中纬热层大气质量密度经向结构差异研究

王慧， 张科灯， 万欣

武汉大学电子信息学院空间物理系， 武汉　430072



中纬热层大气质量密度经向结构差异研究

王慧， 张科灯， 万欣

武汉大学电子信息学院空间物理系， 武汉430072

本文利用CHAMP卫星以及全球电离层-热层模型(GITM)来研究太阳活动低年(2007—2009年)中纬热层大气质量密度(ρ)的经度结构变化.结果如下：(1)ρ存在明显的经度单波结构(单峰和单谷)，且南北半球反相，波峰和波谷随着地方时增加而向东移动；(2)模拟表明离子拖曳效应在ρ结构差异的形成中起到了重要的作用，欧亚地区电子密度经度差异性较弱，不足以影响ρ经度分布，导致该地区ρ经度差异不明显；(3)在磁中纬地区，太阳天顶角的经度差异可达20°～30°，太阳光加热的经度不均匀性是导致ρ经度差异的另一个主要原因.

热层大气密度； 离子拖曳； 太阳天顶角； 经度变化

1　引言

以往大量研究表明热层质量密度存在经度变化，这些经度变化被归因于极光椭圆带加热或者低层大气潮汐向上传播进入热层.例如Xu等(2013)研究了热层大气质量密度日平均值的经度变化和半球变化特征，他们发现高纬靠磁极的经度带日平均值最大，他们认为极光带焦耳和粒子沉降加热是产生经度变化的主导因素(Hedin and Carignan, 1985; Forbes et al., 1999).Oberheide等(2011)对比分析了中低纬(0～60°)CHAMP卫星的大气质量密度的潮汐波谱和低层大气潮汐驱动模型的模拟结果，发现模型准确再现了热层非迁移潮汐波谱(如DE1、DE2、DE3、SW4等)的纬度和季节变化特征，因此认为热层这些潮汐分量主要来自低层大气.然而，模拟的DW2、D0的纬度和季节分布与观测有较大差异，因此他们认为DW2和D0分量可能由当地非线性过程产生.

显然，以往的研究都忽略了离子拖曳过程在大气密度经度分布过程的作用.离子拖曳在中性大气-离子相互作用过程中扮演了十分重要的角色，它使得电离层和热层有类似现象发生，例如，电离层电子密度赤道异常(Thomas, 1968)和热层大气密度异常(Liu et al., 2006)，大气密度耗空(NND)也被认为与赤道等离子体泡(EPBs)有关(Park et al.,2010).

近年来，研究发现中纬电离层电子密度存在经度差异(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卫星在400 km高度的全球观测结果，发现电子密度经向结构在北半球存在一个明显双波结构(双峰双谷)，南半球存在单波结构(单峰单谷).热层风与地磁场构型(地磁偏角)是导致电离层电子密度经度差异的主要因素(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卫星观测数据以及GITM模型模拟，进一步揭示除了纬向风之外，经向风、太阳光照、迁移潮汐波和高纬活动等均能影响中纬电离层F层电子密度的经度结构.

本文利用卫星观测数据分析中纬热层大气密度的经度变化特征，并利用数值模型揭示可能的物理机制.Wang等(2015)利用GITM模型再现了电子密度与纬向风导致的等离子体垂直漂移速度经向差异的观测结果，证明该模型具有很好的模拟中纬电离层-热层物理过程的能力，基于同样的模型模拟结果，本文将会对热层大气的经度差异的产生机制进行研究.

2　卫星与模型

CHAMP卫星为近圆形极轨卫星(2000—2009年)，轨道倾角为83.7°，飞行周期约为93 min，它的初始高度为450 km(Reigber et al.,2002)，2007—2009年其高度下降到大约337 km左右.从该卫星轨道升交点及降交点所在的磁地方时变化情况来看，CHAMP卫星130天能够覆盖所有地方时.热层大气密度可从CHAMP卫星搭载的STAR(Space Three-axis Accelerometer for Research Missions)仪器利用计算得到，具体方法可参考(Doornbos et al., 2010).

GITM模型(全球电离层-热层模型)是美国密歇根大学开发的电离层-热层三维模型(Ridley et al.,2006)，该模型求解热层和电离层的连续性、动量和能量方程，并通过考虑梯度压力、重力、中性风及电场力来求解离子动量方程，利用MSIS(Hedin,1991)及IRI(Bilitza,2001)的中性粒子及离子的温度、密度数据对模型进行初始化，而磁场结构由IGRF(国际地磁参考场)(Maus et al.,2005)来描述.

