太阳和地磁活动对磁赤道地区低热层NO 密度的影响研究

杨升高，方涵先＊，翁利斌，汪四成

1 解放军理工大学气象海洋学院，南京 211101

2 中国科学院空间天气学国家重点实验室，北京 100190

1 引 言

NO 由原子氮和氧分子化学反应产生，该气体是低热层重要的气体之一：一方面它是产生电离层D 和E 层电子密度的主要中性大气来源，其分布特征直接影响低电离层电子密度的形态特征；另一方面它是低热层主要的辐射冷却源，NO 的时空分布直接影响到该区域能量的变化；此外，低热层受到来自上层如太阳和地磁活动的调控，同时又与下层区域如中间层大气发生耦合作用，是连接上下层的关键区域，因此对NO 的分布特征研究和其对上下层的响应研究都具有十分重要的意义．

目前主要通过卫星手段对NO 进行测量，包括OGO－4（Orbiting Geophysical Observatory）卫星、SME（Solar Mesosphere Explorer）卫星、AE（Atmosphere Explorer）系列卫星、UARS（Upper Atmosphere Research Satellite）搭载的HALOE（Halogen Occultation Experiment）以及SNOE 卫星等．研究人员利用这些卫星探测的数据，对低热层NO 形态分布和变化特征进行了一些研究．在1978年Cravens等［1］就对电离层E层高度区域NO 的全球形态分布特征进行了一些介绍；Barth等早在1973年［2］就利用AE卫星对NO 进行了观测实验；在1988年［3］初步证实了低纬地区热层NO 密度的变化主要由波段在2～10nm 太阳软X射线引起；在1992年［4］利 用SME卫星观测数据认为NO 密度随高度变化，且最大值位于110km 高度处；在1996年［5］综述了热层NO模式的进展情况；在1999 年［6］利 用SNOE 卫 星 观测的太阳软X 射线辐射和热带地区上空NO 密度数据，计算了两者之间的相关性，同时还检验了一个以太阳软X 射线流量为输入参数的光化学模式的模拟能力；在2003年［7］对全球低热层NO 分布特征进行了较为全面的研究，结果表明中低纬地区NO受到太阳软X 射线的作用，而高纬地区则受到电子沉降的作用，在磁暴发生时，向赤道风场能够将极光区的扰动传递到中纬地区；在2009 年［8］和2010年［9］研究了磁暴期间热层NO 的变化特征，结果表明焦耳加热在高纬地区形成了重力波，引起140km高度处NO 的增加，有时这种现象能够出现在110 km 高度处．此外，Sætre等［10］利用SNOE 卫星探测的NO 数据，研究了1998年5月2日一次磁暴期间电子沉降对热层不同高度NO 的作用，认为1keV的电子能量可以产生约8个NO；Solomon等［11］分别利用DMSP和SNOE 卫星测量的高纬地区夜间极光边界指数和SNOE 卫星观测的NO 密度数据进行了统计分析，结果表明极光活动与NO 密度有很强的相关关系，并且滞后极光活动约1 天时间；Lu等［12］研究了磁暴期间焦耳加热作用以及NO 辐射冷却热层大气能量的作用．

虽然已经有一些关于热层NO 密度同太阳及地磁活动的研究，但是大部分工作关注极区粒子沉降的作用，且研究的区域集中在高纬地区，关于太阳活动对NO 作用的研究较少，没有给出详细的定量统计结果．因此本文使用SNOE 卫星观测的共计935天NO 密度数据，分析其时空变化特性，并研究太阳和地磁活动的作用，研究结果将有助于加强对低热层NO 变化的认识，为建立更加接近真实的NO 密度模式奠定基础．

2 空间天气背景及NO 密度数据来源

地球高层大气，包括电离层和热层大气等［13－15］，都不同程度受到太阳和地磁活动的影响，我们首先给出空间天气变化的情况，结果如图1所示．F10．7是最常见的太阳活动指数，但是已有的研究［6－7］表明太阳软X 射线辐射对热层NO 的作用效果更加明显，为此我们给出太阳F10．7和软X 射线指数的变化情况，对比两个指数的变化特征．图1a中实线是太阳软X 射线流量，由SNOE卫星上太阳X 射线光度计（Solar X－ray Photometer，SXP）观测得到，可以看出其变化范围为0．3～1mW/m2，虚线是太阳F10．7射电流量，变化范围为100～300sfu，可以看出F10．7和软X 射线具有很好的一致性，均存在一定的周期性变化，与Bailey等［16］的研究结果一致．图1b是地磁Ap指数日均值在SNOE卫星观测时段的变化情况，可以看出在此期间发生了多次大磁暴事件，最大一次日均值超过了150．太阳F10．7及地磁Ap指数均来源于SPIDR（Space Physics Interactive Data Resource，http：//spidr．ngdc．noaa．gov/）．

