月球引力潮汐调制的电离层变化

在地磁赤道两侧,地球大气的电离程度较高,在南北半球各形成一个驼峰结构,这被称为赤道电离异常(EIA)。该结构的强弱和所处位置,受到多种大气中的运动和电离层中电动力学过程的影响,驼峰结构的高度和位置都会相应的发生变化,如下图所示。

EIA驼峰结构及其位置变化的示意图

我所张东和教授和广西民族大学莫晓华副教授开展合作研究,连续发表数篇文章,对行星尺度波和月球潮汐调制EIA结构的现象和机制进行了深入研究。位于南宁的GPS接收机提供了长达10年的观测记录,从其中解算的电离层TEC数据给出了EIA结构所处的位置。利用这10年的观测,发现EIA结构的位置随地方时、季节、太阳活动性等条件发生规律性的变化,这些变化同时也相应的存在与赤道电集流(EEJ)的强度变化中 [Mo et al., 2018].

EIA结构所处的位置(上图)和EEJ的强度(下图)在10年间的变化。

近年的研究发现,在平流层增温现象(SSW)期间,EIA会更显著的受到大气中的潮汐和行星尺度波的影响。Mo et al. [2017]发现在SSW事件期间,EIA结构的变化中有16天左右的周期成分。该周期变化在南北半球同步发生,并且也存在于赤道电集流(EEJ)的变化之中。这些观测表明在SSW事件期间,存在与低层大气中的16日行星尺度波较易向上传播,直至电离层高度影响EIA结构;同时,跨赤道热层风的存在,使得南北半球的EIA驼峰结构的运动并不完全对称。

在2003, 2006和2009年的SSW事件期间,在亚洲和美洲扇区的EIA结构变化中同时发现了14-15天的周期变化,这一周期正好是月相周期(29.53天)的一半。研究认为,这是由于SSW事件带来了特殊的大气中性风背景,在该条件下月球对大气的引力潮汐被放大,影响到电离层高度的电动力学过程,这使月球抄袭对EIA结构的调制得以显现[Mo and Zhang, 2018]。

中国(a)和巴西(b)扇区EIA结构位置变化的小波分析;中国(c)和巴西(d)扇区EIA结构位置在2002-2003年SSW事件期间的变化,图中标注了同时期月相的变化,实心圆表示满月,空心圆表示新月。

Mo X H, Zhang D H, Goncharenko L, Zhang S R, Hao Y Q, Xiao Z, Pei J Z, Yoshikawa A, Chau H D. 2017. Meridional movement of northern and southern equatorial ionization anomaly crests in the East-Asian sector during 2002–2003 SSW. Science China Earth Sciences, 60: 776–785, doi:10.1007/s11430-016-0096-y

Mo, X. H., Zhang, D. H., Liu, J., Hao, Y. Q., Ye, J. F., Qin, J. S., Wei, W. X., & Xiao, Z. (2018). Morphological characteristics of equatorial ionization anomaly crest over Nanning region. Radio Science, 53, 37–47. https://doi.org/10.1002/2017RS006386

Mo, X. H., & Zhang, D. H. (2018). Lunar tidal modulation of periodic meridional movement of equatorial ionization anomaly crest during sudden stratospheric warming. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 123, 1488–1499. https://doi.org/10.1002/2017JA024718