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乐会军等-JGR:日食期间共轭半球电离层响应
2020-12-28 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  日食是一个独特的天文现象,日食期间太阳辐射大幅降低,引起一系列大气层和电离层的变化。日食引起的电离层变化从上世纪七十年代就开始被关注了。由于月球的遮挡,日食期间地球上部分区域高层大气接收到的太阳极紫外和X射线辐射大幅下降,电离层的离子产生率和加热率均显著下降,引起电离层光化学、动力学过程等一系列变化,导致电离层热层的密度、温度、风场等出现显著扰动。但是以前的研究认为日食是一个局部现象,对地球大气层和电离层的影响主要集中在日食阴影区特别是全食区附近。20187月北美洲的日全食覆盖了美国大部分区域,在此次日食的观测模拟研究中有学者提出了日食期间电离层扰动不局限于日食区,日食可能会引起更大范围甚至是全球的扰动,哪些物理过程对这种更大范围电离层扰动起主导作用值得深入研究和探讨。 

  日食期间,电离层/热层在日食阴影区的密度温度扰动,可能通过热层大气环流变化、沿磁力线的等离子体输运、以及沿磁力线的热传导等过程,从一个半球传到其磁共轭半球。2020621日的日环食横跨亚洲中纬地区,其磁共轭在南半球有观测的澳洲,此期间还有一些相关的卫星飞过日食区及共轭半球,这为研究日食期间电离层共轭半球响应提供了很好的条件。地球与行星物理院重点实验室乐会军研究员等基于全球电离层热层耦合模型开展了详细的观测和数值模拟研究,针对共轭半球电离层扰动的主要物理过程及其驱动因素展开了模拟分析。研究表明,除了日食区的电子密度下降外,在南半球共轭区附近还存在显著的电子密度增加(图1)。为了进一步理解其物理过程,作者进一步分析了电离层各关节参量的变化特征。模拟结果首先显示了在日食共轭点附近出现了显著的电离层扰动,包括电子密度增加、电子温度下降以及沿磁力线速度变化等(图2),卫星观测数据也显示了相同的变化特征。分析表明,这主要来源与等离子体温度的下降,引起电离层快速收缩,导致顶部电子密度增加。 

1 2020621日日食期间400 km高度处的全球电离层电子密度扰动分布,白色等值线标出了日食阴影区范围,最中心代表日全食

2 日食期间在日食区(左边,北纬20度)和共轭区(右边,南纬20度)的电离层电子密度、电子温度以及沿磁力线扩散速度的变化特征

  日食期间引起电离层电子温度快速变化的驱动过程主要有两种。一个是光电子沿磁力线的跨半球输运,另一个是沿磁力线的热传导过程。日食期间,日食区的太阳辐射大幅下降,光电子产生率显著降低,从而导致本该输运到共轭半球的光电子数量也大幅减少,引起共轭区的光电加热率下降;同时,日食区本身的电子温度由于光电加热的消失而大幅下降,这种降温过程也可能通过热传导过程传递到共轭半球,引起磁共轭点的温度下降。那么是哪种过程起主导作用?作者通过两个控制模拟实验,研究了耦合半球电离层扰动的主要原因,即分别切断了跨半球的光电子传输和热传导过程。模拟结果表明,共轭半球的电离层扰动是由跨层光电子输运、热传导和热层风变化的综合作用引起的。 

  对于磁纬20度附近的共轭电离层扰动,关闭光电子跨半球输运后,共轭区的电离层扰动变化不大,而进一步关闭跨半球热传导后,共轭半球的电离层扰动幅度显著下降(如图3所示),因此可以说明沿磁力线的热传导过程应该是主导因素。进一步的研究表明,在不同区域热传导和光电子加热的效应是不一样的,主要依赖于磁力线的长度。低纬地区主要来源于热传导效应。而随着纬度逐渐增加,磁力线变长,光电子加热率减少,光电子加热的变化占据主导作用,成为共轭半球电离层扰动的主要驱动因素。该研究结果为理解共轭半球电离层对太阳辐射变化响应特征及其主要物理机制提供了重要理论依据。 

3 在不同条件下的电离层电子密度(上图)和电子温度(下图)扰动变化。左边是正常情况下的模拟结果,中间是关闭跨半球光电子输运,右边是关闭跨半球光电子输运和跨半球热传导

  研究成果发表于空间物理学国际权威学术期刊JGR: Space Physics (乐会军刘立波任志鹏陈一定张辉. Effects of the 21 June 2020 solar eclipse on conjugate hemispheres: A modeling study[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2020,125(11), e2020JA028344. DOI: 10.1029/2020JA028344)(原文链接)。本研究受科技部重点研发计划项目(2018YFC1503504),中科院先导BXDB41000000),国家自然科学基金项目((4182240341774165)和中科院青年创新促进会等联合资助。

 
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