foF2达喀尔站极静地磁活动季节不对称日变化研究

摘要

本文研究了1976 - 1995年达喀尔站foF2季节不对称日变化特征。我们表明，春分不对称性不太明显，在整个21和22个太阳周期的某个地方是不存在的。赤道不对称性的缺失可能是由于罗素-麦菲龙机制和垂直漂移 ．达喀尔电离层探空仪测得的至日异常或年异常在21和22个太阳周期内都能观测到。的最大负值σ在至日下降阶段，foF2基本等于-65%;这个值通常出现在0200 LT，除了在2300lt观测到的最大相位。最大的正值，相当等于+94%，在0600 LT观测到的太阳极小期在夏至时间。这种年不对称可能是由于中性成分的不对称变化和太阳辐射与至日时间的年不对称。在所有太阳活动周期阶段，半年不对称现象也被观测到。最大正值(+73%)出现在太阳活动高峰期2300lt，最大负值(-12%)出现在日增阶段。作为年不对称的例子，我们确定这种不对称不能用垂直速度的不对称来解释 但这种现象是由轴向机制、“热层勺子”机制和季节性变化的涡流混合现象造成的。

1.简介

电离层F2层在高频无线电通信中起着重要的作用。自1901年马可尼号跨大西洋无线电传输成功以来，对电离层参数变化进行了多次研究。他们中的许多人关注在F2层参数中观察到的季节不对称性，如峰值电子密度(NmF2)，总电子含量(TEC)，或临界F2层频率(foF2) [1- - - - - -17］．本文研究了达喀尔站(Lat: 14.8°N;长:342.6°E)，非洲赤道电离异常(EIA)区域站，利用该电离层探空站计算的foF2值。研究期间包括从1976年到1995年的第21太阳周期(SC 21)和第22太阳周期(SC 22)，并涉及太阳的四个阶段(最小、增加、最大和减少阶段)。这项调查涉及非常安静的地磁活动(VQA)。赤道不对称性可以用三种机制来解释:(1)轴向机制[18，19，(2)春分机制[2，18- - - - - -21]，以及(3)罗素-麦菲龙机制[15］．本研究的目的是指出这些机制中，可以用于达喀尔离子探空站的情况下。冬至不对称被[22年不对称或非季节不对称一般用日地距离的变化来解释。这种变化可能是由于(1)O/O的变化₂调节F2层电子损失系数的比率[23被称为“Buonsanto假说”[22]，(2)电离通量7%的变化，以及(3)星际微粒辐射[24］．我们将看到可以为这种不对称类型调用哪个过程。

论文概要如下:第二部分是数据和分析方法，第三部分是我们的结果和讨论，最后是结论。

2.数据和方法

2.1.数据

本文所涉及的数据为(1)达喀尔站的foF2电离层时间变化值。该站从1950年到1996年12月运行。本研究涉及的数据区间为1976-1995年，涉及SC 21和SC 22;(2)苏黎世太阳黑子数(Rz)对太阳周期相位的影响;和(3)马约德[25- - - - - -28地磁指数aa表示地磁活动的影响。本研究通过考虑季节影响来分析foF2的日变化。

2.2.方法

2.2.1.测定地磁活动的方法

根据[建立的地磁指数Aa与太阳风速度的强相关性18，它是众所周知的，根据[29- - - - - -31]，干扰活动的特征是 并将其分为三组:(1)由太阳强气流和共旋相互作用区(CIRs)引起的周期性活动;(2)由日冕物质抛射(cme)和磁云引起的激波活动;太阳日板的波动和平静活动的后果的特点是 ．对于一个季节中众所周知的地磁安静活动影响，我们不使用安静日作为foF2时间变化的参考水平，如[32，33但要用最安静的日子。值得注意的是，在一定时期内，[28指出，最安静的日子是通过服用获得的 ．每日的Aa值可从以下网站获取:http://isgi.unistra.fr/data_download.php．

