王慧， 張科燈， 萬欣

武漢大學電子信息學院空間物理系， 武漢　430072

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中緯熱層大氣質量密度經向結構差異研究

王慧， 張科燈， 萬欣

武漢大學電子信息學院空間物理系， 武漢430072

本文利用CHAMP衛(wèi)星以及全球電離層-熱層模型(GITM)來研究太陽活動低年(2007—2009年)中緯熱層大氣質量密度(ρ)的經度結構變化.結果如下：(1)ρ存在明顯的經度單波結構(單峰和單谷)，且南北半球反相，波峰和波谷隨著地方時增加而向東移動；(2)模擬表明離子拖曳效應在ρ結構差異的形成中起到了重要的作用，歐亞地區(qū)電子密度經度差異性較弱，不足以影響ρ經度分布，導致該地區(qū)ρ經度差異不明顯；(3)在磁中緯地區(qū)，太陽天頂角的經度差異可達20°～30°，太陽光加熱的經度不均勻性是導致ρ經度差異的另一個主要原因.

熱層大氣密度； 離子拖曳； 太陽天頂角； 經度變化

1　引言

以往大量研究表明熱層質量密度存在經度變化，這些經度變化被歸因于極光橢圓帶加熱或者低層大氣潮汐向上傳播進入熱層.例如Xu等(2013)研究了熱層大氣質量密度日平均值的經度變化和半球變化特征，他們發(fā)現(xiàn)高緯靠磁極的經度帶日平均值最大，他們認為極光帶焦耳和粒子沉降加熱是產生經度變化的主導因素(Hedin and Carignan, 1985; Forbes et al., 1999).Oberheide等(2011)對比分析了中低緯(0～60°)CHAMP衛(wèi)星的大氣質量密度的潮汐波譜和低層大氣潮汐驅動模型的模擬結果，發(fā)現(xiàn)模型準確再現(xiàn)了熱層非遷移潮汐波譜(如DE1、DE2、DE3、SW4等)的緯度和季節(jié)變化特征，因此認為熱層這些潮汐分量主要來自低層大氣.然而，模擬的DW2、D0的緯度和季節(jié)分布與觀測有較大差異，因此他們認為DW2和D0分量可能由當?shù)胤蔷€性過程產生.

顯然，以往的研究都忽略了離子拖曳過程在大氣密度經度分布過程的作用.離子拖曳在中性大氣-離子相互作用過程中扮演了十分重要的角色，它使得電離層和熱層有類似現(xiàn)象發(fā)生，例如，電離層電子密度赤道異常(Thomas, 1968)和熱層大氣密度異常(Liu et al., 2006)，大氣密度耗空(NND)也被認為與赤道等離子體泡(EPBs)有關(Park et al.,2010).

近年來，研究發(fā)現(xiàn)中緯電離層電子密度存在經度差異(Zhang et al., 2011, 2012; Zhao et al.,2013; Xu et al.,2014; Luan and Dou,2013; Wang et al.,2015).Wang等(2015)利用CHAMP衛(wèi)星在400 km高度的全球觀測結果，發(fā)現(xiàn)電子密度經向結構在北半球存在一個明顯雙波結構(雙峰雙谷)，南半球存在單波結構(單峰單谷).熱層風與地磁場構型(地磁偏角)是導致電離層電子密度經度差異的主要因素(Zhang et al., 2011,2012; Zhao et al., 2013; Xu et al., 2014; Luan and Dou., 2013; Wang et al., 2015).Wang等(2015)利用CHAMP衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)以及GITM模型模擬，進一步揭示除了緯向風之外，經向風、太陽光照、遷移潮汐波和高緯活動等均能影響中緯電離層F層電子密度的經度結構.

本文利用衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)分析中緯熱層大氣密度的經度變化特征，并利用數(shù)值模型揭示可能的物理機制.Wang等(2015)利用GITM模型再現(xiàn)了電子密度與緯向風導致的等離子體垂直漂移速度經向差異的觀測結果，證明該模型具有很好的模擬中緯電離層-熱層物理過程的能力，基于同樣的模型模擬結果，本文將會對熱層大氣的經度差異的產生機制進行研究.

2　衛(wèi)星與模型

CHAMP衛(wèi)星為近圓形極軌衛(wèi)星(2000—2009年)，軌道傾角為83.7°，飛行周期約為93 min，它的初始高度為450 km(Reigber et al.,2002)，2007—2009年其高度下降到大約337 km左右.從該衛(wèi)星軌道升交點及降交點所在的磁地方時變化情況來看，CHAMP衛(wèi)星130天能夠覆蓋所有地方時.熱層大氣密度可從CHAMP衛(wèi)星搭載的STAR(Space Three-axis Accelerometer for Research Missions)儀器利用計算得到，具體方法可參考(Doornbos et al., 2010).

