地磁暴期間大氣密度變化特征和模式修正研究獲進展

　　航天器軌道的精確計算在航天器測控、空間交會對接、空間目標碰撞預警等任務中具有重要作用。為了準確計算航天器在軌運行軌道，需要精確掌握航天器在軌運行中受到的攝動力，包括地球非球形引力、大氣阻力、太陽光壓、潮汐力等。針對這些攝動因素，研究者對其中絕大多數因素已經構建了精確度較高的物理或經驗模型，如重力場模型、潮汐模型等。但受到熱層大氣密度變化的不確定性影響，大氣阻力模型的誤差仍然較高，成為影響低軌航天器精密定軌和軌道預報的重要制約因素。

　　幾十年來隨著大氣探測技術的發展和探測數據的日益增多，人們對熱層大氣的變化規律有了更深入的認識，但由于熱層大氣的變化復雜，物理機制尚不清楚外，已有的大氣經驗模型自身存在缺陷，地磁平靜期各系列模型誤差平均在15％，地磁暴期間誤差甚至達到100%。因此，研究和掌握地磁暴期的大氣密度變化特征和規律，是改進和建立高精度大氣模型的基礎。

　　為了研究地磁暴期間大氣密度變化特征，中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室空間天氣預報中心研究員苗娟和博士生王昕，對2001-2008年期間的256個地磁暴事例，按照小、中、大三種磁暴強度對大氣密度變化特征、大氣密度與焦耳加熱分布特征進行了分析和研究。研究揭示了焦耳加熱與大氣密度的位置和時間變化關系：小磁暴和中等磁暴期間，兩者峰值時間相差0-2hr，緯度相差0-10o；強磁暴期間時間相差3-5hr，緯度相差10-15o，緯度的差異可能是由中性風的影響造成的。科研人員在大氣密度和焦耳加熱變化關系研究基礎上，進一步加入地磁Dst指數和AE指數與大氣密度變化的特征分析，建立了綜合的地磁暴大氣密度修正函數，驗證結果顯示修正后的大氣密度相對誤差（MRE）由40%下降至10% 。

　　相關研究成果發表在Journal of Geophysical Research和Space Weather上。Journal of Geophysical Research審稿評價認為，文章的結果與討論有利于提高對熱層大氣中加熱和冷卻機制之間復雜相互作用的理解，研究結論是當前研究中重要的新發現。

　　圖1.（a）大氣密度滯后焦耳加熱峰值時間,（b）焦耳加熱峰值持續時間

　　圖2.2003年11月20日地磁暴期間大氣密度及焦耳加熱位置變化：（a-d）焦耳加熱變化，（d-h）大氣密度變化量，（f-l）大氣密度誤差

　　圖3.大氣密度修正值（藍線），大氣密度實測值（紅線）和NRLMSISE-00模型計算值（黑線）的比較