2.2.2.确定太阳活动周期阶段的标准

太阳活动周期的阶段由[29，32- - - - - -34]:(1)最小相位: ，式中Rz为年平均值Zürich太阳黑子数;(2)提升阶段: 和Rz大于上一年值;(3)最大的阶段: (对于小太阳周期(太阳黑子数最大(Rzmax)小于100的太阳周期)，通过考虑得到最大相位 ）;(4)下降阶段: Rz小于前一年的值。

2.2.3.春分和冬至月的确定

一年多的季节是(1)春(3月、4月、5月)，(2)夏(6月、7月、8月)，(3)秋(9月、10月、11月)，(4)冬(12月、1月、2月)。本文讨论了春分月份:(1)3月春分(3月和4月或M-A)和(2)9月春分(9月和10月或S-O)和至日时间:(1)6月至日(6月和7月或J-J)和(2)12月至日(12月和1月或D-J)。

2.2.4.数据分析方法

本文研究了达喀尔站在21号至22号期间的秋分至至日foF2日时间变化的季节不对称性。

(1)分别在3 - 4月和9 - 10月的春分不对称(M-A和S-O)和(2)6 - 7月和12 - 1月的冬至不对称(J-J和D-J)的形态或定性估计如下: 在哪里误差条是否包含数据图方差由定义吗 与平均值和一个特定数据集的总观测次数。

给出了不对称性的定量估计方法foF2表示为

在哪里与3月分(M-A)和6月至(J-J)的2小时平均值有关是九月分(S-O)和十二月至(D-J)。

3.结果与讨论

3.1.结果

数据1- - - - - -4关注foF2和σfoF2在四个太阳周期阶段的日变化，分别为太阳周期SC 21和SC 22的最小、上升、最大和下降。左列为foF2日变化剖面，右列为相对偏差日变化剖面。“(a)”、“(b)”和“(c)”分别用于春分月(M-A和S-O)、冬至月(J-J和D-J)以及冬至和春分季节。全线为M-A月、J-J月或春分月(M-A月和S-O月)的foF2日变化，断线为S-O月、D-J月或至日月(J-J月和D-J月)的日变化。

数字1(一)foF2剖面(左列)双峰，一个波谷位于1200 LT，午后波幅高于上午波峰。夜间S-O曲线在2300lt处观察到一个峰值。这个观察结果与[8在科霍戈车站。相对于M-A图所示的误差条，1900 ~ 2100 LT和2200 LT以后~ 0000 LT之前的S-O曲线高于M-A的S-O曲线，从而突出了分点不对称性。事实上,σfoF2曲线(右列)显示，除0100 LT后至0300 LT前、日间(0800 LT后至1000 LT前、1400 LT至1700 LT)和夜间(2100 LT后至2300 LT前)外，S-O foF2值始终大于M-A值。的σfoF2的最小值(-38%)出现在2300 LT，最大值(+46%)出现在2200 LT。

数字1 (b)显示了一个foof2剖面(左列)，在D-J曲线1200 LT处有两个峰和一个波谷。在J-J曲线中，我们观察到在1700 LT有一个下午的峰值。由于剖面形态的不同，这张图突出了至日不对称性;事实上，对于J-J图中显示的误差条，J-J的foF2值在0500 LT到0700 LT之间大于D-J，而在0800 LT到1500 LT和2000 LT到0500 LT之间低于D-J的foF2值。σfoof2值(在(b)中)强调D-J的foof2值总是大于J-J的值，除了0500 LT到0700 LT之后和1600 LT到1900 LT之后。σfoF2的最小值(-58%)出现在0200 LT，最大值(+94%)出现在0600 LT。

数字1 (c)显示了一个foof2剖面(左列)，两条曲线都有两个峰和一个位于1200 LT的波谷。上午峰值的振幅(在冬至月为1000 LT，在春分时为1100 LT)小于下午峰值的1700 LT。由于春分曲线总是在冬至曲线之上，主要在白天，因此半年不对称现象更加突出。σfoF2值突出表明，除夜间(2200 LT et 0000-0100 LT)和日出前(0500 LT)外，春分的foF2值总是大于至日。最大负值(-9%)出现在2200 LT，最大正值(+30%)出现在临近下午高峰期间(1600-1700 LT)。

