,提出西向电场触发了E×B漂移从向上转为向下,也引起了来自高层的向下等离子体流,从而产生中纬电离层夜间峰值.

      Gordienko等(2001)从Alma-Ata夜间增强的空间特征,提出是电离层行扰效应导致了夜间增强现象的出现. 尽管C/NOFS卫星在南美赤道地区观测到了西向电场,Pezzopane等(2011)提出是中尺度电离层行扰在这一现象中起了重要作用.

      通常认为动力学过程引起F2层高度上升,导致复合损失变慢,从而有利于夜间增强的形成. Liu等(2013)提出低纬电离层夜间增强的一种新机理,认为观测到西向电场驱动的E×B向下漂移是引起示于图7低纬夜间增强类型事件的主因. Le等(2014)在没有引入向下的等离子体漂移情况下,电离层理论模型计算结果没有夜间增强现象. 计算结果表明,夜间赤道及低纬地区向下的E×B漂移是引起夜间增强最主要的因素,夜间赤道向中性风会加强夜间增强. Liu等(2020)进一步证实Liu等(2013)提出的西向电场驱动的等离子体压缩可导致低纬电离层增强的观点,区别于低纬电离层增强发生是电离层抬升产物的认识.

      Liu等(2013)的启发,Yadav等(2020)从高分辨率TEC地图展示了西向电场驱动的反向喷泉效应与赤道区电离层夜间异常相关. 但是,Jiang等(2016)提出磁倾角和跨赤道风的共同作用是出现时间存在纬度差异的原因.

      值得思考的是潮汐等大气波动过程在夜间电离层变化中所起的作用. Gong等(2012)运用Arecibo(18.3°N, 66.7°W)非相干散射雷达资料,对2010年1月14日至22日期间子夜坍塌进行了事例研究. 低纬子夜时段F层峰高大幅度下降现象,又称子夜坍塌. 在发生子夜坍塌的时候,潮汐8小时分量变得重要,中性风和电场共同驱动了电离层高度下移变化. 有趣的是,Gong等(2012)报道的事例中有显著的电离层夜间增强特征.

      我们需要认识到相关研究判定夜间增强的差异及其后果. Liu等(2013)已经讨论了两类判定方法及其导致的差异. 夜间时段电离层存在复杂的过程,电离层所处的高度和中性成分均不断地发生变化. 以指数衰减值为基准值,需要假设有效损失率为常数. 不难看出,这是非常强的假设;当增强在日落前就已经发生的情形下,要确定有效损失率变得不可能. 有兴趣的读者可以审阅Titheridge(1968)的计算事例. 以Young等(1970)为代表,采用指数衰减的预期值为参考值,以此来判断夜间异常的发生与否. 采用Young等(1970)的判据可能将未发生增强的事例错误地判定为增强事例. 比如,Young等(1970)图2的1968年1月6日事例、Balan等(1994)图1中1971年2月2~3日事例、Balan和Rao(1984)图1中1976年2月11~12日事例和Unnikrishnan等(2002)图1中1981年11月3日事例,都应该没有发生夜间增强. 因此,我们呼吁一点:在未来的夜间增强研究中,应该摒弃Young等(1970)的判据.

    • 在某些情形下,中纬的特定区域存在一种特殊类型的电离层异常增强. 中纬地区电离层电子密度从午后某个时刻开始增长,在夜间形成电子密度极大值,有时甚至可以显著地高于白天值,如图9. 典型的代表为威德海异常.

