高層大氣是衛(wèi)星運(yùn)行的重要區(qū)域之一，也是最容易受到太陽(yáng)和地磁活動(dòng)影響的地球空間區(qū)域之一。太陽(yáng)輻射的變化以及不同類型太陽(yáng)風(fēng)觸發(fā)的地磁暴引起的高層大氣擾動(dòng)具有不同的特征，而由此產(chǎn)生的熱層大氣密度變化和衛(wèi)星軌道效應(yīng)也不盡相同。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中高層大氣研究組近幾年利用衛(wèi)星和子午工程探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)太陽(yáng)和地磁周期性變化以及由地磁暴引起的高層大氣擾動(dòng)，及其對(duì)衛(wèi)星軌道的影響開(kāi)展了系列研究工作。相關(guān)系列研究成果發(fā)表在美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)（American Geophysical Union, AGU）學(xué)術(shù)期刊《地球物理期刊》（Journal of Geophysical Research（JGR）：Space Physics）上。
在高層大氣周期性擾動(dòng)及其效應(yīng)研究方面，徐寄遙、王文斌和劉曉等人利用衛(wèi)星和子午工程探測(cè)數(shù)據(jù)研究了太陽(yáng)活動(dòng)引起的高層大氣密度和風(fēng)場(chǎng)（7–27天）周期性振蕩，以及對(duì)衛(wèi)星軌道高度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星軌道高度對(duì)高層大氣密度振蕩的響應(yīng)隨振蕩的周期線性地增大。因此，衛(wèi)星軌道高度具有明顯的27天周期性振蕩。而衛(wèi)星軌道高度對(duì)于周期分別為7天、9天和13.5天的高層大氣密度振蕩的響應(yīng)相對(duì)較弱。同時(shí)，衛(wèi)星軌道高度的周期性振蕩與高層大氣密度振蕩存在π/2相位差。對(duì)不同高度大氣密度和衛(wèi)星軌道高度振蕩的對(duì)比研究表明，衛(wèi)星軌道高度越低越易受到大氣密度擾動(dòng)的影響。圖1給出了大氣密度周期性波動(dòng)對(duì)CHAMP和GRACE衛(wèi)星軌道高度影響隨時(shí)間的演化。
在磁暴引起的高層大氣擾動(dòng)及其效應(yīng)研究方面，陳光明、徐寄遙和王文斌等人開(kāi)展了對(duì)日冕物質(zhì)拋射（CME）和太陽(yáng)風(fēng)共轉(zhuǎn)作用區(qū)（CIR）觸發(fā)磁暴引起熱層大氣密度變化及其對(duì)衛(wèi)星軌道影響的個(gè)例研究。研究發(fā)現(xiàn)，熱層大氣密度和衛(wèi)星軌道高度的變化與半球極光總功率有很好的相關(guān)性，但是滯后3至6小時(shí)。隨后，研究組利用大量磁暴事件開(kāi)展了統(tǒng)計(jì)特征的研究。結(jié)果表明，通常情況下，CME觸發(fā)的磁暴期間輸入功率常常很大，但持續(xù)時(shí)間較短，而CIR觸發(fā)磁暴期間的輸入功率較小，但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，這兩類磁暴對(duì)衛(wèi)星軌道的影響不同，CME觸發(fā)磁暴期間大氣密度的增加和衛(wèi)星軌道衰變率的峰值大于CIR觸發(fā)的磁暴期間產(chǎn)生的效果，但是CIR觸發(fā)磁暴引起的衛(wèi)星軌道高度的總下降反而大于CME觸發(fā)的強(qiáng)磁暴。這是由于磁暴對(duì)熱層大氣密度和衛(wèi)星軌道衰變的總效應(yīng)不僅與磁暴強(qiáng)度有關(guān)，還與磁暴持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)，而CIR觸發(fā)磁暴的持續(xù)時(shí)間通常長(zhǎng)于CME觸發(fā)的磁暴。研究還表明，兩類磁暴期間的衛(wèi)星軌道總下降與總的極光能量注入之間存在著很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.8。
這一系列研究工作對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)高層大氣擾動(dòng)，及其對(duì)衛(wèi)星軌道的影響具有重要的科學(xué)意義，同時(shí)對(duì)于空間天氣預(yù)報(bào)模型的建立以及效應(yīng)研究也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
圖1： CHAMP衛(wèi)星（上圖）和GRACE衛(wèi)星（下圖）所在高度的大氣密度（黑線）波動(dòng)和衛(wèi)星軌道高度大氣密度（紅線）波動(dòng)隨時(shí)間的變化。
圖2：2002年第140-153天期間F10.7指數(shù)、IMF的Bz分量(nT)、太陽(yáng)風(fēng)密度（cm-3)和速度(km/s)，Dst、ap和AE指數(shù)(nT)，半球極光能量、CHAMP衛(wèi)星觀測(cè)大氣密度、軌道高度衰變率和地磁活動(dòng)引起的衛(wèi)星軌道高度總衰變。虛線表示磁暴的起始(ST)和結(jié)束(OV)時(shí)間。