本文选取太阳活动低年(2007—2009年，平均F10.7指数大约为73ω·m-2·Hz-1)和磁中纬区域(±40°—±60°地磁纬度，MLat)大气密度数据，并按季节划分成四组，其中每个季节都以春秋两分点或冬夏两至至点为中心，前后共131天进行平均，以覆盖CHAMP卫星所有磁地方时.每组数据再根据地理经度(GLon)及磁地方时(MLT)进行平均，分辨率分别为15° Glon和1小时(h) MLT，在每个MLT扇区去除经度平均值，以研究大气密度的经度差异性.

3　观测结果分析

图1给出热层大气密度随磁地方时和地理经度的变化，Δρ表示各地方时扇区经度平均值已被去除，从图中可以看出Δρ存在一个明显的经度方向上单波结构(即每个地方时扇区经度方向上存在单峰和单谷结构)，波峰和波谷随着地方时的增加向东侧移动，在晨昏两侧波相位几乎相反，而且南北半球Δρ的经度结构几乎反相.在北半球，欧亚地区(0°E—180°E)的热层大气密度经度差别没有北美地区(180°W—0°W)强，在北美地区，正午前，西侧大气密度高于东侧，但正午后相反.在南半球，大气密度在经度上存在大尺度结构变化，正午前(后)南太平洋区域(180°W—60°W)的大气密度比南大西洋和印度洋(60°W—150°E)的密度低(高).从图1可以看出，大气密度的经度单波结构存在于所有季节，在秋分和夏至季节，较强的经度差异主要存在于8—22 MLT时间段，而在冬至和春分季节较强的经度差异几乎贯穿全天所有地方时段.

图2为GITM模拟的太阳活动最小年秋分季节中性大气密度随磁地方时和地理经度的分布图(其他季节略)，我们将模型运行48h使其达到稳恒态，再继续运行24 h，最后24 h的结果用来进行理论分析，模型的输入参数如下：IMFBx=0.20 nT，IMFBy=0.13 nT，IMFBz=-0.26 nT，太阳风速度，Vx=452 km·s-1，F10.7=73ω·m-2·Hz-1，半球能量HP=26.5 GW，模拟中没有加入低边界大气潮汐波，因此我们主要关注电离层-热层局地耦合物理机制.

比较图2和图1可以发现，在大尺度范围内，GITM模型较好地重现了CHAMP观测结果，南北半球大气密度都呈现单波结构，南北半球波形相位几乎相反，波峰和波谷随着磁地方时的增加而向东移动，在北半球波峰主要局限在北美地区(180°W—0°W)，欧亚地区(0°E—180°E)几乎没有波峰出现，在南半球波峰覆盖了几乎所有经度.因为观测和模拟的相似性较好，保证我们可以利用模型对大气密度经度差异的产生机制进行理论分析.

图2　去除低层边界潮汐波输入情况下GITM模型模拟秋季热层大气质量密度随地理经度和地方时的变化图，左边为北半球，右边为南半球，大气密度单位为(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

图3　GITM模拟秋季电子密度随地理经度和地方时的变化，电子密度单位为1010 m-3Fig.3　The same as Figure 1, but for CHAMP observed electron density, Densities are given in 1010m-3

图4　(上图)无离子拖曳影响情况下GITM模型模拟的大气密度随地理经度和地方时的分布；(中图)无离子拖曳影响下模拟的大气密度随地理经度和地方时的分布，但F10.7=100；(下图)太阳天顶角随地理经度和地方时的变化，白线代表太阳日照明暗分界线(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　讨论

图3给出400 km高度GITM模拟的电离层电子密度(ΔNe)随地理经度和磁地方时的变化，与图2热层大气密度(Δρ)进行对比，可以看出南半球两者的经度结构比较相似，但在北半球，ΔNe经度结构为双波结构，峰值出现在北美(180°W—0°W)和欧亚(0°E—180°E)，欧亚的电子密度经度差异要明显弱于北美地区，正如之前报导所述(Wang et al., 2015)，欧亚地区地磁倾角的经度差异弱于北美和南半球，因此，热层风导致的等离子体垂直漂移速度的经度差异在欧亚地区并不明显，这是该地区电子密度的经度差异较弱的主要原因.从图2可以看出，Δρ经向结构为单波结构，只出现在北美地区，欧亚在所有地方时几乎都没有波峰出现，这表明在欧亚地区电离层对热层的离子拖曳较弱，不足以够引起Δρ的经度变化.GITM模型可以更清晰地展现离子拖曳效应，图4(上图)为忽略离子拖曳效应情形下Δρ随磁地方时及地理经度的变化，与图2相比，从波峰-波谷值的差值的峰值来看，南(北)半球Δρ幅度减少了大约 50%(40%).由此可以看出离子拖曳效应在Δρ经度差异中起到了重要的作用.