      图  9  六月至季COSMIC掩星观测在(120°E, 60°N)附近NmF2日变化. COSMIC观测值以散点表示,而平均值及方差以曲线和误差棒画出(修改自Chen et al., 2016

      Figure 9.  Local time variation of COSMIC NmF2 around (120°E, 60°N) at June solstice. Dots show the COSMIC measurements, the line with bars are the average and deviations of NmF2 (modified from Chen et al., 2016)

      1957~1958年国际地球物理年期间,在南极建设了包括Faraday站(地理65.22°S, 地磁53.75°S)在内的电离层观测站. 电离层观测展示南极威德海地区电离层存在异常特征,表现为电子密度最高值出现在夜间时段,而不是出现在日间时段. 这种异常现象因而称之为威德海异常(Bellchambers and Piggott, 1958; Penndorf, 1965; Dudeney and Piggott, 1978). 威德海异常是发生在夏季的异常现象.

    • He等(2009)利用2006~2008年COSMIC星座的无线电掩星资料,分析了中纬电离层NmF2和hmF2. 在黄昏时段,中纬地区NmF2分布受到地磁偏角的影响;NmF2量值与地磁偏角的关系,在南半球正地磁偏角地区NmF2量值高于负磁偏角区域,在北半球正好相反. 黄昏时段,NmF2在部分中纬地区有显著的增长,在日落附近停止. 一个典型的威德海异常特征是hmF2的抬升. 伴随着hmF2显著的增长,峰值附近复合率下降,若仍有太阳照射,NmF2将相应地增加. 在中纬地区,hmF2的周日变化依赖于中性风的周日变化,观测到的这些特征可用热层风的周日演化和地磁场的构型来解释. hmF2周日变化的幅度受到磁倾角的影响,而hmF2周日变化的相位受到磁偏角的影响.

      Burns等(2008, 2011)提出威德海异常是一种夏季中纬现象,类似威德海异常的特征出现在西南太平洋、南美等其他中纬地区. Chen等(2012)分析1957~2010年全球66个台站测高仪资料,研究发现中纬电离层夏季强夜间异常出现在三个地区,在太阳活动低年强于太阳活动高年.

      Chen等(2015b, 2016)基于COSMIC电子密度观测,研究了太阳活动低年期间NmF2夏季夜间增强的全球分布. 夏季日落—夜间增强主要发生在南太平洋区域和北大西洋区域、东北亚区域,南半球增强比北半球的更为突出. 这可能与南太平洋地区较大的地磁正偏角和在较高的地理纬度有较小地磁倾角有关. −70°~70°纬度区域内夜间增强的全球分布与地磁构型密切相关. 太阳活动低年冬季半球NmF2夜间增强主要出现在地磁倾角大于45°的区域;随纬度增加,夜间增强的幅度极大值在磁纬40°~50°之间,极小值在磁纬60°~70°之间;夜间增强的幅度有显著经度变化(图10);总体而言,冬季NmF2夜间增强的幅度在北半球大于南半球.

      图  10  2007~2009年期间冬季NmF2夜间增强幅度△NmF2. 黑实线对应零地磁偏角(修改自Chen et al., 2015b

      Figure 10.  The amplitude of the enhancement of NmF2 in December solstice and June Solstice determined from COSMIC observations in 2007~2009. Dark lines plot the zero magnetic declination, and the gray lines show the iso-dip contours (modified from Chen et al., 2015b)

      Horvath和Lovell(2009)分析了DMSP F15探测资料,发现电离层在北半球中纬50°~60°N /110°~170°E区域存在夏季夜间增强,与威德海异常有类似的特征. Hsu等(2011)利用2006年TIMED卫星上搭载的GUVI载荷的135.6 nm OI气辉观测,展示了中纬电离层夏季夜间增强发生在北半球亚洲、欧洲和北大西洋以及南半球南美—南大西洋. Lin等(2009, 2010)关注威德海异常出现的高度,从COSMIC掩星资料构建了威德海异常的三维结构,发现在300 km高度威德海异常非常显著.

      要提及的是,要特别注意在中纬夜间增强出现的时间与当地上空电离层是否存在光照,这是区分日落—夜间增强和夜间增强现象的关键. 要更清晰地勾绘中纬夏季夜间增强在不同高度的图像,还期待借助更多高度范围的同时综合探测.

