背景电离层半球不对称特征研究

罗伟华 徐继生

（1.中南民族大学电子信息工程学院，湖北 武汉 430074；2.武汉大学电子信息学院，湖北 武汉 430072）

引 言

日落以后，赤道电离层底部的电子密度经常会发生损耗，形成泡状结构，并向上穿透至F2层峰以上高度，即赤道电离层不规则结构或赤道扩展F（Equatorial Spread F，ESF）.电离层不规则结构对无线电波传播存在极大的影响，可导致穿过其中的信号的幅度和相位发生快速的随机变化，即电离层闪烁.

由于中性风场和磁偏角的影响，背景电离层中的电子密度、foF2以及赤道电离异常（Equatorial Ionosphere Anomaly，EIA）通常表现出关于磁赤道不对称［1-2］.罗伟华等［3］利用通量管积分得到的南-北半球积分电子密度N、积分Pedersen电导率～ΣP以及F区Pedersen电导率同E区和F区Pedersen电导率之和的比值～ΣFP／～ΣE+FP均表现出不对称.电离层背景参量的不对称分布将导致南-北半球的电动力学过程存在差异，对赤道地区的等离子体不稳定性过程可能产生影响，从而影响ESF的生成和发展以及闪烁发生率.

近年来，一些卫星观测结果表明，不规则结构和闪烁活动的出现率与背景电离层的半球不对称存在联系.例如，Maruyama［4］通过分析太阳活动高年期间（1978-1980）的ISS-b卫星数据发现，在ESF活动被抑制的区域，电子密度分布呈现不对称性；而在ESF活动增强时，磁子午面内的密度分布基本关于赤道对称.Raghavarao等［5］、Sridharan等［6］和Jayachandran等［7］分别指出，EIA的强度以及赤道异常峰的位置分布将会影响夜间ESF的出现［7］.Lee等［8］也指出在太阳活动高年期间（1999—2000），当ESF的出现率较高时，EIA的不对称特征越显著（表征EIA不对称特征的指数｜Ia｜的值越大）.Thampi等［9］进一步研究了太阳活动低年期间（2005.8-2006.1），根据EIA的强度得到的EIA不对称强度与ESF出现率之间的联系，指出利用表征EIA不对称的特征参数可用于预报ESF的出现.Mendillo等［10］曾尝试利用观测数据分析日落时的EIA的不对称对夜间ESF出现率进行预测.

由于积分Pedersen电导率主要受电子密度的影响，这意味着的不对称分布与不规则结构出现率之间也可能存在联系.Mendillo等［11］讨论了E区Pedersen电导率在南-北半球的不同分布对R-T不稳定性的影响，但没有考虑E区和F区Pedersen电导率之和的不对称的影响.Kil等［12］基于TIMED卫星数据分析指出，F区积分Pedersen电导率存在显著的季节不对称分布的不对称分布对不规则结构的季节变化有重要影响.

因此，研究电离层背景参量的半球不对称特，有助于我们进一步了解不规则结构的生成和发展机制，进一步理解不规则结构和闪烁活动的变化规律.本文将利用通量管积分技术计算电离层背景参量，分析电离层背景参量的半球不对称性与不规则结构和闪烁活动出现率之间的联系，进而提出一种新的可应用于电离层闪烁预报系统的预报指数.

1 通量管积分电离层背景参量

将粒子守恒和电荷守恒方程沿通量管积分，积分从一个半球通量管的根部通过磁通量管的顶点直到另一个半球通量管的根部，包括E区和F区.可以分别给出积分电子密度、积分Pedersen电导率的表达式为［3，13-14］

式中:ne是局地电离层电离密度；σP是局地Pedersen电导率；RE为地球半径；L为 McIlwain参数；ζ=sinθ，θ为磁纬；上标N和S分别表示北半球和南半球沿通量管积分的物理参量.线积分（1）和（2）从一个半球E层底高度开始沿磁力线到磁力线顶点高度处.

由式（1）和（2）可知，当电子密度和Pedersen电导率存在半球不对称分布时，沿通量管积分得到的积分电子密度、积分Pedersen电导率以及F区积分Pedersen电导率～ΣFP与E区和F区积分Pedersen电导率之和～ΣE+FP的比值～ΣFP／～ΣE+FP也会表现出半球不对称特征［3］.下面将研究积分电子密度和Pedersen电导率的不对称分布与不规则结构出现率之间的联系.