图1 太阳和地磁活动随时间变化Fig．1 Solar and geomagnetic indices for the SNOE observation period

本文使用的NO 数据来源于SNOE 卫星［17］上搭载的紫外分光计（Ultraviolet Spectrometer，UVS）观测结果，数据由NSSDC（National Space Science Data Center）提供．SNOE 卫星于1998年2月发射升空，近似圆形、太阳同步轨道，轨道高度约为556km，能够覆盖南北纬80°以内所有区域，星下点地方时约为10：30和22：30，轨道周期为96min，该卫星主要科学目的就是观测全球NO 分布以及相应的能量来源．数据从1998年3月11日至2000年9月30日，共计935天，覆盖高度为96．67～150km，间隔为3．33km，共计分成17个高度层．本文提到的NO 均指磁赤道地区，季节定义均以北半球的为准，如夏季即为北半球夏季，其它季节依次类推．

3 结果与分析

3．1 时空分布特征

图2为磁赤道地区NO 数密度随时间和高度分布情况．从图中可以看出NO数密度变化范围在0．5×107～17×107mol/cm3之间，最大值和最小值变化幅度可以达到35倍；NO 密度存在明显的高度分布特征，从96．67km 开始增加，大约在105～110km高度达到最大，随着高度的继续增加而减小；NO 还存在明显的半年变化特征，一般是夏季数值最大，冬季次之，两个分季最小，在100km 以上区域更加明显．

图3给出了4个高度处NO 随时间的变化．从图3中可以看出：100km 高度处夏季NO 数密度平均值为7×107mol/cm3，春秋季平均约为5×107mol/cm3，冬季约为4×107mol/cm3，夏季数值大小是春秋分季的1．4倍，是冬季的1．8倍，即夏季高于春秋分季节，冬季最小，季节变化最大幅度为1．8；116．67km 高度处夏季NO 数密度平均值约为7×107mol/cm3，春秋季平均约为5×107mol/cm3，冬季约为7×107mol/cm3，夏季和冬季的数值大小差不多，春秋季节最小，季节变化最大幅度为1．4；133．33km 高度处夏季NO 密度平均值为3×107mol/cm3，冬季平均值为2．5×107mol/cm3，春秋季节最小，平均值为2×107mol/cm3，季节变化最大幅度为1．5；150km 高度处夏季和冬季NO 最大，平均值约为2×107mol/cm3，春秋季节平均值为1×107mol/cm3，季节变化最大幅度为2．除了具有显著的季节性特征外，各个高度处NO 还存在幅度较为明显的周期性变化（例如27天等），这与太阳活 动的周期性有关［18－19］．值得注意的是，2000 年1月份（即冬季时间）133．33km、150．0km 的NO 密度甚至高于1999年和2000年夏季NO 密度大小，可以称为“冬季异常”现象，我们将在后续的工作中对此加以研究．

图4给出了NO 最大值及其所处高度日均值分布情况，从中可以看出峰值大小变化范围约为0．5～1．5×108mol/cm3，且存在明显的季节变化，即夏季最高，平均值约为1×108mol/cm3，冬季次之，平均值约为0．8×108mol/cm3，春秋分季最小，平均值约为0．6×107mol/cm3，季节变化幅度达到了1．7．最大值对应的高度基本分布在2个位置，即107km和113km，冬季最大值位置主要位于113km，其它季节基本上位于107km 高度，并且峰值高度不随太阳活动水平变化而变化，经过计算，最大值高度平均值约为107km，低于Barth等［7］使用相同数据的研究结果，因为Barth计算的是整个纬圈上的平均值，而中高纬地区的峰值高度一般要高于低纬地区．这个结果与HALOE观测得到的结果一致［20］，低于SME的观测值［4］．

3．2 太阳和地磁活动的影响

已有研究表明［6－7，21］，低纬地区NO密度受到太阳活动的强烈控制，特别是太阳软X 射线辐射的作用非常明显，图5给出了两者之间的相关系数随不同延迟时间和高度分布．可以看出：130～150km 高度范围内相关系数最大值所对应的延迟时间均为0，即当天的太阳活动对NO 的作用最大；106．67～126．67km 高度范围内相关系数最大值所对应的延迟时间均为－1，即NO 对太阳软X 射线的最佳响应滞后1天时间；103．33km以下高度最佳延迟时间为2天，即太阳软X 射线2天后对此高度NO 的作用效果最为明显；相关系数最大值为0．7531，位于113．33km 高度处，而该高度处延迟时间为0时的相关系数为0．749．

