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(gòu)成地球大氣的一個重要部分，當(dāng)中存在著相當(dāng)多的自由電子和離子，能夠使無線電波改變傳播速度，發(fā)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(huán)境的重要課題之一，也是進(jìn)行無線電通訊、廣播、導(dǎo)航和雷達(dá)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(shù)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(shù)——電子密度峰值NmF2，即電子密度最高的值；峰值對應(yīng)的高度hmF2，即電子密度達(dá)到峰值時對應(yīng)的地球大氣高度；電離層標(biāo)高Hsc。這些參數(shù)可以反映電離層的季節(jié)特性，隨地磁經(jīng)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(xué)過程息息相關(guān)。
“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(jìn)行實時觀測，然而這些探測設(shè)備無法覆蓋全球所有地方，也無法進(jìn)行連續(xù)不間斷的測量。因此許多學(xué)者嘗試通過收集電離層特征參數(shù)的觀測資料來對整個電離層建立相對可靠的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?rdquo;中國科學(xué)院上海天文臺副研究員郭鵬表示。
據(jù)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(biāo)準(zhǔn)方面有著極為廣泛的應(yīng)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(shù)函數(shù)來擬合電子密度的變化，不可避免地存在一定的不準(zhǔn)確性。
郭鵬說：“在過去的兩年內(nèi)，我們研究團(tuán)隊對頂部電離層模型進(jìn)行了深入的調(diào)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(biāo)高Hsc信息，對IRI頂部電離層廓線進(jìn)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(dǎo)的博士研究生仵夢婕整理完成，發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《地球物理研究-空間物理學(xué)》（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(biāo)高約束改正的方法對IRI模型結(jié)果產(chǎn)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(zhǔn)，那么不加入標(biāo)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(zhǔn)有著較大的偏離。在加入標(biāo)高約束改正之后，IRI 模型輸出的電子密度廓線表示為藍(lán)色曲線，它首先在標(biāo)高的數(shù)值上同COSMIC觀測值達(dá)到了統(tǒng)一，從而在頂部區(qū)域更加接近參考基準(zhǔn)的變化情況。這一結(jié)果也佐證了利用標(biāo)高模型來改進(jìn)IRI模型的有效性，使IRI作為通用的電離層參考標(biāo)準(zhǔn)更加精準(zhǔn)，更有說服力。