GITM模型(全球電離層-熱層模型)是美國密歇根大學開發(fā)的電離層-熱層三維模型(Ridley et al.,2006)，該模型求解熱層和電離層的連續(xù)性、動量和能量方程，并通過考慮梯度壓力、重力、中性風及電場力來求解離子動量方程，利用MSIS(Hedin,1991)及IRI(Bilitza,2001)的中性粒子及離子的溫度、密度數(shù)據(jù)對模型進行初始化，而磁場結構由IGRF(國際地磁參考場)(Maus et al.,2005)來描述.

本文選取太陽活動低年(2007—2009年，平均F10.7指數(shù)大約為73ω·m-2·Hz-1)和磁中緯區(qū)域(±40°—±60°地磁緯度，MLat)大氣密度數(shù)據(jù)，并按季節(jié)劃分成四組，其中每個季節(jié)都以春秋兩分點或冬夏兩至至點為中心，前后共131天進行平均，以覆蓋CHAMP衛(wèi)星所有磁地方時.每組數(shù)據(jù)再根據(jù)地理經度(GLon)及磁地方時(MLT)進行平均，分辨率分別為15° Glon和1小時(h) MLT，在每個MLT扇區(qū)去除經度平均值，以研究大氣密度的經度差異性.

3　觀測結果分析

圖1給出熱層大氣密度隨磁地方時和地理經度的變化，Δρ表示各地方時扇區(qū)經度平均值已被去除，從圖中可以看出Δρ存在一個明顯的經度方向上單波結構(即每個地方時扇區(qū)經度方向上存在單峰和單谷結構)，波峰和波谷隨著地方時的增加向東側移動，在晨昏兩側波相位幾乎相反，而且南北半球Δρ的經度結構幾乎反相.在北半球，歐亞地區(qū)(0°E—180°E)的熱層大氣密度經度差別沒有北美地區(qū)(180°W—0°W)強，在北美地區(qū)，正午前，西側大氣密度高于東側，但正午后相反.在南半球，大氣密度在經度上存在大尺度結構變化，正午前(后)南太平洋區(qū)域(180°W—60°W)的大氣密度比南大西洋和印度洋(60°W—150°E)的密度低(高).從圖1可以看出，大氣密度的經度單波結構存在于所有季節(jié)，在秋分和夏至季節(jié)，較強的經度差異主要存在于8—22 MLT時間段，而在冬至和春分季節(jié)較強的經度差異幾乎貫穿全天所有地方時段.

圖2為GITM模擬的太陽活動最小年秋分季節(jié)中性大氣密度隨磁地方時和地理經度的分布圖(其他季節(jié)略)，我們將模型運行48h使其達到穩(wěn)恒態(tài)，再繼續(xù)運行24 h，最后24 h的結果用來進行理論分析，模型的輸入參數(shù)如下：IMFBx=0.20 nT，IMFBy=0.13 nT，IMFBz=-0.26 nT，太陽風速度，Vx=452 km·s-1，F(xiàn)10.7=73ω·m-2·Hz-1，半球能量HP=26.5 GW，模擬中沒有加入低邊界大氣潮汐波，因此我們主要關注電離層-熱層局地耦合物理機制.

比較圖2和圖1可以發(fā)現(xiàn)，在大尺度范圍內，GITM模型較好地重現(xiàn)了CHAMP觀測結果，南北半球大氣密度都呈現(xiàn)單波結構，南北半球波形相位幾乎相反，波峰和波谷隨著磁地方時的增加而向東移動，在北半球波峰主要局限在北美地區(qū)(180°W—0°W)，歐亞地區(qū)(0°E—180°E)幾乎沒有波峰出現(xiàn)，在南半球波峰覆蓋了幾乎所有經度.因為觀測和模擬的相似性較好，保證我們可以利用模型對大氣密度經度差異的產生機制進行理論分析.