数字2是专为递增阶段。数字2(一个)关于春分月份的图表。foF2日廓线呈双峰型，在1200 LT处有一个波谷，下午的波谷大于上午的波谷。只有S-O图显示了2300 LT的夜间峰值。这两条曲线显示了白天(0700-1700 LT)和夜间(2200-0200 LT，除了0000-0100 LT左右)与M-A图中显示的误差柱的差异。这种情况显示了春分不对称。σ除了0300 lt左右，其他时间foF2均为负值，因此M-A的foF2均小于S-O的foF2，除了0300 ltσfoF2在0300 LT时出现+10%，在2300 LT时出现最大负值(-37%)。

数字2 (b)显示至日月曲线。D-J曲线有三个峰和两个波谷(一个位于1200 LT，另一个位于1600 LT)。上午振幅峰值(位于1000 LT)高于下午。J-J曲线在1700 LT处有一个下午高峰，在D-J的第二个下午高峰后1小时。只有D-J图在0100 lt呈现夜间高峰，两者剖面的差异突出了至日的不对称性;事实上，JJ的foF2值在0500 LT到0700 LT之间高于DJ，在0800 LT到1500 LT和2000 LT到0500 LT之间低于JJ图表中的误差条。σfoF2值显示，除了0500 ~ 0700 LT和1600 ~ 1900 LT之后，D-J的foF2值始终大于J-J。σfoF2在0200 LT出现最大负值(-63%)，在0600 LT出现最大正值(+70%)。

数字2 (c)在foF2剖面中，两条曲线都有一个波谷，波谷位于1200 LT，但春分月的波谷不像冬至月的波谷那么明显。上午的峰值振幅(1000 LT)比下午的峰值振幅(1700 LT)小。然后，由于春分曲线总是在至日曲线之上，主要在白天(1000-1800 LT)，半年不对称更加突出。除此之外,σ秋分月的foF2值除0000 LT左右和日出前(0300-0500 LT)外，始终大于至日。σfoF2在0300 LT时出现最大负值(-12%)，在2300 LT时出现最大正值(+26%)。

数字3.关注最大相位曲线。数字3(一个)显示春分月图表。S-O曲线为双峰，在1200 LT处有一个波谷，M-A曲线为一个早峰。只有S-O图在2300低温时出现夜间峰值，需要注意的是M-A图在2300低温时没有观测到的值。夜间观测到的分点不对称性，在M-A图中所示的误差柱上，由1900 - 0100 LT和0300 - 0500 LT的值差异更能表示出来。σ0000 ~ 0200 LT、0700 LT左右和1500 ~ 2200 LT为负值，M-A的foF2值在这些时间段比S-O的foF2值要低，在日出前(0300 ~ 0600 LT)和白天(0800 ~ 1400 LT)较大。σfoF2在2200 LT时出现最大负值(-28%)，在0400 LT时出现最大阳性(+19%)。

数字3 (b)与冬至月曲线有关。D-J曲线有三个峰，有两个波谷(第一个在1700 LT，第二个在2000 LT)。该曲线在1000 LT观测到的上午峰值振幅(14.27 MHz)高于下午和晚上。在J-J曲线上，1600 LT出现一个下午的峰值。D-J曲线显示在2100 LT有一个夜间峰值，但是J-J没有。由于两种剖面的不同，这幅图突出了至日不对称;事实上，除了日出后(0500-0700 LT)，对于J-J图中的误差条，J-J foF2的值一直低于D-J foF2的值。事实上,σfoof2图突出显示，除了0500 LT到0700 LT之后，D-J的foof2值始终大于J-J。σfoF2的最小值(-57%)出现在2300 LT，最大值(+21%)出现在0600 LT。

