地球空间环境与大地测量教育部重点实验室

非相干散射雷达观测研究

电离层的午夜塌陷现象是指F层电子浓度峰值高度(HmF2)在午夜前后迅速而且大幅度的下降。Arecibo非相干散射雷达的观测数据显示,在每一天的午夜都发现了午夜塌陷现象。可以将观测到的从午夜塌陷前到塌陷的整个过程分为3个阶段:预备塌陷,初始塌陷和持续塌陷。中性风或者电场在预备塌陷中起到主要作用。它们将HmF2在塌陷前推到一个较高的高度,给予电离层足够的下沉空间。双极扩散在初始塌陷中扮演了重要角色。在持续塌陷中,中性风和电场起到了决定性的作用。在观测的后5晚,剧烈的午夜塌陷得以发生是因为:一方面,中性风将HmF2在塌陷前推到了很高的高度,另一方面,中性风和电场在塌陷时合力拖拽着离子向下运动。经向风中的24小时潮汐波是经向风在午夜前后传播方向发生反转的主要原因,它为午夜塌陷的发生提供了基本条件。以往的研究认为经向风是造成Arecibo午夜塌陷的决定性原因。研究表明除了经向风外,电场和双极扩散对于午夜塌陷的发生也起到了重要作用。这部分工作发表在《JGR》上。

双波束非相干散射雷得到的离子在268公里处的垂直速度(红点),HmF2(蓝点),以及NmF2(绿点)。对于NmF2,其数值刻度由右边的Y轴刻度值给出,100到200的刻度值对应的是0到5×1011,单位为m-3.

利用Arecibo非相干散射雷达数据研究了热层中性风中的大气波动(图2)及其相互作用。研究发现,热层大气中普遍存在着各种类型的波动,如大气潮汐、重力波和行星波。其中,周日潮汐通常是最显著的波动现象。周日潮汐和重力波之间的强相互作用在整个观测期间频繁出现,并且和与差相互作用总是同时发生,波动间的能量交换有时是可逆的。除了潮汐/重力波相互作用外,在数据中还发现了潮汐/行星波和潮汐/潮汐相互作用。在潮汐/行星波相互作用下,潮汐振幅中出现了行星波周期的调制。双谱分析和相关分析共同证实了中间热层中存在潮汐/潮汐非线性相互作用,并且波动能量在不同周期的潮汐成分之间进行着频繁的再分配。这部分工作发表在《JGR》上。

利用非相干散射雷达观测数据,第一次报道了在低纬度电离层E层和F层高度上传播的8小时潮汐波的观测结果。结果表明,观测到的8小时潮汐波展现出了非常大的周期变化。在观测的前4天中,8小时潮汐波仅在E层比较强,而在观测的后五天中,8小时潮汐波只出现在了F层中。虽然在整个观测周期中,8小时潮汐波不如24小时潮汐波稳定,但是它的波幅可以和24小时潮汐波相比较。对8小时潮汐波的激发机制分析表明,排除了24和12小时潮汐波、或者24小时潮汐波和重力波的相互作用激发观测到的8小时潮汐波的可能性。并且,8小时潮汐波与F层较低高度上的背景经向风有非常好的相关性,这说明了8小时潮汐波有很强的传播分量。这部分工作发表在《GRL》上。


热层磁子午面上南向中性风的归一化Lomb–Scargle 谱.


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