磁暴期间电离层热层对电动力学和辐射冷却的响应
发布时间：2021-09-05 11:28
电离层和热层是空间天气系统的重要组成部分,涵盖了地球上空60-1000km的大气区域。磁暴期间,有大量来自太阳风与磁层的能量注入。这些能量以粒子沉降和焦耳加热的形式进入到极区高层大气,导致全球热层大气成分、密度、温度以及环流产生剧烈扰动,电离层参量也随之发生显著的变化。同时,受暴时电离层-热层相互耦合作用的影响,磁暴期间电离层和热层呈现出复杂的变化特征。磁暴及其电离层天气效应一直是空间物理和电离层物理学界的研究热点,许多科学问题尚需深入研究。本文围绕磁暴期间电离层和热层对电动力学和辐射冷却的响应展开研究,利用电离层-热层耦合模式分别研究电离层-热层系统在磁暴主相和恢复相期间的变化特征,并利用机器学习方法对磁暴期间热层NO辐射变化建模。本论文主要研究内容和成果如下:1.探究磁暴期间夜间电离层扰动的机制磁暴主相期间,穿透电场和大气行扰引起的风场变化会导致电离层出现剧烈扰动。以往的研究主要关注白天电离层对磁暴的响应,而对夜间电离层的变化特征还缺乏深入的认识。本文利用TIEGCM模式重现了 2003年10月28-29日电离层测高仪观测到的夜间电离层变化的主要特征。通过模式控制实验,甄别电场和风...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１热层垂直分层结构和温度剖面，以及电离层电子浓度剖面
辐射变得与Ｃ０２同等重要。??在太阳活动活跃时期，ＮＯ辐射会增强并成为最为重要的冷却源。在高度更高的区域，??分子热传导成为热层损失能量最重要的方式。??．丨，．丨．．％??Ｉ??：Ｗ；＃费辦薄丨！？〇〇ｉｉ?ｉ?ｉ??１……■…ｕ．ｍ．１?．?？，?，?．?，?，?＂ｒｒｒ?Ｊ??５?８０?６０?４０?２０?０?２０?６０?８０?Ｎ?Ｓ?？？?６０?４〇?２０?０?２０?４０?６０?ＣＯ?Ｎ??ＬＡＴＩＴＵＤｒ?ｍｅｑｒｅｔｉ）?ＬＡＴＩＴＵＤＥ?（Ｏｒｅ”｜??图１．２热层风场在分点（左）和至点（右）沿径向的环流示意图。从上到下分别是太阳活动低年、??中年和髙年。图片取自Ｒｏｂｌｅｅｔａｌ．?（１９７７）。??１．１．３热层大气环流??热层主要的热源太阳辐射集中在日侧，特别是正午区域，导致日侧和夜侧存在显??著的温度梯度。午后的高压会推动热层中性风吹向夜侧和高纬度地区，形成跨极区的??昼夜大气环流。大气的环流结构会随着时间发生变化。在春秋分，太阳直射地球赤道??时，气压梯度将会推动大气从赤道吹向极区。而在夏至或冬至时，夏季半球相较于冬??季半球温度更高，压力梯度从夏季半球指向冬季半球，从而产生从夏季半球吹向冬季??半球的跨赤道风常在地磁活动活跃时期，极区能量注入对热层大气环流有重要影响。??３??
?第一章绪论???产生率和〇＋损失率随高度降低。层的ｙｖｏ＋密度随高度降低，而〇＋密度随高度增加??（如图１．３所示）。由于分子离子能与电子发生快速的复合反应，当太阳照射消失后，??夜间Ｆ！也随之消失。Ｆ２层覆盖了?２００－１０００ｋｍ的区域。Ｆ２层同时受到化学过程和输运??过程的控制。Ｆ２层区域的中性粒子主要是０，?Ｆ２的主要成分０＋就是０通过光电离产生的。??在Ｆ２层区域由于中性分子较少，０＋通过电荷交换的损失率很小，这就导致了?Ｆ２层电??子浓度远大于其他区域，成为了电离层电子浓度的峰值区域。电离层电子浓度的峰值??高度大约在２００到４００ｋｍ。在Ｆ２层峰高以上，扩散过程的时间尺度远小于化学过程的??时间尺度，扩散过程变得更为重要，在电离层顶部趋于扩散平衡。在约１０００ｋｍ以上，??〇＋含量减少，Ｈ＋开始占主导。Ｆ２层电子浓度峰值在白天大约为０．５－２?ｘｌＯ６?ｃｍ－３。??不同于电离层其他区域，Ｆ２层不仅受化学过程控制，还会受到扩散过程的作用，在夜??晚虽然光化学作用减弱，但是由于扩散过程的存在，？２层电子浓度仍能保持在２?－??５?ｘ?１０５?ｃｍ－３。??３．?３００－?Ｊ?—??：?；??ｌ０Ｔ?，?，?Ｉ?，?，?￣??Ｉ０２?１０ｓ?Ｉ０４?Ｉ０５?Ｉ０６??ＮＵＭＢＥＲ／ｃｍ３??图１．３白天电离层成分。图片取自Ｊｏｈｎｓｏｎ?（１９６６）。??５??