数字3 (c)在春分月曲线上，有两个峰和一个波谷，位于1400 LT;上午的峰值振幅(13.78 MHz)位于1100 LT，与下午的峰值振幅(1700 LT)相当相等。另一方面，至日月曲线在1200 LT呈现一个高原，有一个轻槽。春分月曲线在2300 LT呈现一个夜间峰值(15.32 MHz)，但有一个至日月没有。除了日出(0600-0700 LT)和日落(1900-2000 LT)，春分曲线始终高于至日曲线，因此半年不对称现象更加突出。σfoF2的值强调了秋分月的foF2值总是高于冬至月的foF2值，因为它们的值是正的，在2300 LT观测到最大值(+73%)。

数字4与递减相曲线有关。数字4(一)呈现春分月曲线。在1300 LT和0300 LT都有一个下午峰值和一个轻微波谷，在0300 LT都有一个晚上峰值。除了晚上(2300 LT-0100 LT)， M-A曲线总是高于S-O曲线。这种情况表明，与M-A图中显示的误差柱相比，昼夜分点不对称在白天(0800-1600 LT)和夜间(0000 LT-0100 LT和0200-0500 LT)表现得更为明显。除此之外,σ除了1900 - 2000 LT和2300 - 0100 LT外，所有时间的foF2值都是正的。因此，M-A的foF2值在这些时间段比S-O的foF2值要低，而在剩余时间则要大。的σfoF2在0100 LT时最小值为-26%，在0200 LT时最大值为+34%。

数字4 (b)与冬至月曲线有关。D-J曲线有三个峰和两个波谷(一个位于1400 LT，另一个位于2200 LT)。上午振幅峰值位于1100 LT，高于下午振幅峰值。J-J曲线显示了1800 LT的下午峰值。D-J曲线显示了2300 LT的夜间峰值，但J-J曲线没有。两种剖面形态的差异突出了至日不对称性;事实上，除了日出(0600-0800 LT)， J-J foF2值在所有时间内都低于D-J foF2值，在J-J图中显示的误差条中。σ除0600-0700 LT日出外，foF2的值始终为负，在0200 LT时最大为负(-65%)，在0700 LT时最大为正(+39%)。

数字4 (c)呈现春分和冬至月线图。所有foF2的剖面都显示了一个下午的峰值和一个位于1300 LT的轻微波谷。两幅图都显示了一个夜间的峰值，夏至月在0200 LT，春分月在0300 LT。除0200 LT左右和0500-0600 LT日出期间，春分曲线始终高于冬至曲线;因此，半年不对称被突出。σ秋分月的foF2值强调了秋分月的foF2值在除0200 LT左右和日出(0500-0600 LT)外的其他时间都高于冬至月。0000 LT时阳性最大值为+48%，0500 LT时阴性最大值为-14%。

3.2.讨论

这项研究表明，一般来说，达喀尔站的分点不对称性不太明显[35而在太阳活动周期的所有阶段，白天的某个地方是不存在的。春分不对称是由于在两个春分期间的电离不对称，尽管在两个春分期间太阳天顶角保持相同的特征。这个课题在最近的刊物中已被广泛讨论[8，19- - - - - -21，36，37］．人们提出了多种机制来解释这种不对称性，如电离层电场的变化、地磁活动、通过二分点的太阳风变化、热层化学成分的不对称变化和罗素-麦菲龙机制。［13]在尼亚美车站及[8]表明赤道不对称性主要是由于在这些非洲赤道异常区电离层的所有季节(春季和秋季)的罗素-麦菲龙机制造成的。然后，人们可以期待在春分月份有“没有春分不对称”。

但是,(6这表明，即使罗素-麦菲龙撞击是解释春分不对称的主要机制，寻找可以解释这一现象的其他机制仍然很重要。从他们1994年至2004年在ROCSAT-1卫星上的观测工作来看，[21，38]表明赤道不对称性是由于垂直漂移速度的不对称性造成的 在赤道纬度的电离层。它们还表明，PRE机制的不对称性可能与东热层风的不对称性有关。然而，我们观察到PRE不对称，因为它发生在秋季而不是春季。然后是垂直漂移速度 在赤道纬度，电离层也被认为可以解释赤道不对称性，如[20.］．