地磁活动对高纬地区NO 的作用非常明显［8，12，22－24］，随着地磁扰动由高纬地区向赤道方向传播，低纬地区也可能出现一定的响应，也就是说赤道地区的NO 与地磁活动存在一定的相关性．图6给出了地磁Ap指数和NO 相关关系的时空分布．从色条可以看出地磁活动与NO 日均值的相关系数小于太阳软X 射线．136．67km 高度以上区域相关系数最大值的延迟时间为0，113．67～133．67km 高度区域延迟时间为－1，110km以下为－2，即NO对地磁Ap指数的最佳响应时间为滞后2天．相关系数最大值为0．3287，对应高度为123．33km，滞后时间为1天．

图6 NO 和地磁Ap 指数的相关关系Fig．6 Same as Fig．5，but for geomagnetic Apindex

为了更好地说明太阳和地磁活动对赤道地区NO 密度的影响，我们分成太阳高活动（X－ray＞1mW/m2）、中等活动（X－ray＜1mW/m2）和地磁平静（Ap＜15）、扰动（Ap＞15）四种情况分别组合讨论NO 的剖面分布情况，结果如图7所示．经过统计分析，图7 中四种情况下有效数据的个数分别为117，238，139和441，说明结果具有很高的可信度．从图中可以看出太阳和地磁活动对赤道低热层NO都产生影响，100km高度以下作用效果不明显，在NO 峰值高度附近区域太阳软X 射线对NO 的影响明显强于地磁活动．例如107km高度处地磁平静时太阳活动对NO 的影响幅度为27%，地磁活跃时达到了34%，而太阳活动高水平条件下地磁活动的影响幅度为5%，低水平时仅为1%左右．130km 高度以上区域太阳和地磁活动的影响相对较小，特别是相同太阳活动水平下，地磁活动的影响几乎可以忽略．总的来看，太阳活动对磁赤道地区低热层NO 的影响作用远大于地磁活动，也与图5 和图6 的结论一致．

图7 不同太阳和地磁活动水平下NO 密度随高度分布情况Fig．7 Altitude profile of NO number density under different solar and geomagnetic activities

从图3已经可以看出NO 存在一定的变化趋势和周期性变化，我们选取110km 高度处的NO 对此进行研究，结果如图8所示．图8a实线为NO 日变化情况，虚线为10阶多项式拟合结果，可以看出两者具有很好的一致性，110km 高度处NO 季节特征明显，夏季数值大小高于其它季节．图8b实线为太阳软X 射线流量日变化分布，虚线为2阶多项式拟合结果，可以看出太阳活动水平存在一个上升的变化趋势．图8c虚线为NO 拟合结果相对平均值变化情况，实线为太阳软X 射线流量拟合结果相对平均值变化情况，可以看出随着太阳活动水平的不断增加，NO 数密度也呈现出相应的增长趋势，即太阳活动长期变化也引起NO 密度出现相应的长期变化．图8黑线和浅灰线分别为NO 数密度和太阳软X 射线流量剔除变化趋势以后偏离平均值的结果，可以看出两者不管是变化趋势还是变化幅度都具有很好的一致性，说明太阳活动中期变化（27天左右）控制NO 密度产生相同的周期变化．

图8 110km 高度处NO 密度（a）、太阳软X 射线（b）、长期变化趋势（c）以及周期性特征（d）分布Fig．8 The distribution of NO number density，solar soft X－ray，varied trend and period variations

为了进一步研究太阳软X 射线与NO 的关系，将两者的统计结果示于图9．图9左侧三幅图为夏季NO 的统计结果，106．67km 和126．67km 处太阳软X 射线与NO 呈“线性”关系，相关系数分别为0．8570和0．7345，146．67km 高度出现“放大”现象，即随着太阳软X 射线流量的增加，NO 数密度的增加速度加快．右侧三幅图为所有数据的统计结果，可以看出在106．67km 处太阳软X 射线与NO 呈“线性”关系，相关系数为0．6263，126．67km 和146．67km 处表现为“饱和”关系，即NO 数密度随着太阳软X 射线流量的增加而增加，但是当流量达到一定阈值后，NO 不再增长．在电离层里也可以看到类似的统计结果［25－27］．总的来说，夏季期间相同高度的NO 与太阳软X 射线流量的相关性要高于平均值，更高于其它季节．

图9 太阳软X 射线流量与不同高度NO 数密度统计关系Fig．9 The relationship between solar X－ray and NO density（Summer period（left）and all date（right））

