基于GNSS观测的全球赤道等离子体泡
对太阳和地磁活动及季节依赖特征

2023-09-26

赤道等离子体泡是在磁赤道和低纬地区一种通常发生在夜间的大尺度电离层不规则结构。本文利用2010-2021年全球低纬地区GNSS TEC监测仪长期观测数据，分析了赤道等离子体泡对太阳和地磁活动及季节的依赖特征。结果表明，全球每个经度区赤道等离子体泡发生率与太阳活动都显著正相关，赤道等离子体泡的日发生率与F107指数相关系数接近0.70。经度-60°~-30°在赤道等离子体泡高发月份的日落后发生率与F107的相关关系有明显的饱和效应。在季节变化方面，经度-60°~-30°赤道等离子体泡主要发生在1-3月和10-12月，其他经度主要发生在分季。不同经度区赤道等离子体泡日落后发生率季节不对称性存在显著区别，在太阳活动上升期，经度-60°~-30°的10-12月发生率明显高于1-3月；在太阳活动下降期，0°~180°经度区3月分季高于9月分季。此外，地磁扰动对产生赤道等离子体泡主要是抑制作用，特别是在太阳活动高年、分季。

本文所用数据来自全球多个 GNSSTEC监测仪观测网络获得的长期观测数据,这些观测网络主要包括国际 GNSS服务(International GNSS Service,IGS)、中国地壳运动观测网络、澳大利亚地球科学网络(Geoscience Australia network,GA)、美国卫星导航系统与地壳形变观测研究大学联盟(University NAVSTAR Consortium,UNAVCO)、巴西空间天气研究与监测网(Estudoe Monitoramento Brasileirodo Clima Espacial,EMBRACE)等.使用了2010-2021年共12年的观测数据,观测站点的地理分布图见图1a,站点分布在磁纬(diplatitude)-30°至30°范围内,涉及站点总数量为1961个,每月用到的站点数量见图1b。

图１ 观测站点空间、时间分布情况
（ａ）观测站点在全球位置分布；（ｂ）每月的观测站点数量

EPBs能引起电离层总电子含量(total electron content,TEC)的快速波动.电离层 TEC 是电子密度沿 GNSS卫星信号传播路径的积分,其随时间的变化可以代表电子密度的大尺度空间变化.Pi等(1997)定义了 TEC变化率指数(rate of TEC index,ROTI)。ROTI作为一个重要的指标,被很多学者用来研究电离层的变化特征 (Nishiokaetal.,2008;Zhangetal.,2012;Buharietal.,2017;Nguyenetal.,2022).本文中 TEC的采样率为30s,ROTI的时间间隔为5min,对应千米尺度的 EPBs.我们处理了收集到的磁纬-30°至30°范围内的全部站点数据,首先将每个站点获取的仰角>30°卫星的 ROTI数据,投影到400km 高度2.5°×2.5°的网格中,网格中多颗卫星的 ROTI数据取中位数;然后选取磁纬-15°至15°的数据,如图2a示例;再将磁纬-15°至15°的数据按经度进行分组,西经 180°至东经180°,间隔 2.5°,分为 144 组,分组后的数据如图2b-e示例.本文中ROTI阈值选择0.25 TECU/min 和0.5TECU/min来开展分析.日落后 EPBs选择18LT至24LT之间的数据,午夜后EPBs选择0LT至6LT之间的数据.为了避免台站分布不均衡对结果产生影响,EPBs的发生率定义为超过阈值的数据点数与所有数据点数的比值.

图2 ROTI数据示例 (a)2014年3月1日23时20分磁赤道区域 ROTI地图;
(b)-(e)依次是经度0°、40°E、80°E和120°E在2014年3月1日的 ROTI数据,红色虚线为18LT,绿色虚线为24LT,蓝色虚线为6LT

研究成果发表于地球物理学报。该研究得到国家自然科学基金项目(42020104002,42074190),中国科学院网信专项(CAS-WX2021SF-0303,CAS-WX2022SF-0103),中国科学院国际伙伴计划项目(183311KYSB20200003)共同资助。