文丨小铭有点楠

编辑丨小铭有点楠

前言

F区电离层是地球大气层中约200到1,000公里高度的电离部分，在不同的空间和时间尺度上表现出变化，并以多种异常和不对称为特征。热层中电离的主要来源是太阳EUV辐射。

在20世纪70年代中期人们注意到，尽管电离层在两次春分期间处于相似的太阳辐射条件下，但其在三月春分期间中低纬度地区的电子含量明显高于九月春分期间。

这种现象后来被称为电离层分点不对称。近年来，国际能源署的研究重新引起人们的兴趣，各种基于地面和空间的测量被用于其调查。

不对称性是一种全球现象，但其强度取决于太阳活动、当地时间、纬度和经度。除等离子体密度外，中纬度热层中性风和等离子体漂移也被报道存在分点不对称性，电离层离子和电子温度。

不对称性

使用现场卫星测量对顶部电离层中的IEA进行的研究相对较少，并且关于IEA的半球依赖性的结果似乎是矛盾的。使用Hinotori卫星在低纬度和大约600km高太阳活动条件下的电子密度和温度测量，发现两个春分点之间的密度差异为40%和100%分别是白天和晚上。

这种不对称性与半球有关，北半球的三月春分和南半球的九月春分出现了更高的电子密度。仅在夜间表现出显著的不对称性，与夜间Ne呈正相关。

相比之下，利用中低纬度地区700km左右太阳活动中/低纬度地震区传输电磁辐射探测卫星数据，研究了白天和夜间上部Ne不对称性，发现在近700km的中低纬度地区密度大多较大两个半球的三月春分。

在400到600公里的高度之间，不对称性很明显，3月出现Ne总是超过9月，无论是在高太阳活动和低太阳活动期间，还是在白天和夜间。白天的Te显示出与Ne相反的不对称性。早期研究的这些不一致结果显然表明顶部电离层中的IEA需要进一步调查。

电离层和热层观测

IEA的这项研究侧重于大约525公里高度的电离层上部，并使用SwarmB卫星对电离层和热层参数进行的现场测量。还使用了来自COSMICGPS无线电掩星实验的Ne数据。

两次卫星任务使用不同的方法测量Ne具有不同的采样率和空间覆盖范围，提供了比较和交叉验证结果的机会。为了选择2014年最近太阳周期最大值附近的中高太阳活动条件的Swarm数据，首先搜索在LT12.0到17.0小时之间以及在±15天内进行的白天观测。

LTbin等于1.0小时，窗口为±1.5小时。数据选择进一步限于地磁安静条件和150±10太阳通量单位范围内的pF10.7值。

满足上述条件的SwarmB数据在3月春分的14.0到17.0小时LT和9月春分的12.0-15.0小时LT之间。最适合分析春分不对称性的Swarm数据是那些以LT=14.0–15.0小时为中心的数据。

对该LT的观察的额外检查表明它们对应于两个5天的周期，分别将其称为三月和九月春分。选择数据的关键标准是春分点之间几乎相同的太阳和地球物理条件。

2014年，SwarmB卫星的固定高度接近525公里，并在类似太阳通量条件下的两个春分点期间提供电离层采样，使其非常适合IEA调查。

这两个选定的DOY与相应的实际春分日期相差12-14天，但都向六月至日移动并且具有相似的太阳偏角。中值数据对应的地磁指数为ap≈5。

从2014年开始，DOY091和252的COSMIC数据也始终选择在525公里左右，但对于所有LT。这有助于基于更宽的DOY窗口以及不同的LT检查IEA，对于获得对Swarm结果的独立验证非常重要但是两者都向六月至日移动并且具有相似的太阳偏角。

不对称建模

电离层和热层的建模是使用三种不同的电离层和电离层-大气耦合模型进行的：SAMI3、WACCM-X和TIE-GCM。

这三个模型在模拟电离层和热层的方法上有一些关键差异。SAMI3使用中性大气密度、温度和风的经验模型，但计算自洽等离子体参数和发电机电场，因此它在电离层和热层之间存在单向耦合。

与SAMI3相比，TIE-GCM和WACCM-X求解耦合的热层-电离层系统并类似地自洽地计算等离子体E×B漂移。

TIE-GCM需要规范较低的大气边界条件和强迫，通常通过经验潮汐模型，WACCM-X通过将其一直延伸到地面来克服较低边界的TIE-GCM限制。

模型模拟是针对接近两个春分点的日期和与观测的平均太阳和地球物理条件相对应的条件进行的。在接近正午的高度525公里处选择模型的数据，计算纬度分布的中值，并比较两个春分点的数据，类似于对观测数据的处理。