本文编号：3385265
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１热层垂直分层结构和温度剖面，以及电离层电子浓度剖面
辐射变得与Ｃ０２同等重要。??在太阳活动活跃时期，ＮＯ辐射会增强并成为最为重要的冷却源。在高度更高的区域，??分子热传导成为热层损失能量最重要的方式。??．丨，．丨．．％??Ｉ??：Ｗ；＃费辦薄丨！？〇〇ｉｉ?ｉ?ｉ??１……■…ｕ．ｍ．１?．?？，?，?．?，?，?＂ｒｒｒ?Ｊ??５?８０?６０?４０?２０?０?２０?６０?８０?Ｎ?Ｓ?？？?６０?４〇?２０?０?２０?４０?６０?ＣＯ?Ｎ??ＬＡＴＩＴＵＤｒ?ｍｅｑｒｅｔｉ）?ＬＡＴＩＴＵＤＥ?（Ｏｒｅ”｜??图１．２热层风场在分点（左）和至点（右）沿径向的环流示意图。从上到下分别是太阳活动低年、??中年和髙年。图片取自Ｒｏｂｌｅｅｔａｌ．?（１９７７）。??１．１．３热层大气环流??热层主要的热源太阳辐射集中在日侧，特别是正午区域，导致日侧和夜侧存在显??著的温度梯度。午后的高压会推动热层中性风吹向夜侧和高纬度地区，形成跨极区的??昼夜大气环流。大气的环流结构会随着时间发生变化。在春秋分，太阳直射地球赤道??时，气压梯度将会推动大气从赤道吹向极区。而在夏至或冬至时，夏季半球相较于冬??季半球温度更高，压力梯度从夏季半球指向冬季半球，从而产生从夏季半球吹向冬季??半球的跨赤道风常在地磁活动活跃时期，极区能量注入对热层大气环流有重要影响。??３??
?第一章绪论???产生率和〇＋损失率随高度降低。层的ｙｖｏ＋密度随高度降低，而〇＋密度随高度增加??（如图１．３所示）。由于分子离子能与电子发生快速的复合反应，当太阳照射消失后，??夜间Ｆ！也随之消失。Ｆ２层覆盖了?２００－１０００ｋｍ的区域。Ｆ２层同时受到化学过程和输运??过程的控制。Ｆ２层区域的中性粒子主要是０，?Ｆ２的主要成分０＋就是０通过光电离产生的。??在Ｆ２层区域由于中性分子较少，０＋通过电荷交换的损失率很小，这就导致了?Ｆ２层电??子浓度远大于其他区域，成为了电离层电子浓度的峰值区域。电离层电子浓度的峰值??高度大约在２００到４００ｋｍ。在Ｆ２层峰高以上，扩散过程的时间尺度远小于化学过程的??时间尺度，扩散过程变得更为重要，在电离层顶部趋于扩散平衡。在约１０００ｋｍ以上，??〇＋含量减少，Ｈ＋开始占主导。Ｆ２层电子浓度峰值在白天大约为０．５－２?ｘｌＯ６?ｃｍ－３。??不同于电离层其他区域，Ｆ２层不仅受化学过程控制，还会受到扩散过程的作用，在夜??晚虽然光化学作用减弱，但是由于扩散过程的存在，？２层电子浓度仍能保持在２?－??５?ｘ?１０５?ｃｍ－３。??３．?３００－?Ｊ?—??：?；??ｌ０Ｔ?，?，?Ｉ?，?，?￣??Ｉ０２?１０ｓ?Ｉ０４?Ｉ０５?Ｉ０６??ＮＵＭＢＥＲ／ｃｍ３??图１．３白天电离层成分。图片取自Ｊｏｈｎｓｏｎ?（１９６６）。??５??
本文编号：3385265
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