上海天文臺在頂部電離層模型改進研究中取得進展

　　在受到太陽高能輻射以及宇宙線的激勵后，60千米以上的地球大氣層被部分電離甚至完全電離，形成了電離層。電離層是構成地球大氣的一個重要部分，當中存在著相當多的自由電子和離子，能夠使無線電波改變傳播速度，發生折射、反射和散射。對電離層的研究不僅是探索地球外部空間環境的重要課題之一，也是進行無線電通訊、廣播、導航和雷達定位等人類通訊活動的必要需求。

　　電離層的主要特性由電子密度、電子溫度、碰撞頻率、離子密度和離子溫度等空間分布的基本參數來表示。其中最重要的研究對象是電子密度隨高度的分布。圖1所示的電子密度廓線中，存在幾個重要的電離層特征參數——電子密度峰值NmF2，即電子密度最高的值；峰值對應的高度hmF2，即電子密度達到峰值時對應的地球大氣高度；電離層標高Hsc。這些參數可以反映電離層的季節特性，隨地磁經緯度的變化和電子密度的梯度變化等，并且同電離層溫度變化和動力學過程息息相關。

　　“測量電子密度的最理想手段是通過精確的電離層探測儀進行實時觀測，然而這些探測設備無法覆蓋全球所有地方，也無法進行連續不間斷的測量。因此許多學者嘗試通過收集電離層特征參數的觀測資料來對整個電離層建立相對可靠的經驗模型。”中國科學院上海天文臺副研究員郭鵬表示。

　　據郭鵬介紹，其中最著名的電離層模型是國際參考電離層模型（International Reference Ionosphere； IRI），通過讀取NmF2和hmF2的模型值，再計算特定時間和地理位置處的垂直電子密度分布。IRI模型在提供電離層氣候模式和電離層參考標準方面有著極為廣泛的應用。然而在較高的高度即頂部電離層，IRI模型則通過一個類似指數函數來擬合電子密度的變化，不可避免地存在一定的不準確性。

　　郭鵬說：“在過去的兩年內，我們研究團隊對頂部電離層模型進行了深入的調研和分析，嘗試通過引入掩星探測計劃COSMIC提供的掩星觀測資料，從中分析提取標高Hsc信息，對IRI頂部電離層廓線進行約束，從而提高IRI模型的精度，使其計算得到的頂部電子密度更接近真實的電離層情況。”這一研究工作已由郭鵬指導的博士研究生仵夢婕整理完成，發表在國際學術期刊《地球物理研究-空間物理學》（Journal of Geophysical Research-Space Physics）上。

圖1：電子密度輪廓線示例。

圖2：展示了這種標高約束改正的方法對IRI模型結果產生的影響。若以紅色曲線代表的COSMIC實際觀測得到的電子密度隨高度變化的廓線為參考基準，那么不加入標高改正的IRI模型輸出的電子密度廓線如綠色曲線所示，它在峰值高度以上的部分和參考基準有著較大的偏離。在加入標高約束改正之后，IRI 模型輸出的電子密度廓線表示為藍色曲線，它首先在標高的數值上同COSMIC觀測值達到了統一，從而在頂部區域更加接近參考基準的變化情況。這一結果也佐證了利用標高模型來改進IRI模型的有效性，使IRI作為通用的電離層參考標準更加精準，更有說服力。