2 计算结果分析

为了研究积分电子密度和Pedersen电导率的半球不对称特征，下面将首先根据前面得到的表达式分别计算积分电子密度、积分Pedersen电导率.计算所用的模型为IRI2001［15］和 NRLMSIS00［16］.

2.1 积分电子密度

为研究电子密度的不对称性特征与不规则结构出现率和闪烁活动之间的联系，类似于Mendillo等［12］和 Thampi等［9］定义的表征 EIA 不对称强度的参数AF，定义表征积分电子密度不对称性强度的特征参数

式中，上标N和S分别表示北半球和南半球沿通量管积分的物理参量.如果磁赤道两边的电子密度分布呈显著不对称性，则IN应该较大.反之，如果电子密度的不对称性并不显著，则IN较小.下面主要研究IN随季节和太阳活动的变化.

2.1.1 逐月变化

图1给出太阳活动高年（2001）和太阳活动低年（2005年），地理经度120°E，积分电子密度的南-北不对称特征参数IN的逐月变化.

图1 IN随月份的变化

由图1可以看到，在太阳活动高年，在3—4月和10—11月期间，IN较小；在6—8月，IN较大.这与图2给出的不规则结构的出现率随月份变化特征正好相反［17］.在太阳活动低年，IN在至点（6月和12月）期间较小，两分点（3月和9月）较大，与不规则结构出现率的变化特征一致.这与 Maruyama［4］给出的观测结果一致.另外，Mendillo等［12］和Lee等［9］计算分析太阳活动高年期间的EIA不对称参数得到的结果也表明，在ESF出现率较低时，EIA不对称更显著，当ESF出现率较高时，EIA不对称特征较弱.

图2给出120°～130°E地理经度区，ROCSAT-1卫星在1999—2004年期间观测到的顶部赤道不规则结构出现率随月份的变化特征［17］.

图2 1999—2004期间，ROCSAT-1卫星观测到的顶部不规则结构的出现率随月份的变化特征［17］

2.1.2 逐年变化

图3给出一个太阳活动周期（1997—2007）内，在不同季节，积分电子密度的不对称特征参数IN的逐年变化.

由图3可以看到，在春／秋和冬季，IN与太阳活动呈负相关；在夏季，IN与太阳活动呈正相关.卫星观测结果表明，在不同经度区和不同季节，不规则结构的出现率与太阳活动呈正相关［18］，但是子午风场也可能导致不规则结构的出现率与太阳活动呈现负相关［19］.

由图1和图3可以看到，积分电子密度的不对称性IN与等离子体泡的出现率随季节和太阳活动的变化存在联系.而且，在不同季节和不同太阳活动期间，IN的变化规律与等离子体泡出现率的变化规律存在差异，这可能是由于不同季节和不同太阳活动期间，子午风场对电子密度运动过程的影响存在差异［10］，导致电子密度的半球不对称特征不同.这意味着中性风场在不同太阳活动和不同季节期间对背景电离层和等离子体不稳定性的影响不同，可能导致不规则结构的出现率与太阳活动呈负相关.

图3 IN随太阳活动的变化

2.2 积分Pedersen电导率

类似于参数IN，定义表征积分Pedersen电导率不对称性强度的特征参数和F区积分Pedersen电导率与E区和F区积分Pedersen电导率之和的比值不对称性强度的特征参数分别为:

如果磁南北半球的ΣP、呈显著不对称，则IP、IrP的值应该较大.反之，如果ΣP、的不对称性并不显著，则IP、IrP较小.下面将分别研究IP、IrP随季节和太阳活动的变化.

2.2.1 逐月变化

图4给出在不同太阳活动期间，参数IP随月份的变化.图4（a）为太阳活动高年（2001年），图4（b）为太阳活动低年（2005年）.磁力线顶点高度为410 km.

图4 不同太阳活动期间IP随月份的变化

图5给出在不同太阳活动期间，参数IrP随月份的变化.图5（a）为太阳活动高年（2001年），图5（b）为太阳活动低年（2005年）.磁力线顶点高度为410 km.

图5 不同太阳活动期间，IrP随月份的变化

由图4和图5可以看到，参数IrP和IrP随月份变化的趋势与IN随月份的变化趋势一致.太阳活动高年期间，IrP和IrP随月份变化的趋势与图2所示的不规则结构出现率随月份的变化趋势［17］相反；太阳活动低年，IrP和IrP随月份变化的趋势与不规则结构出现率随月份的变化趋势一致.