除了Ne,Te的模型数据对比和ρ，电离层物理驱动因素的模型数据，例如中性风、成分和等离子体漂移，还检查了春分不对称性。此外，还执行单独的模型模拟和数据分析，允许在模型之间交换驱动因素，以确定和量化它们在IEA生成中的作用。

电离层

尽管最近在电离层气候研究方面取得了进展，但IEA仍然是一个知之甚少且建模不充分的现象。在2014年3月和9月春分附近的中午左右，在海拔约525公里处采集的Ne明显更大。

中纬度和高纬度地区的春分差异明显大于赤道和低纬度地区，后者约为50%。IEA的这种纬度依赖性表明存在不止一个负责IEA的机制，不同的相对作用取决于纬度。

电离层Te由复杂的加热和冷却过程决定。它进一步受到热传导的影响，热传导取决于磁场倾角，因此在低纬度地区并不重要。

通常在上层电离层中，光电子加热速率与Ne成正比。电子的冷却主要通过库仑与离子的碰撞发生。

在中纬度地区，Te和Ti明显不同，较大的三月春分Ne导致更有效的电子气冷却。在Te−Ti的低纬度地区与中纬度地区相比通常较小，与光电子加热相比，冷却速率的等分点差异变得不那么重要，这是由于较大的Ne导致较热的电子。

当Te很大时，传导系数也很大，并且在中纬度地区，Te可能会在9月相对于3月的值进一步增加，这是由于较高海拔处较热电子的热传导。

在赤道电喷射电流密度存在分点差异的情况下，可以寻找白天赤道垂直等离子体漂移的分点不对称性的进一步可能的实验证据。

这种沿磁赤道流动的电离层E区东向白天强窄带电流主要由东向电场和局部增强的Cowling电导率驱动，并导致明显的磁场偏转。

基于观察的结果也清楚地表明3月的峰值更强。除了电场的不对称性，电导率的不对称性也可能在EEJ的不对称性中发挥作用，结论性的结果需要分析E区电离层和中性大气参数。

不对称EEJ的一个有趣方面是由于相关的Pedersen电流而导致的预期不对称焦耳加热。据估计，这种加热很重要，可能是强烈的E区风切变、垂直风和大气重力波的来源，因此可能在3月和9月期间对赤道F区电离层产生不同的影响。

鉴于WACCM-X的整个大气性质，看到该模型复制的IEA明显弱于观察到的IEA有点出乎意料。预计所有这些都会影响模型更好地再现IEA的能力。

观察到的TIE-GCM-和WACCM-X-建模以及Swarm测量的电离层和热层参数的差异，以及它们对模型的依赖性确实表明需要提高建模精度，这可以通过改进较低的大气强迫来实现和相关的物理过程。

另一方面，SAMI3模型结果强调NRLMSISE-00和HWM14没有正确捕获中性密度和风中的分点不对称性，而这是通过该模型重现观察到的IEA所必需的。

群体观测与COSMIC数据和数值模型相结合，目前的分析仅限于当地中午附近、单一高度和中/高太阳活动条件下的数据。在大约525公里的高度上，Ne在两个半球的三月春分附近明显大于九月春分附近。

这种不对称性在低纬度和赤道纬度相对较弱。Te比较显示中高纬度倒置不对称，但Ne像低纬度地区的不对称。中性热层在三月春分期间比在九月春分期间更密集。

默认情况下，SAMI3、WACCM-X和TIE-GCM模型产生的不对称性比观测值弱，突出了改进的必要性。TIE-GCM中的可变涡流扩散系数会改变模型结果并产生总体上更接近观测值的不对称性。

由TIE-GCM中性大气驱动的SAMI3模型表明，热层原子氧密度的不对称是上层电离层分点不对称的主要驱动因素。模拟的热层中性经向风在9月春分时显示出更强的向极流动，并且对IEA在中纬度地区发挥重要作用，但它不是IEA的主要驱动力。

TIE-GCM提出的可能情况是，9月春分时中间层-低层大气层区域较大的涡流扩散将O向下输送到中间层顶区域，并在那里丢失。

除了减少热层中性密度外，还导致白天F区电离层变小Ne，这反过来又减少了离子阻力。热层中性风增强，这些增强的极向风进一步降低了白天的Ne。

参考文献

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