从图4可以看出，当离子拖曳效应忽略时，Δρ依然存在明显的单波(波峰波谷)经度差异，产生该经度差异的物理机制可能是太阳日照，因为它可以改变大气温度，导致大气压缩或膨胀，从而影响400 km高度热层大气质量密度，前人的研究也表明造成太阳活动低年(2007—2009年)大气温度和质量密度降低的主要原因是极弱的太阳EUV辐射强度(Solomon et al., 2010, 2013)，Solomon等(2013)的研究表明当太阳EUV辐射减少10%时，400 km高度热层大气密度将减少30%.

由于地球地理极与地磁极不重合，磁中纬(40°—60° MLat)区域的地理纬度存在经度变化，靠近地磁极(地磁北极位于90°W GLon，南极位于120°E GLon)的地理经度扇区，地理纬度相对较低，反之，远离地磁极的地理经度区域，地理纬度较高，北半球磁中纬地理纬度差异可以达到17°，南半球更高达27°，太阳天顶角与地理纬度有关，故太阳光照加热存在经度差异.图4(下图)给出太阳天顶角(SZA)与热层大气质量密度的关系.图中正值表示光照较强，在400 km高度，我们定义SZA<100°为有日照情形，而SZA≥100°为无日照情形(Wang et al., 2005)，图中白色线条代表太阳日照明暗分界线(SZA=100°)，以此来区分有无日照环境.从图4中可以看出，白天北半球太阳日照在90°W GLon区域最强，而南半球在120°E GLon附近最强，这与近磁极的地理经度带地理纬度较低有关，SZA随地理经度的变化呈明显单波结构，经度差异可以达到20°～30°，这与大气密度ρ的变化较相似，表明太阳光照加热的经度差异在大气质量密度ρ的经度分布结构中也起到了重要作用.

该推论进一步被下列结果证实，我们将太阳EUV活动F10.7指数人为增加到100，并保持其他输入参数不变，忽略离子拖曳效应后，大气密度随地理经度和地方时的分布图如图4(中)所示，对比F10.7=70(图4上)可以看出，大气密度的经度差异明显增强.从波峰-波谷值的差值的峰值来看，当F10.7从70增大到100时，南北半球大气质量密度分别增加了1.5和2.1倍.结果表明太阳光照加热的经度差异确实对大气密度的经度差异有重要影响.

最后需要说明的是：我们研究的是平静期中纬大气质量密度的经度分布，高纬极光椭圆带加热的影响在磁暴期间估计更为显著.模拟结果并未考虑低空大气潮汐波的输入，因此模拟的热层大气质量密度经度变化主要源于热层当地物理过程.南北半球大气密度主要显示为1波结构，潮汐波谱分析表明非迁移潮汐波D0分量为其主导分量.本文研究结果表明太阳辐射和离子拖曳过程都能对D0分量有贡献.低空大气潮汐波是否也对D0分量有影响，在后续的工作中我们将继续开展研究.

5　结论

本文利用CHAMP卫星观测及GITM模型模拟结果，研究了太阳活动低年(2007—2009年)中纬热层大气质量密度的经度结构变化，并探讨了产生该经度差异的物理过程，得到一些有趣的结论：

(1) 热层大气质量密度存在明显的单波经度结构，南北半球几乎反相，波峰和波谷随磁地方时的增加而向东移动；

(2) 与北半球电离层电子密度的双波经度结构不同，北半球大气质量密度呈单波结构，主要原因是欧亚地区地磁倾角经度差异较弱，致使该地区电子密度的经度差异相对较弱，离子拖曳效应不足以影响大气密度的经度差异；

(3) 去除离子拖曳效应后，模拟的大气质量密度的经度差异减小40%～50%，表明离子拖曳效应在中性大气密度经度差异的形成中起到了重要的作用；

(4) 南北半球太阳天顶角经度差值可以达到20°～30°，太阳光照加热的经度差异是导致热层大气质量密度经度差异的另一个主要原因.

致谢本研究感谢德国地学研究中心提供CHAMP卫星大气质量密度数据，感谢NASA/GSFC的OMNIWeb网站提供太阳风和行星际磁场数据.

Bilitza D. 2001. International reference ionosphere 2000.RadioSci., 36(2): 261-275.

