航天器軌道的精確計(jì)算在航天器測(cè)控、空間交會(huì)對(duì)接、空間目標(biāo)碰撞預(yù)警等任務(wù)中具有重要作用。為了準(zhǔn)確計(jì)算航天器在軌運(yùn)行軌道，需要精確掌握航天器在軌運(yùn)行中受到的攝動(dòng)力，這些攝動(dòng)力包括地球非球形引力、大氣阻力、太陽(yáng)光壓、潮汐力等。針對(duì)這些攝動(dòng)因素，研究者對(duì)其中絕大多數(shù)因素已經(jīng)構(gòu)建了精確度相當(dāng)高的物理或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如重力?chǎng)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比較高，成為影響低軌航天器精密定軌和軌道預(yù)報(bào)的最重要制約因素。
幾十年來隨著大氣探測(cè)技術(shù)的發(fā)展和探測(cè)數(shù)據(jù)的日益增多，人們對(duì)熱層大氣的變化規(guī)律有了更加深入的認(rèn)識(shí)，但由于熱層大氣的變化極其復(fù)雜，物理機(jī)制尚不清楚外，已有的大氣經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥陨硪泊嬖谌毕?，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(dá)到100%。因此，研究和掌握地磁暴期的大氣密度變化特征和規(guī)律，是改進(jìn)和建立高精度大氣模型的基礎(chǔ)。
為了研究地磁暴期間大氣密度變化特征，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室空間天氣預(yù)報(bào)中心苗娟研究員和博士生王昕，對(duì)2001-2008年期間的256個(gè)地磁暴事例，按照小、中、大3種磁暴強(qiáng)度對(duì)大氣密度變化特征、大氣密度與焦耳加熱分布特征進(jìn)行了詳細(xì)分析和研究。
研究結(jié)果揭示了焦耳加熱與大氣密度的位置和時(shí)間變化關(guān)系：小磁暴和中等磁暴期間，兩者峰值時(shí)間相差0-2hr，緯度相差0-10o；強(qiáng)磁暴期間時(shí)間相差3-5hr，緯度相差10-15o，緯度的差異可能是由中性風(fēng)的影響造成的。
圖1. (a)大氣密度滯后焦耳加熱峰值時(shí)間,（b）焦耳加熱峰值持續(xù)時(shí)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，（e-h）大氣密度變化量，(i-l) 大氣密度誤差
苗娟等在大氣密度和焦耳加熱變化關(guān)系研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加入地磁Dst指數(shù)和AE指數(shù)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(shù)，驗(yàn)證結(jié)果顯示修正后的大氣密度相對(duì)誤差（MRE）由40% 下降至 10% 。
相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際知名期刊JGR和Space Weather上。JGR審稿評(píng)價(jià)認(rèn)為“文章的結(jié)果與討論，有利于提高對(duì)熱層大氣中加熱和冷卻機(jī)制之間復(fù)雜相互作用的理解，這是目前該領(lǐng)域研究非常感興趣的一個(gè)話題，這些結(jié)論是當(dāng)前研究中重要的新發(fā)現(xiàn)”。
圖3. 大氣密度修正值（藍(lán)線），大氣密度實(shí)測(cè)值（紅線）和NRLMSISE-00模型計(jì)算值（黑線）的比較
Citation：
?。?）Wang, X., Miao, J., Aa, E., Ren, T.,Wang, Y., & Liu, J., et al. (2020).Statistical analysis of Joule heating and thermosphere response during geomagnetic storms of different magnitudes. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 125, e2020JA027966. . https://doi.org/10.1029/2020JA027966
?。?）Wang, X., Miao, J. , Lu, X., Aa, E., Liu, J., Wang, Y., & Liu, S. (2021). Latitudinal impacts of Joule heating on the high-latitude thermospheric density enhancement during geomagnetic storms. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 126, e2020JA028747. https://doi.org/10.1029/2020JA028747
（3）Wang, X., Miao, J., Lu, X., Aa, E., Luo, B., Liu, J., et al. (2022). Using temporal relationship of thermospheric density with geomagnetic activity indices and Joule heating as calibration for NRLMSISE-00 during geomagnetic storms. Space Weather, 20, e2021SW003017. https://doi.org/10.1029/2021SW003017
（供稿：天氣室）