3．3 事件研究

为了研究短期内太阳和地磁活动对NO 分布的影响，我们选取两个事件分别进行讨论．图10为两个事件期间太阳和地磁指数的变化情况．图1 0a为事件1，太阳软X 射线流量在第616 天时达到1．969mW/m2，是935天内最大值，明显高于前后几天的流量大小，太阳软X 射线比月均值增加约25%，而与此对应的是地磁Ap指数均小于20，基本处于平静状态，因此可以认定此时地磁的影响可以忽略，仅剩下太阳辐射对NO 的作用；图10b为事件2，第858天地磁Ap指数为164，达到特大磁暴强度，太阳软X 射线流量在此期间基本维持在月均值附近，因此可以认定此时太阳辐射的作用可以近似忽略，剩下地磁活动对NO 的影响为主．

图10 两次事件期间太阳软X 射线流量（实线）和地磁Ap 指数（虚线）变化Fig．10 The solar soft X－ray（real line）and geomagnetic Apindex（dashed）for two examples

图11给出了两个事件NO 随高度分布情况．图11a为事件1 前后共7 天内的变化，可以看出NO在太阳软X 射线流量增加（616天）前后并没有出现明显变化，特别是峰值高度以上区域呈现一致的变化，NO 在峰值区出现0．5×107mol/cm3的增加，增加幅度约为6%，远小于太阳软X 射线增加幅度，峰值区以下发生一定幅度的增加．图11b为事件2前后共7天内NO 峰值高度的变化，可以看出NO 在地磁剧烈扰动前后发生明显变化，第855 天至857天时间内NO 剖面分布基本一致；第858天100km至峰值区域NO 出现显著增加，其中峰值增加了3×107mol/cm3，增加幅度约为22%，峰值以上区域没有发生变化；第856天即磁暴发生一天后，NO峰值高度增加了约5km，值得注意的是峰值以上区域出现显著增加，120km 高度NO 数密度由4．649×107mol/cm3增加到8．958×107mol/cm3，增加幅度达93．94%；第860天NO 峰值以上区域恢复到正常水平，峰值则增加到1．783×108mol/cm3，比平均值增加了约28%，而103．33km 高度处比平均值增加的幅度达到41%，即峰值以下区域发生较大幅度变化；第861天NO 剖面分布恢复到正常水平．总体上来说地磁活动对NO 日变化作用非常明显．

图11 两次事件期间NO 数密度高度剖面分布Fig．11 Same as Fig．10，but for altitude profiles of NO

4 结 论

本文使用SNOE 卫星观测的935 天NO 密度日均值数据，研究了太阳和地磁活动对磁赤道地区低热层NO 密度的影响，得出了以下结论：

（1）NO 密度存在明显的高度分布特征，从96．67km开始增加，大约在105～110km 高度达到最大，随着高度的继续增加而减小；NO 还存在明显的季节变化特征，一般是夏季数值最大，冬季次之，两个分季最小，在100km 以上区域更加明显；2000年1月份133．33km、150．0km 的NO 密度甚至高于夏季，即“冬季异常”现象．

（2）NO密度峰值大小变化范围约为（0．5～1．5）×108mol/cm3，且存在明显的季节变化，即夏季最高，冬季次之，春秋分季最小，季节变化幅度达到了1．7；峰值高度基本分布在107km 和113km 高度处，平均值约为107km，冬季最大值位置主要位于113km，且峰值高度分布特征不随太阳活动而变化．

（3）太阳软X射线与NO日均值相关性在130～150km 高度范围内相关系数最大值所对应的延迟时间均为0，106．67～126．67km 高度范围内相关系数最大值所对应的延迟时间均为－1，103．33km以下高度最佳延迟时间为2天；相关系数最大值为0．7531，位于113．33km 高度处；地磁活动与NO 日均值相关系数小于太阳软X射线；136．67km高度以上区域相关系数最大值的延迟时间为0，113．67～133．67km 高度区域最佳延迟时间为1天，110km以下为2天；相关系数最大值为0．3287，对应高度为123．33km，滞后1天时间．（4）太阳活动长期变化可以引起NO 密度出现相应的长期变化，并且中尺度的时间变化（27天左右）也控制NO 密度产生相同的周期变化；太阳软X射线与NO 密度的统计关系在不同高度和季节呈现“线性”、“饱和”和“放大”结果，且夏季期间相同高度两者的相关性大小高于平均值，更高于其它季节的．总的来看，从长期变化趋势和中期变化尺度上说，太阳活动对磁赤道地区低热层NO 密度的影响远大于地磁活动，但地磁活动对NO 短期变化作用非常明显．

致 谢 感谢NSSDC提供的NO 密度和太阳软X射线数据，以及SPIDR 提供的地磁Ap指数数据．

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