Doornbos E, van Den Ijssel J, Lühr H, et al. 2010. Neutral density and crosswind determination from arbitrarily oriented multiaxis accelerometers on satellites.J.Spacecraft.Rockets, 47(4): 580-589. Forbes J M, Palo S E, Marcos F A. 1999. Longitudinal structures in lower thermosphere density.J.Geophys.Res., 104(A3): 4373-4385.

Hedin A E, Carignan G R. 1985. Morphology of thermospheric composition variations in the quiet polar thermosphere from Dynamics Explorer measurements.J.Geophys.Res., 90(A6): 5269-5277. Hedin A E. 1991. Extension of the MSIS thermosphere model into the middle and lower atmosphere.J.Geophys.Res., 96(A2): 1159-1172.

Liu H X, Lühr H, Watanabe S, et al. 2006. Zonal winds in the equatorial upper thermosphere: Decomposing the solar flux, geomagnetic activity, and seasonal dependencies.J.Geophys.Res., 111(A7), doi: 10.1029/2005JA011415.

Luan X, Dou X. 2013. Seasonal dependence of the longitudinal variations of nighttime ionospheric electron density and equivalent winds at southern midlatitudes.Ann.Geophys., 31(10): 1699-1708.

Maus S, MacMillan S, Chernova T, et al. 2005. The 10th-generation international geomagnetic reference field.Geophys.J.Int., 161(3): 561-565.

Oberheide J, Forbes J M, Zhang X, et al. 2011. Climatology of upward propagating diurnal and semidiurnal tides in the thermosphere.J.Geophys.Res., 116(A11): A11306.

Park J, Lühr H, Min K W. 2010. Neutral density depletions associated with equatorial plasma bubbles as observed by the CHAMP satellite.J.Atmos.Sol.-Terr.Phys., 72(2-3): 157-163. Reigber C, Lühr H, Schwintzer P. 2002. CHAMP mission status.Adv.SpaceRes., 30(2): 129-134. Ridley A J, Deng Y, Tóth G. 2006. The global ionosphere-thermosphere model.J.Atmos.Sol. -Terr.Phys., 68(8): 839-864. Solomon S C, Woods T N, Didkovsky L V, et al. 2010. Anomalously low solar extreme-ultraviolet irradiance and thermospheric density during solar minimum.Geophys.Res.Lett., 37(16): L16103. Solomon S C, Qian L Y, Burns A G. 2013. The anomalous ionosphere between solar cycles 23 and 24.J.Geophys.Res., 118(10): 6524-6535.

Thomas L. 1968. The F2-region equatorial anomaly during solstice periods at sunspot maximum.J.Atmos.Sol. -Terr.Phys., 30(9): 1631-1640. Wang H, Ridley A J, Zhu J. 2015. Theoretical study of zonal differences of electron density at midlatitudes with GITM simulation.J.Geophys.Res., 120(4): 2951-2966.

Wang H, Lühr H, Ma S Y. 2005. Solar zenith angle and merging electric field control of field-aligned currents: A statistical study of the Southern Hemisphere.J.Geophys.Res., 110(A3): A03306. Xu J Y, Wang W B, Gao H. 2013. The longitudinal variation of the daily mean thermospheric mass density.J.Geophys.Res., 118(1): 515-523.

Xu J S, Li X J, Liu Y W, et al. 2014. TEC differences for the mid-latitude ionosphere in both sides of the longitudes with zero declination.Adv.SpaceRes., 54(5): 883-895.

Zhang S R, Foster J C, Coster A J, et al. 2011. East-West Coast differences in total electron content over the continental US.Geophys.Res.Lett., 38(19): L19101.

Zhang S R, Foster J C, Holt J M, et al. 2012. Magnetic declination and zonal wind effects on longitudinal differences of ionospheric electron density at midlatitudes.J.Geophys.Res., 117(A8): A08329.

Zhao B Q, Wang M, Wang Y G, et al. 2013. East-west differences in F-region electron density at midlatitude: Evidence from the Far East region.J.Geophys.Res., 118(1): 542-553.

(本文编辑胡素芳)

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.

国家自然科学基金(41674153,41222030,41221003,41431073)资助．

王慧，女，1977年生，武汉大学电子信息学院教授，博士生导师，主要从事亚极光区极化流、电子密度、热层风和大气密度等方面的研究.E-mail：h.wang@whu.edu.cn

10.6038/cjg20161005

P351

2015-11-18，2016-07-05收修定稿

王慧， 张科灯， 万欣. 2016. 中纬热层大气质量密度经向结构差异研究. 地球物理学报，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.