    • 关于威德海异常的机理,Penndorf(1965)提出来自白天等离子体对流的输运,Bellchambers和Piggott(1958)强调中性成分的贡献,而Dudeney和Piggott(1978)偏爱中性风的作用. 诚然,威德海异常所在区域是地理高纬、地磁中纬,因此第一种机理假说至少在磁平静期间不适用,基本上已经被抛弃.

      Horvath和Essex(2003)利用TOPEX卫星提供海洋地区TEC的优势,描绘了1998~1999年太阳活动高年期间威德海异常的空间范围. 他们提出威德海异常的形成来自太阳辐射和中性风的共同作用,与He等(2009)观点一致. Lomidze等(2016)运用数据融合方法,从COSMIC掩星资料估计中性风信息,再把得到的中性风输入到一个电离层—等离子体层模型,来模拟威德海异常. 模型计算结果表明,在中性风的抬升作用下,随着等离子体损失变小,太阳光电离作用变得相对重要,导致威德海异常的发生.

      Chen等(2011)利用SAMI2模型模拟,提出赤道向中性风是形成威德海异常的主因,来自等离子体层的向下输运维持或增强了中纬电子密度的异常结构. Chen等(2015a)基于测高仪数据,发现在东亚—澳大利亚扇区,夏季半球日落—夜间增强有南北不对称性;热层风的相位对日落—夜间增强的发展有重要控制作用. 鉴于135°E北半球在太阳活动低年有非常明显的中纬夏季夜间异常现象,Thampi等(2011)采用SUPIM模型模拟135°E扇区中纬夏季夜间异常现象. 在使用MU雷达的风速数据时,他们的模型结果能够成功地模拟观测到的中纬夏季夜间异常特征.

      Dabas和Kersley(2003)采用层析成像的方法,获得了英国上空电子密度剖面及其纬度结构,用来探究中纬电离层夜间增强. 他们发现大部分增强事例发生在子夜后,把增强归因于从等离子体层向电离层的等离子体向下输运以及中性风的作用. Chen等(2016)发现夜间增强的全球分布特征与背景NmF2值、热层密度分布、顶部电离层和等离子体层中等离子密度的分布、以及在地磁构型影响下来自共轭半球的等离子体输运有关.

      Xiong和Lühr(2014)利用CHAMP和GRACE原位探测资料,研究了2008~2009年极低太阳活动期间中纬顶部电离层夏季夜间增强现象,聚焦于40°~60°磁纬夏季夜间增强最强的区域,他们从太阳潮汐角度来认识中纬夏季夜间增强,借助一些潮汐分量的叠加及潮汐的相位差异来解释威德海异常及两个半球中纬夜间增强的形成.

      Slominska等(2014)将威德海异常放在更大的框架下,称之为等离子体夜间增强. 以威德海异常和中纬夏季夜间异常为代表,利用DEMETER卫星原位探测资料研究了顶部电离层夜间增强的时空演变.

    • 本文介绍了电离层日变化的一些研究进展,涉及日出时段电离层电场及其电离层效应、日间电离层双峰结构或午时咬失特征和夜间异常等主题. 我们不是很清楚在这些主题上不同高度区域电离层的差异,这特别值得未来进行探索.

      要特别强调,在审视这些工作揭示的特征或机理差异时,需要甄别所用分析方法与判据标准的异同,还要明确探测涉及的区域与所处地球物理条件是否一致. 譬如,有的研究采取特定日期的事例分析,而有的工作是基于平均值的研究. 对有复杂逐日变化的电离层而言,差异有时是非常巨大的.

      最后提及的是,电离层在日落时段存在着非常复杂的现象,众多物理过程参与其中. 研究日落时段的工作也非常多,需要专门的文章予以综述. 从篇幅角度考虑,本文没有涉及日落时段电离层.

参考文献 (77)

目录

    /

    返回文章
    返回