高层大气是最易受到太阳和地磁活动影响的地球空间区域之一，它又是卫星运行的重要区域之一。太阳辐射的变化以及不同类型太阳风触发的地磁暴引起的高层大气扰动具有不同的特征，由此产生的热层大气密度变化和卫星轨道效应也不相同。空间天气学国家重点实验室中高层大气研究组近几年利用卫星以及子午工程探测数据对太阳和地磁周期性变化以及地磁暴引起的高层大气扰动以及对卫星轨道影响开展了系列研究工作。该系列研究成果发表在美国地球物理学会（American Geophysical Union, AGU）学术期刊《地球物理期刊》（Journal of Geophysical Research）上。
在高层大气周期性扰动及其效应研究方面，徐寄遥、王文斌和刘晓等人利用卫星和子午工程探测数据研究了太阳活动引起的高层大气密度和风场（7�C27天）周期性振荡，以及对卫星轨道高度的影响[Xu et al., JGR, 2011; Liu et al., JGR, 2014]。研究发现：卫星轨道高度对高层大气密度振荡的响应随振荡的周期线性地增大。因此，卫星轨道高度具有明显的27天周期的振荡。而卫星轨道高度对于周期分别为7天、9天和13.5天的高层大气密度振荡的响应相对较弱。同时，卫星轨道高度的周期性振荡与高层大气密度振荡存在π/2相位差。对不同高度大气密度和卫星轨道高度振荡的对比研究表明，卫星轨道高度越低越易受到大气密度扰动的影响。他们通过理论分析，对于这些特征给出了很好的理论解释。图1给出了大气密度周期性波动对CHAMP和GRACE卫星轨道高度影响随时间的演化。
在磁暴引起的高层大气扰动及其效应研究方面，陈光明、徐寄遥和王文斌等人开展了对日冕物质抛射（CME）和太阳风共转作用区（CIR）触发磁暴引起热层大气密度变化及对卫星轨道的影响的个例研究[Chen et al., JGR, 2012]，图2给出了其中的一个例子。研究发现热层大气密度和卫星轨道高度的变化与半球极光总功率有很好的相关性，但是滞后3-6小时。随后他们利用大量的磁暴事件开展了统计特征的研究[Chen et al., JGR, 2014]。结果表明，通常情况下，CME触发的磁暴期间输入功率常常很大，但持续时间较短，而CIR触发磁暴期间的输入功率较小，但持续时间较长。统计研究发现，这两类磁暴对卫星轨道的影响不同，CME触发磁暴期间的大气密度的增加和卫星轨道衰变率的峰值大于CIR触发的磁暴期间产生的效果，但是CIR触发磁暴引起的卫星轨道高度的总下降反而大于CME触发的强磁暴。这是由于磁暴对热层大气密度和卫星轨道衰变的总效应不但与磁暴的强度有关，还与磁暴的持续时间密切相关，而CIR触发磁暴的持续时间通常长于CME触发的磁暴。同时研究表明两类磁暴期间的卫星轨道总下降与总的极光能量注入之间存在着很好的相关性，相关系数达0.8。
这一系列研究工作对于进一步认识高层大气扰动以及对卫星轨道的影响有着重要的科学意义，同时对于空间天气预报模型的建立以及效应的研究也具有重要的应用价值。
相关链接：
1. http://www.agu.org/pubs/crossref/2011/2010JA015995.shtml
Citation: Xu, J., W. Wang, J. Lei, E. K. Sutton, and G. Chen （2011）, The effect of periodic variations of thermospheric density on CHAMP and GRACE orbits, J. Geophys. Res., 116, A02315, doi:10.1029/2010JA015995.
2. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2014JA020043/abstract
Citation: Liu, X., J. Xu, S. Zhang, G. Jiang, Q. Zhou, W. Yuan, J. Noto, and R. Kerr （2014）, Thermospheric planetary wave-type oscillations observed by FPIs over Xinglong and Millstone Hill, J. Geophys. Res. Space Physics, 119, 6891�C6901, doi:10.1002/2014JA020043.
3. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2012JA017782/abstract
Citation: Chen, G., J. Xu, W. Wang, J. Lei, and A. G. Burns （2012）, A comparison of the effects of CIR- and CME-induced geomagnetic activity on thermospheric densities and spacecraft orbits： Case studies, J. Geophys. Res., 117, A08315, doi:10.1029/2012JA017782.
4. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2014JA019831/abstract
Citation: Chen, G., J. Xu, W. Wang, and A. G. Burns （2014）, A comparison of the effects of CIR- and CME-induced geomagnetic activity on thermospheric densities and spacecraft orbits： Statistical studies, J. Geophys. Res. Space Physics, 119, doi:10.1002/2014JA019831.
图1： CHAMP卫星（上图）和GRACE卫星（下图）所在高度的大气密度（黑线）波动和卫星轨道高度大气密度（红线）波动随时间的变化。
图2. 2002年第140-153天期间F10.7指数、IMF的Bz分量(nT)、太阳风密度（cm-3)和速度(km/s)，Dst、ap和AE指数(nT)，半球极光能量、CHAMP卫星观测大气密度、轨道高度衰变率和地磁活动引起的卫星轨道高度总衰变。虚线表示磁暴的起始(ST)和结束(OV)时间。