等离子体层电子浓度变化特性及其物理机制研究
结题报告
批准号:
41804150
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
26.0 万元
负责人:
钟嘉豪
依托单位:
学科分类:
D0411.空间物理学
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
党童、任德馨
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中文摘要
电离层和等离子体层组成了地球空间复杂耦合的等离子体环境。过去等离子体层探测数据非常少,其形态结构及变化特性一直未被认识清楚。近年来低轨卫星顶部总电子含量成为探测等离子体层的重要手段,具有更好的全球覆盖性。本项目将基于多个低轨卫星的顶部总电子含量,结合卫星在轨等离子体浓度、子午工程测高仪等观测数据,分析等离子体层总电子含量在不同经纬度、高度、地方时、季节、太阳及地磁活动等条件下的变化特点,探究等离子体层电子浓度全球形态结构的一般变化规律;使用多项式拟合以及经验正交函数分解法,建立高精度全球等离子体层总电子含量经验模式;分析比较等离子体层和电离层峰值区域的电子浓度在平静及磁暴期间的时空分布结构差异,结合理论模式分析电场、风场、成分变化等因素对等离子体层和电离层相互耦合的影响及其中的物理机制,为提高空间飞行器导航定位的精度、改进空间天气预报等服务。
英文摘要
The ionosphere and plasmasphere compose the complex and coupled plasma environment that surrounds the Earth. Since observations of plasmasphere were relatively sparse, less work has been done to investigate the variations of the plasmasphere, and the physical processes that dominate in the plasmasphere are still not fully understood. Recently, low earth orbit (LEO) satellites equipped with GNSS receivers have been new tools for total electron content (TEC) measurements on the plasmasphere, and this dataset has better global coverage. In this study, upward-looking TECs from multiple LEO satellites, in situ plasma densities, ground-based ionosonde data from Chinese Meridian project, will be used to study the variations of the plasmasphere under different longitude, latitude, altitude, local time, season, solar activity and geomagnetic activity conditions, explore the global distribution and structure of the plasmasphere, establish a high accuracy empirical model of the plasmaspheric TEC through polynomial fitting or empirical orthogonal function expansion, compare the distribution and structure of the electron densities in the plasmasphere and in the ionospheric peak region during geomagnetic quiet and disturbed periods, and analyze the effects of electric field, neutral winds and neutral constituent on the coupling processes between the plasmasphere and ionosphere with theoretical models. This study will improve the accuracy and reliability of spacecraft navigation and positioning, and give better forecasts of space weather.
过去受限于观测数据的缺乏,等离子体层的形态结构及变化特性一直未被认识清楚。近年来部分搭载GNSS接收机的低轨卫星能够获取卫星高度以上顶部总电子含量,且全球覆盖性好,成为探测和分析等离子体层的重要手段。本项目基于新型的低轨卫星总电子含量数据,结合掩星电子浓度等,从多个角度分析等离子体层的形态结构及变化特性,主要研究内容有:探究磁暴期间顶部电离层和等离子体层时空变化特性,比较电离层和等离子体层电子浓度暴时响应差异;围绕夜间中纬度电离层带状结构,讨论电离层和等离子体层之间的相互耦合作用;探讨总电子含量提取过程中的硬件偏差变化趋势,建立高精度全球等离子体层总电子含量经验模式。通过以上工作,取得系列研究成果如下:(1)详细分析了磁暴期间顶部电离层和等离子体层形态结构及演化特征,重点辨析了电离层和等离子体层响应差异,揭示了恢复相期间多扇区日间电离层正暴的特征,加深了对恢复相电离层暴的认识。(2)提取了夜间中纬度电离层带状结构全球分布、垂直结构、太阳活动依赖性、以及地方时变化等特性,重点讨论了长时间磁平静期间中纬度带状结构在夜间和日间连续不间断显著出现的特征,以及提出暴时中低纬隆起结构可能是中纬度带状结构的演化结果。其中夜间电离层中纬度带状结构时空形态分析的工作发表于JGR Space Physics,并被总编辑Mike Liemohn选为亮点报道(Highlight),指出该工作提供了对夜间电离层全面完整的分析(Holistic Views of the Nighttime Ionosphere)。(3)确认电离层的变化并不是造成DCB长期变化趋势的原因,明晰DCB短周期变化趋势与GPS draconitic year的关系,并基于处理获得的高质量低轨卫星TEC数据,建立等离子体层经验模式,模式结果显著优于当前其它经验模型。本项目研究成果可应用于提高空间飞行器导航定位精度,为改进空间天气预报服务等。本项目按照计划书的要求执行,累计发表项目相关标注SCI论文7篇,其中第一和通讯作者论文6篇。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Persistent Occurrence of Strip-Like Plasma Density Bulges at Conjugate Lower-Mid Latitudes During the September 8-9, 2017 Geomagnetic Storm
2017年9月8日至9日地磁风暴期间共轭中低纬度地区持续出现带状等离子体密度隆起
DOI:10.1029/2020ja029020
发表时间:2021
期刊:JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SPACE PHYSICS
影响因子:2.8
作者:Wan Xin;Zhong Jiahao;Xiong Chao;Wang Hui;Liu Yiwen;Li Qiaoling;Kuai Jiawei;Weng Libin;Cui Jun
通讯作者:Cui Jun
Middle-Latitudinal Band Structure Observed in the Nighttime Ionosphere
夜间电离层中观测到的中纬度带结构
DOI:10.1029/2018ja026059
发表时间:2019
期刊:JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SPACE PHYSICS
影响因子:2.8
作者:Zhong Jiahao;Lei Jiuhou;Yue Xinan;Luan Xiaoli;Dou Xiankang
通讯作者:Dou Xiankang
DOI:10.1029/2020ja028964
发表时间:2021
期刊:JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SPACE PHYSICS
影响因子:2.8
作者:Kuai Jiawei;Li Qiaoling;Zhong Jiahao;Zhou Xu;Liu Libo;Yoshikawa Akimasa;Hu Lianhuan;Xie Haiyong;Huang Chaoyan;Yu Xumin;Wan Xin;Cui Jun
通讯作者:Cui Jun
Topside Ionospheric Conditions During the 7-8 September 2017 Geomagnetic Storm
2017 年 9 月 7 日至 8 日地磁风暴期间的上部电离层状况
DOI:10.1029/2019ja026590
发表时间:2019
期刊:JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SPACE PHYSICS
影响因子:2.8
作者:Jimoh Oluwaseyi;Lei Jiuhou;Zhong Jiahao;Owolabi Charles;Luan Xiaoli;Dou Xiankang
通讯作者:Dou Xiankang
DOI:10.1029/2020ja028238
发表时间:2020
期刊:JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SPACE PHYSICS
影响因子:2.8
作者:Li Qiaoling;Huang Fuqing;Zhong Jiahao;Zhang Ruilong;Kuai Jiawei;Lei Jiuhou;Liu Libo;Ren Dexin;Ma Han;Yoshikawa Akimasa;Hu Lianhuan;Guo Jiapeng;Li Wenbo;Zhou Xu;Cui Jun
通讯作者:Cui Jun
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