太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層的相互作用過(guò)程可以直接映射到極區(qū)電離層,引起等離子體云塊、太空臺(tái)風(fēng)等不均勻體和夜間增強(qiáng)等異常現(xiàn)象。等離子體云塊是極區(qū)電離層最為常見(jiàn)的不均勻體,可分為熱云塊和冷云塊兩類(lèi);而太空臺(tái)風(fēng)是一種在磁極點(diǎn)附近新發(fā)現(xiàn)的不均勻體,因其具有臺(tái)風(fēng)氣旋狀的極光形態(tài)而得名。夜間增強(qiáng)是電離層電子密度日變化的異常行為,表現(xiàn)為F2層電子密度峰值在夜間由衰減轉(zhuǎn)為增強(qiáng)。這些結(jié)構(gòu)、現(xiàn)象會(huì)影響無(wú)線(xiàn)電波在極區(qū)電離層的傳播過(guò)程,進(jìn)而對(duì)衛(wèi)星通訊導(dǎo)航等造成影響。
借助子午工程高頻雷達(dá)數(shù)據(jù)與天基衛(wèi)星、地基測(cè)高儀數(shù)據(jù)相結(jié)合,該團(tuán)隊(duì)統(tǒng)計(jì)研究了冷云塊(高密低溫)和熱云塊(高密高溫)在不同IMF條件下的電離層對(duì)流位型中的分布,及其對(duì)局地輸運(yùn)和粒子沉降的依賴(lài)性。結(jié)果表明:在冬季,(1)冷、熱云塊更多地分布在受IMF調(diào)制的更強(qiáng)的電離層逆陽(yáng)流中。(2)冷云塊更靠近極蓋區(qū)中心,而熱云塊更靠近極光卵。(3)Bz<0條件下,增強(qiáng)的逆陽(yáng)流(E x B漂移)促進(jìn)冷云塊的產(chǎn)生,而無(wú)論IMF南向還是北向,軟電子沉降均促進(jìn)熱云塊的產(chǎn)生(圖1)。
圖1 冷(藍(lán)色)/熱(紅色)云塊和背景條件(灰色)與水平對(duì)流速度(Vcross-track)及軟電子沉降能通量的關(guān)系圖
利用子午工程SuperDARN雷達(dá)在太空臺(tái)風(fēng)持續(xù)時(shí)間內(nèi)的對(duì)流速度觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),獲得了太空臺(tái)風(fēng)周?chē)膶?duì)流特征,結(jié)合OMNI數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了太空臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)的行星際磁場(chǎng)、太陽(yáng)風(fēng)條件以及時(shí)空分布特征,結(jié)果表明太空臺(tái)風(fēng)嵌入在昏側(cè)對(duì)流渦中,北半球的太空臺(tái)風(fēng)主要發(fā)生在夏季,太空臺(tái)風(fēng)主要發(fā)生在正向By主導(dǎo)的北向行星際磁場(chǎng)期間,對(duì)太陽(yáng)風(fēng)速度、數(shù)密度、動(dòng)壓沒(méi)有明顯的依賴(lài)關(guān)系。這些統(tǒng)計(jì)特征為太空臺(tái)風(fēng)形成的高緯度波瓣重聯(lián)機(jī)制提供了有力證據(jù)。
圖2 (A-C)太空臺(tái)風(fēng)的時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)與(D-I)行星際磁場(chǎng)、太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)的依賴(lài)性統(tǒng)計(jì)
對(duì)于電離層夜間增強(qiáng)則是借助了包含子午工程高緯電離層監(jiān)測(cè)站的電離層測(cè)高儀觀(guān)測(cè)和北極高緯電離層經(jīng)驗(yàn)?zāi)P虴-CHAIM開(kāi)展研究。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),在北半球的中高緯地區(qū),夜間增強(qiáng)現(xiàn)象主要發(fā)生在冬季。夜間增強(qiáng)現(xiàn)象在中緯與太陽(yáng)活動(dòng)呈負(fù)相關(guān),主要的形成和影響機(jī)制是來(lái)自更高海拔的等離子體向下擴(kuò)散到電離層F2層。然而,在高緯極區(qū),受到不均勻體等高密度結(jié)構(gòu)的影響,夜間增強(qiáng)現(xiàn)象表現(xiàn)得更加復(fù)雜。這項(xiàng)研究有助于我們更好地了解地球電離層氣候?qū)W的運(yùn)行規(guī)律。
圖3 不同太陽(yáng)活動(dòng)條件下北半球中高緯NmF2夜間增強(qiáng)的空間分布