上海天文台在顶部电离层模型改进研究中取得进展

内容来源：中国科技论文在线

在受到太阳高能辐射以及宇宙线的激励后，60千米以上的地球大气层被部分电离甚至完全电离，形成了电离层。电离层是构成地球大气的一个重要部分，当中存在着相当多的自由电子和离子，能够使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射。对电离层的研究不仅是探索地球外部空间环境的重要课题之一，也是进行无线电通讯、广播、导航和雷达定位等人类通讯活动的必要需求。

　　电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度和离子温度等空间分布的基本参数来表示。其中最重要的研究对象是电子密度随高度的分布。图1所示的电子密度廓线中，存在几个重要的电离层特征参数——电子密度峰值NmF2，即电子密度最高的值；峰值对应的高度hmF2，即电子密度达到峰值时对应的地球大气高度；电离层标高Hsc。这些参数可以反映电离层的季节特性，随地磁经纬度的变化和电子密度的梯度变化等，并且同电离层温度变化和动力学过程息息相关。

　　“测量电子密度的最理想手段是通过精确的电离层探测仪进行实时观测，然而这些探测设备无法覆盖全球所有地方，也无法进行连续不间断的测量。因此许多学者尝试通过收集电离层特征参数的观测资料来对整个电离层建立相对可靠的经验模型。”中国科学院上海天文台副研究员郭鹏表示。

　　据郭鹏介绍，其中最著名的电离层模型是国际参考电离层模型（International Reference Ionosphere; IRI），通过读取NmF2和hmF2的模型值，再计算特定时间和地理位置处的垂直电子密度分布。IRI模型在提供电离层气候模式和电离层参考标准方面有着极为广泛的应用。然而在较高的高度即顶部电离层，IRI模型则通过一个类似指数函数来拟合电子密度的变化，不可避免地存在一定的不准确性。

　　郭鹏说：“在过去的两年内，我们研究团队对顶部电离层模型进行了深入的调研和分析，尝试通过引入掩星探测计划COSMIC提供的掩星观测资料，从中分析提取标高Hsc信息，对IRI顶部电离层廓线进行约束，从而提高IRI模型的精度，使其计算得到的顶部电子密度更接近真实的电离层情况。”这一研究工作已由郭鹏指导的博士研究生仵梦婕整理完成，发表在国际学术期刊《地球物理研究-空间物理学》（Journal of Geophysical Research-Space Physics）上。

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图1：电子密度轮廓线示例。 

　　图2：展示了这种标高约束改正的方法对IRI模型结果产生的影响。若以红色曲线代表的COSMIC实际观测得到的电子密度随高度变化的廓线为参考基准，那么不加入标高改正的IRI模型输出的电子密度廓线如绿色曲线所示，它在峰值高度以上的部分和参考基准有着较大的偏离。在加入标高约束改正之后，IRI 模型输出的电子密度廓线表示为蓝色曲线，它首先在标高的数值上同COSMIC观测值达到了统一，从而在顶部区域更加接近参考基准的变化情况。这一结果也佐证了利用标高模型来改进IRI模型的有效性，使IRI作为通用的电离层参考标准更加精准，更有说服力。