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南美實驗室科研人員在南大西洋異常區電離層特性研究方面取得重要成果

文章來源: | 發布時間:2020-06-23 | 【打印】【關閉】

  南大西洋異常區(South Atlantic Anomaly-SAA)是指位于南美洲東側的南大西洋地磁異常區域,其緯向區域范圍為10°N~60°S、經向區域范圍為20°E~100°W,中心區域約在(45°W,30°S)處。與鄰近區域相比,南大西洋異常區的磁場強度約為同緯度區域的一半,是目前地球上面積最大的磁異常區。受磁異常的影響,來自太陽風的能量粒子以及宇宙線可以直接侵入高層大氣,通過日地能量耦合動力學過程沿磁力線直接映射到電離層,引起眾多的電離層不規則體結構。

  電離層是地球大氣層被太陽電離的部分。電離層中等離子體的產生、演化以及能量傳輸等與能量源頭太陽、上部的磁層和底部的中低層大氣息息相關。南大西洋磁異常區使得高能帶電粒子的空間分布環境發生變化,導致電離層閃爍高發,從而對人類無線電波通信、導航等高科技領域都將產生很大的影響,因此探究南大西洋異常區的電離層特性對于空間天氣的研究具有非常重要的意義。

  中科院南美空間天氣實驗室/中巴空間天氣聯合實驗室(南美實驗室)博士后尤里阿諾.莫羅(Juliano Moro)、中方指導教授空間天氣學國家重點實驗室徐寄遙研究員、王赤院士等科研人員,聯合巴西國家空間研究院克萊齊奧(Clezio Denardini)等,首次利用南美實驗室圣瑪利亞臺站(53.7°W,29.7°S)和中國子午工程武漢臺站(114.4°E,30.5°N)數字測高儀數據進行對比分析,給出了南大西洋異常區電離層特性。圣瑪利亞正好位于南大西洋異常區中心區域附近,該地區電離層擾動變化能很好的反應南大西洋異常區的變化特征,巴西地區的地磁偏角很大,導致其所處的電離層“駝峰區”異常,而與圣瑪利亞東西、南北共軛對稱的中國武漢地區電離層不受南大西洋異常區的影響,可針對異常區導致的電離層特性異同進行交叉對比研究。通過對比分析同一太陽活動極小期的兩地電離層變化,從而給出南大西洋異常區對電離層的影響及其變化特征。

  圖一:全球部分電離層數字測高儀站點分布圖(圖中紅五星標注的臺站位置分別為巴西圣瑪利亞站和中國武漢站)

  研究選取了處于太陽活動極小期的2017年9月1日至2018年8月30日的探測數據,分別對巴西圣瑪利亞和中國武漢兩個地區電離層F2層臨界頻率(foF2)、峰高(hmF2)、厚度參數(B0)、E區臨界頻率(foE)等參數進行了研究分析。研究表明,圣瑪利亞地區電離層各參數均呈現出明顯的季節特征、晝夜變化和逐日變化特征。例如圖2中(a)和(e)顯示,F2層臨界頻率表現出顯著的晝夜變化,這一變化趨勢是由于地球自轉、太陽輻射引起的中性大氣光電離過程變化導致的。在所有季節中,均觀測到日出后F2層臨近頻率增加,在當天下午達到峰值后一直下降直至日出的特征。出現這種現象的原因是由于缺乏太陽照射,而中性大氣密度不斷增加和化學反應不斷損失導致的。

  圖二:巴西圣瑪利亞地區電離層參數日間和季節性變化。其中(a)~(d)分別是圣瑪利亞臺站數字測高儀foF2,foE,hmF2和B0等參數單日疊加圖;(e)~(h)分別是十二月份(紅),三月份(綠),六月份(黑)和九月份(藍)的foF2,foE,hmF2和B0參數月平均值

  為更進一步探討地磁活動對電離層變化的影響,研究團隊選取2017年9月7日和2018年8月26日兩次磁暴事件,對磁暴期間和平靜期的變異系數(CV)進行研究,并對巴西圣瑪利亞和中國武漢兩個地區同一事件期的電離層數據進行比較。分析對比發現,武漢地區在磁暴期間的CV增強結果與圣瑪利亞地區相同;不盡相同的是圣瑪利亞地區在磁暴期間的變異性高于武漢地區。導致兩個地區變異性差異的原因是由于圣瑪利亞處于南美地磁異常區使得該地區的電離成分增加,高能粒子被俘獲并沿方位角漂移到更低高度的大氣并在半球之間反彈造成的。

  圖三:2017年9月地磁風暴干擾劇烈活動期(紅)和平靜期(黑),巴西圣瑪利亞地區和中國武漢地區的foF2,foE,hmF2和B0參數的評估變化系數(CV)

  變異系數(CV)被用作定量描述電離層隨時間和季節變化的各參數的指標,地磁干擾活動對于變異系數結果有著直接的影響,此研究分析的特點正是選擇了太陽活動和地磁活動低年的數據對擾動源進行分析研究,這也是此研究的優勢與亮點之一。研究結果清楚表明,除了磁平靜時期的氣象因素,地磁干擾是南美地磁異常區圣瑪利亞上空電離層變化的另一重要因素。

  此研究論文已發表于Journal of Geophysical Research: Space Physics,位列該期刊2018-2019年下載量排行榜前百分之十。

  文章鏈接 

  Citation:

  Moro, J., Xu, J., Denardini, C. M.,Resende, L. C. A., Silva, R. P., Liu, Z.,et al. (2019). On the sources of the ionospheric variability in the South American Magnetic Anomaly during solar minimum. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 124.

  (供稿:南美實驗室、天氣室)

 

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