圖2　去除低層邊界潮汐波輸入情況下GITM模型模擬秋季熱層大氣質量密度隨地理經度和地方時的變化圖，左邊為北半球，右邊為南半球，大氣密度單位為(10-13 kg·m-3)Fig.2　The same as Figure 1, but for GITM simulated neutral air mass density at September Equinox. Tides have been turned off at the lower boundary of the model

圖3　GITM模擬秋季電子密度隨地理經度和地方時的變化，電子密度單位為1010 m-3Fig.3　The same as Figure 1, but for CHAMP observed electron density, Densities are given in 1010m-3

圖4　(上圖)無離子拖曳影響情況下GITM模型模擬的大氣密度隨地理經度和地方時的分布；(中圖)無離子拖曳影響下模擬的大氣密度隨地理經度和地方時的分布，但F10.7=100；(下圖)太陽天頂角隨地理經度和地方時的變化，白線代表太陽日照明暗分界線(即SZA=100°)Fig.4　Top panel is GITM simulated air mass density with the ion drag effect turned off. Middle panel is the same as top panel except for F10.7=100; Bottom panel is for solar zenith angle (SZA) at September Equinox. Over-plotted white lines indicates the solar terminator position (SZA=100°)

4　討論

圖3給出400 km高度GITM模擬的電離層電子密度(ΔNe)隨地理經度和磁地方時的變化，與圖2熱層大氣密度(Δρ)進行對比，可以看出南半球兩者的經度結構比較相似，但在北半球，ΔNe經度結構為雙波結構，峰值出現(xiàn)在北美(180°W—0°W)和歐亞(0°E—180°E)，歐亞的電子密度經度差異要明顯弱于北美地區(qū)，正如之前報導所述(Wang et al., 2015)，歐亞地區(qū)地磁傾角的經度差異弱于北美和南半球，因此，熱層風導致的等離子體垂直漂移速度的經度差異在歐亞地區(qū)并不明顯，這是該地區(qū)電子密度的經度差異較弱的主要原因.從圖2可以看出，Δρ經向結構為單波結構，只出現(xiàn)在北美地區(qū)，歐亞在所有地方時幾乎都沒有波峰出現(xiàn)，這表明在歐亞地區(qū)電離層對熱層的離子拖曳較弱，不足以夠引起Δρ的經度變化.GITM模型可以更清晰地展現(xiàn)離子拖曳效應，圖4(上圖)為忽略離子拖曳效應情形下Δρ隨磁地方時及地理經度的變化，與圖2相比，從波峰-波谷值的差值的峰值來看，南(北)半球Δρ幅度減少了大約 50%(40%).由此可以看出離子拖曳效應在Δρ經度差異中起到了重要的作用.

從圖4可以看出，當離子拖曳效應忽略時，Δρ依然存在明顯的單波(波峰波谷)經度差異，產生該經度差異的物理機制可能是太陽日照，因為它可以改變大氣溫度，導致大氣壓縮或膨脹，從而影響400 km高度熱層大氣質量密度，前人的研究也表明造成太陽活動低年(2007—2009年)大氣溫度和質量密度降低的主要原因是極弱的太陽EUV輻射強度(Solomon et al., 2010, 2013)，Solomon等(2013)的研究表明當太陽EUV輻射減少10%時，400 km高度熱層大氣密度將減少30%.

由于地球地理極與地磁極不重合，磁中緯(40°—60° MLat)區(qū)域的地理緯度存在經度變化，靠近地磁極(地磁北極位于90°W GLon，南極位于120°E GLon)的地理經度扇區(qū)，地理緯度相對較低，反之，遠離地磁極的地理經度區(qū)域，地理緯度較高，北半球磁中緯地理緯度差異可以達到17°，南半球更高達27°，太陽天頂角與地理緯度有關，故太陽光照加熱存在經度差異.圖4(下圖)給出太陽天頂角(SZA)與熱層大氣質量密度的關系.圖中正值表示光照較強，在400 km高度，我們定義SZA<100°為有日照情形，而SZA≥100°為無日照情形(Wang et al., 2005)，圖中白色線條代表太陽日照明暗分界線(SZA=100°)，以此來區(qū)分有無日照環(huán)境.從圖4中可以看出，白天北半球太陽日照在90°W GLon區(qū)域最強，而南半球在120°E GLon附近最強，這與近磁極的地理經度帶地理緯度較低有關，SZA隨地理經度的變化呈明顯單波結構，經度差異可以達到20°～30°，這與大氣密度ρ的變化較相似，表明太陽光照加熱的經度差異在大氣質量密度ρ的經度分布結構中也起到了重要作用.