冬至不对称被称为冬季异常，在整个太阳活动周期阶段都可以观测到。σfoF2的最大负值(-65%)出现在下降阶段，最大正负值(+94%)出现在最小阶段。总的来说，在D-J曲线中观测到的夜间峰值在J-J图中没有观测到。此外，D-J的曲线(冬季)高于J-J的曲线(夏季);那么，冬季异常明显，在夜间仍然存在，与[的结论相反。39］．一些作者认为这种不对称可能是由于中性成分的变化[8，39- - - - - -45］．根据(43]时，这一变化可引起O/N的增强₂由于原子氧对流从夏季半球到冬季半球的比率。否则,为46，47]，这种电离层F区中性成分的异常变化可能与热层风的季节性变化有关。根据(48]，冬季和夏季气动参数的不对称变化，主要是热层参数、EUV辐射强度和复合速率β，原子氧浓度[O]是冬季异常现象的主要原因。如果根据[23),这种异常现象是由于太阳辐射强度的强度由于地球太阳能冬至点之间的距离的变化(地球在近地点)和夏至在远地点(地球),太阳电离辐射通量不能得出的唯一因素(22］．结果表明，冬季和夏季的差异主要是由于太阳高速风的振幅。由于这种类型的风可以是行星际微粒辐射的来源，因此，观测到的年度不对称可能是由于[24)的过程。

在所有太阳周期阶段的白天都可以观测到半年一次的不对称现象。在夜间观测到的最大和减少的相位比最小和增加的相位要多。这种现象的特点是，在春秋分点的月份，电离现象比在至日的月份更明显。关于它已经做了许多研究。［49]表明，在赤道电离层纬度，它可以解释为不对称观测垂直漂移速度 ．然而，我们观察到垂直漂移速度不存在不对称性 ；因此，垂直漂移速度 不可能是半年一次的异常。否则,如果(50]表明它可以用地面高大气温度变化的变化来解释，根据[40，51]，这是由于低纬度中性大气密度随地磁活动半年变化所致。所建议的轴向机构[52]在很大程度上解释了这种半年一次的异常。事实上，在春分月份，由于地球的日晷纬度约为7°，因此地球暴露在太阳的高空气流中。必威2490此外,(53]表明存在一种被称为“热层勺子”的现象，这是在冬至时全球范围内的半球间环流。它就像一个巨大的湍流漩涡，混合着主要的热层物种。与春分月相比，这些涡旋会降低冬至月的氧原子密度。这种现象导致大气在至日“压缩”，这可以解释半年一次的异常现象。此外，根据TIMED/GUVI卫星的观测和模型研究(例如TIE-GCM)分析，[54]表明中顶区存在涡旋扩散现象。这些涡旋扩散被称为涡旋混合现象，在二至点比二分点更重要;因此，它们将是半年不对称的原因之一。

4.结论

结果表明，达喀尔站的春分不对称性较弱。夏至不对称(年度异常)在太阳活动周期的所有阶段都可以观测到。半年不对称现象在所有太阳周期阶段均可观测到;在夜间，最大值和递减期比最小值和递增期表现得更明显。的最大负值σfoF2(-65%)出现在下降阶段，最大正1(+94%)出现在最小阶段。一般来说，在J-J月和M-A月没有观测到D-J月和S-O月的夜间峰值。因此，PRE机制存在春分、年、半年的不对称性。

数据可用性

支持我们研究结果的太阳黑子数据可以在http://www.sidc.be/silso/datafiles．地磁aa指数数据可在http://isgi.unistra.fr/data_download.php．

的利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢布列塔尼的布列斯特电信公司提供达喀尔电离层探空仪数据。非常感谢ISGI数据中心提供他们的数据中心。

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