对流输运在极区电离层F层大尺度等离子体结构形成演化中的作用研究

Owing to the transport of high-density sunlit plasma from dayside to nightside primarily by convection, polar cap tongue of ionization (TOI), polar cap patches are common features in the polar ionosphere. TOI, polar cap patches distributed in the polar cusp, polar cap, and at midnight auroral latitudes usually manifest as significant space weather problems giving variable disturbances to signals of high-frequency radio communications, over-the-horizon radar, and polar-orbiting satellites. Based on the previous investigation results, this program focuses on the convection transportation role mechanism in polar ionospheric F-layer large-scale plasma structures. Using GPS TEC data, EISCAT and Poker Flat Incoherent Scatter Radar (ISR) data and SuperDARN convection data, the occurrence patterns and evolution characteristics of the polar ionospheric F-layer large-scale plasma structures in different seasons of different solar-activity years will be studied. Through analyzing the variation of convection strength and pattern during the formation and evolution of the polar ionospheric F-layer large-scale plasma structures, the convection role mechanism in formation and evolution of the polar ionospheric F-layer large-scale plasma structures is expected to be revealed. We will also investigate the correlation between the polar ionospheric F-layer large-scale plasma structures and the solar wind and interplanetary magnetic field parameters to get the control mechanism of dayside and night-side magnetic reconnection in the polar ionospheric F-layer large-scale plasma structures formation and evolution processes.

在对流输运作用下，日侧光电离高密度等离子体从高纬通过极隙、穿越极盖到达夜侧。此过程经常伴随产生TOI、极盖等离子体云块等极区F层大尺度等离子体结构，影响短波、超视距通信和低轨卫星的正常运行及其与地面的通信。本项目针对对流输运在极区F层大尺度等离子体结构，TOI及等离子体云块形成演化中的作用机理问题，主要利用GPS/TEC、EISCAT和Poker Flat非相干散射雷达观测数据、SuperDARN对流数据，统计研究不同太阳活动水平、不同季节的极区F层大尺度等离子体结构的发生规律和演化特征；分析大尺度等离子体结构形成演化过程中的对流强度、形态变化，揭示对流过程在大尺度等离子体结构形成演化中的作用机制；分析太阳风参数、行星际磁场参数同大尺度等离子体结构形成演化的相关性，揭示日侧磁重联和夜侧磁重联对大尺度等离子体结构形成演化的控制机理。

极盖等离子体云块是扰动条件下极区电离层较为常见的一种现象，也是地球空间主要灾害性天气之一。对于等离子体云块形成演化的研究，一方面有助于深入理解极区电离层自身物理过程以及太阳风-磁层-电离层耦合过程，另一方面可为短波通信和超视距通信时机提供参考、为灾害性天气预测奠定基础。本项目针对对流输运在极区F层大尺度等离子体结构，TOI及等离子体云块形成演化中的作用机理问题，主要利用GPS/TEC、SuperDARN对流数据，统计研究不同太阳活动水平、不同季节的极区F层大尺度等离子体结构的发生规律和演化特征；分析大尺度等离子体结构形成演化过程中的对流强度、形态变化，揭示对流过程在大尺度等离子体结构形成演化中的作用机制；分析太阳风参数、行星际磁场参数同大尺度等离子体结构形成演化的相关性，揭示日侧磁重联和夜侧磁重联对大尺度等离子体结构形成演化的控制机理。.提出三种同对流密切相关的切割TOI形成等离子体云块的机制：（1）随对流运动的低密度等离子体在极隙区直接对TOI结构进行物理切割；（2）TOI结构局部对流速度矢量时空变化剧烈，使周围低密度卷入、TOI结构内部等离子体复合率有所差异，同时形成高低密度相间的等离子体区域；（3）“化学切割”TOI结构。.统计分析了IMF By/Bz分量对等离子体云块演化的影响，结果显示，等离子体云块在负向IMF By(昏侧指向晨侧)/Bz(南向)时的演化特征更明显于正向IMF By(晨侧指向昏侧)/Bz(北向)。IMF By<0比By>0演化特征更明显的原因主要有：当IMF By<0时，对流形态有利于昏侧高密度SED输运进入极盖；对流输运高密度经过极隙区时间长，极隙区粒子沉降起到维持高密度的作用；在日侧，共转电场对等离子体作用与等离子体进入极盖的方向相一致。当IMF Bz南向（负）时，对流呈现典型双涡形态，在极盖表现为逆阳流，当极盖边界扩张越过晨昏线时，足以使对流将高密度等离子体输运进入极盖，有利于等离子体演化；当Bz北向（正）时，对流呈现复杂多涡结构，且伴随极盖面积缩小，不利于对流输运日侧等离子体进入极盖。

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