該推論進一步被下列結果證實，我們將太陽EUV活動F10.7指數(shù)人為增加到100，并保持其他輸入參數(shù)不變，忽略離子拖曳效應后，大氣密度隨地理經度和地方時的分布圖如圖4(中)所示，對比F10.7=70(圖4上)可以看出，大氣密度的經度差異明顯增強.從波峰-波谷值的差值的峰值來看，當F10.7從70增大到100時，南北半球大氣質量密度分別增加了1.5和2.1倍.結果表明太陽光照加熱的經度差異確實對大氣密度的經度差異有重要影響.

最后需要說明的是：我們研究的是平靜期中緯大氣質量密度的經度分布，高緯極光橢圓帶加熱的影響在磁暴期間估計更為顯著.模擬結果并未考慮低空大氣潮汐波的輸入，因此模擬的熱層大氣質量密度經度變化主要源于熱層當?shù)匚锢磉^程.南北半球大氣密度主要顯示為1波結構，潮汐波譜分析表明非遷移潮汐波D0分量為其主導分量.本文研究結果表明太陽輻射和離子拖曳過程都能對D0分量有貢獻.低空大氣潮汐波是否也對D0分量有影響，在后續(xù)的工作中我們將繼續(xù)開展研究.

5　結論

本文利用CHAMP衛(wèi)星觀測及GITM模型模擬結果，研究了太陽活動低年(2007—2009年)中緯熱層大氣質量密度的經度結構變化，并探討了產生該經度差異的物理過程，得到一些有趣的結論：

(1) 熱層大氣質量密度存在明顯的單波經度結構，南北半球幾乎反相，波峰和波谷隨磁地方時的增加而向東移動；

(2) 與北半球電離層電子密度的雙波經度結構不同，北半球大氣質量密度呈單波結構，主要原因是歐亞地區(qū)地磁傾角經度差異較弱，致使該地區(qū)電子密度的經度差異相對較弱，離子拖曳效應不足以影響大氣密度的經度差異；

(3) 去除離子拖曳效應后，模擬的大氣質量密度的經度差異減小40%～50%，表明離子拖曳效應在中性大氣密度經度差異的形成中起到了重要的作用；

(4) 南北半球太陽天頂角經度差值可以達到20°～30°，太陽光照加熱的經度差異是導致熱層大氣質量密度經度差異的另一個主要原因.

致謝本研究感謝德國地學研究中心提供CHAMP衛(wèi)星大氣質量密度數(shù)據(jù)，感謝NASA/GSFC的OMNIWeb網站提供太陽風和行星際磁場數(shù)據(jù).

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(本文編輯胡素芳)

Zonal differences in thermospheric air densities at mid-latitudes

WANG Hui, ZHANG Ke-Deng, WAN Xin

DepartmentofSpacePhysics,SchoolofElectrationInformation,WuhanUniversity,Wuhan430072,China

This study investigated the longitudinal difference in the thermospheric neutral mass density (ρ) during the solar minimum period from year of 2007 to 2009 at mid-latitudes. Both CHAMP observation and global ionosphere-thermosphere model (GITM) simulation were analyzed.ρexhibited wave-1 structure in the longitudinal profile (i.e. one peak and one trough), which was almost 180° out of phase in the two hemispheres. The phase of the wave changed with the local time, exhibiting a clear diurnal variation.ρhad few longitudinal variation in the north eastern hemisphere, which was the main difference from the electron density. The reason was that the ion density variation was too weak to affectρin the European-Asian sector through ion drag. As confirmed by simulation, the longitudinal difference ofρwas reduced greatly when the ion drag was negligible. Thus, both model and observation confirmed the important role of the ion drag in the longitudinal structuring of the neutral density. This study further indicated the obvious longitudinal difference of the solar heating at magnetic mid-latitudes. The peak to trough difference in the solar zenith angle could reach 20°～30°. The non-uniformity of the solar heating can be another causation for the longitudinal structure of the air mass density.

Thermospheric density; Ion drag; Solar zenith angle; Longitudinal variation

10.6038/cjg20161005.

國家自然科學基金(41674153,41222030,41221003,41431073)資助．

王慧，女，1977年生，武漢大學電子信息學院教授，博士生導師，主要從事亞極光區(qū)極化流、電子密度、熱層風和大氣密度等方面的研究.E-mail：h.wang@whu.edu.cn

10.6038/cjg20161005

P351

2015-11-18，2016-07-05收修定稿

王慧， 張科燈， 萬欣. 2016. 中緯熱層大氣質量密度經向結構差異研究. 地球物理學報，59(10):3573-3579,

Wang H, Zhang K D, Wan X. 2016. Zonal differences in thermospheric air densities at mid-latitudes.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(10):3573-3579,doi:10.6038/cjg20161005.