由图4和图5还可以看到，相比IrP，IP的值较大.这表明ΣP的半球不对称特征较的半球不对称特征更为显著.另外，IP和IrP随月份的变化存在一些差异，这意味着E区积分Pedersen电导率可能也存在不对称.由于EIA和半球不对称分布的电离密度可能产生一个局地的风场，导致E区电导率增强，导致E区积分Pedersen电导率呈现不对称，使得IP和IrP的变化规律存在一些差异.

2.2.2 逐年变化

图6给出不同季节，参数IP、IrP在一个太阳活动周期内（1997—2007年）随太阳活动的变化.黑实线为春季（3月）、红色点虚线为夏季（6月）、黑虚线为秋季（9月）、蓝色双点虚线为冬季（12月）.磁力线顶点高度为410km.

图6 不同季节参数IP、IrP随太阳活动的变化

由图6可以看到，在不同季节，参数IP和IrP随太阳活动变化的趋势不同.与不规则结构和闪烁活动的出现率也不同.在3月和9月，IP和IrP随太阳活动的变化趋势与不规则结构的出现率随太阳活动变化的趋势［18］相反；在6月和12月，IP随太阳活动的变化趋势与不规则结构的出现率随太阳活动变化的趋势一致.但是，在6月和12月，IrP随太阳活动的变化不是很明显，与不规则结构的出现率似乎没有关系.这也意味着当积分Pedersen电导率不对称特征越显著时，不规则结构的出现率越低.

2.3 讨 论

南-北半球电子密度的不对称可能对R-T不稳定性产生影响，进而影响不规则结构（ESF）和闪烁活动随季节和太阳活动的变化.导致电子密度的南北不对称的主要因素就是中性风场和磁偏角，因此，电子密度的不对称特征也能间接反映出中性风场和磁偏角对等离子体不稳定性存在影响.

由图1和图3～5可以看出，分别表征积分电子密度和积分Pedersen电导率半球不对称强度的参数IN和IP存在随太阳活动和季节的变化，与不规则结构出现率随太阳活动和季节的变化规律存在显著相关.在太阳活动高年期间，IN和IP随月份的变化与不规则结构出现率的变化规律相反，这与实验观测到的结果一致.在太阳活动低年期间，IN和IP随月份的变化与不规则结构出现率的变化规律相同.这可能是由于在不同太阳活动和不同季节期间，中性风场对背景电离层的影响不同.此外，导致电子密度的半球不对称还有其他因素，如日落时间、磁倾角等［20］，这些因素对电子密度的半球不对称分布强度也可能会存在影响.

基于电子密度的不对称分布强度和Pedersen电导率的不对称分布强度与不规则结构的出现率存在联系，可以考虑用参数IN和IP进行ESF和闪烁活动出现率的预测.一些研究表明，EIA的强度与ESF的出现存在联系［5］.表征EIA强度的不对称性参数AF的值在没有ESF出现的时候较大［9］.当利用TEC得到的EIA及其强度的不对称对ESF出现率进行预测时，准确率可达85%［9，12］.因此，当考虑利用积分电子密度和积分Pedersen电导率的不对称强度对ESF和闪烁出现率进行预测时，需要进一步的工作将各种实验观测结果与理论计算结果进行对比研究建模.

3 结 论

本文首次根据电离层经验模型计算得到表征沿通量管积分的电子密度、Pedersen电导率以及F区Pedersen电导率与E区和F区Pedersen电导率之和的比值的不对称强度的参数IN、IP和IrP，分别计算分析了IN、IP和IrP随季节和太阳活动的变化规律，并与闪烁活动的出现率规律进行了比较.根据理论和计算分析，本文的结果可总结如下:

1）积分电子密度的不对称性特征参数IN的不对称性特征参数IP和的不对称性特征参数IrP存在随季节和太阳活动的变化.

2）IN、IP和IrP与闪烁活动的出现率相关，相关关系随季节和太阳活动变化.在太阳活动高年，IN和IP随季节的变化与不规则结构出现率随季节的变化相反；在太阳活动低年，IN和IP随季节的变化与不规则结构出现率随季节的变化一致.在两分点期间，IN和IP随季节的变化与不规则结构出现率随季节的变化相反；在两至点期间，IN和IP随季节的变化与不规则结构出现率随季节的变化一致.

3）IN和IP可作为一种应用于电离层闪烁预报／现报系统中的预报指数.

对于IN和IP应用于闪烁预报，需要结合更多的实验观测数据加以修正和完善，这也将在今后的研究工作中展开.

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