NO由原子氮和氧分子化学反应产生，该气体是低热层重要的气体之一：一方面它是产生电离层D和E层电子密度的主要中性大气来源，其分布特征直接影响低电离层电子密度的形态特征；另一方面它是低热层主要的辐射冷却源，NO的时空分布直接影响到该区域能量的变化；此外，低热层受到来自上层如太阳和地磁活动的调控，同时又与下层区域如中间层大气发生耦合作用，是连接上下层的关键区域，因此对NO的分布特征研究和其对上下层的响应研究都具有十分重要的意义.

目前主要通过卫星手段对NO进行测量，包括OGO -4（Orbiting Geophysical Observatory）卫星、SME（Solar Mesosphere Explorer）卫星、AE（Atmosphere Explorer）系列卫星、UARS（Upper Atmosphere Research Satellite）搭载的HALOE（Halogen Occultation Experiment）以及SNOE卫星等.研究人员利用这些卫星探测的数据，对低热层NO形态分布和变化特征进行了一些研究.在1978年Cravens等^[1]就对电离层E层高度区域NO的全球形态分布特征进行了一些介绍；Barth等早在1973年^[2]就利用AE卫星对NO进行了观测实验；在1988年^[3]初步证实了低纬地区热层NO密度的变化主要由波段在2~10 nm太阳软X射线引起；在1992年^[4]利用SME卫星观测数据认为NO密度随高度变化，且最大值位于110 km高度处；在1996年^[5]综述了热层NO模式的进展情况；在1999年^[6]利用SNOE卫星观测的太阳软X射线辐射和热带地区上空NO密度数据，计算了两者之间的相关性，同时还检验了一个以太阳软X射线流量为输入参数的光化学模式的模拟能力；在2003年^[7]对全球低热层NO分布特征进行了较为全面的研究，结果表明中低纬地区NO受到太阳软X射线的作用，而高纬地区则受到电子沉降的作用，在磁暴发生时，向赤道风场能够将极光区的扰动传递到中纬地区；在2009年^[8]和2010年^[9]研究了磁暴期间热层NO的变化特征，结果表明焦耳加热在高纬地区形成了重力波，引起140 km高度处NO的增加，有时这种现象能够出现在110 km高度处.此外，Sætre等^[10]利用SNOE卫星探测的NO数据，研究了1998年5月2日一次磁暴期间电子沉降对热层不同高度NO的作用，认为1 keV的电子能量可以产生约8个NO；Solomon等^[11]分别利用DMSP和SNOE卫星测量的高纬地区夜间极光边界指数和SNOE卫星观测的NO密度数据进行了统计分析，结果表明极光活动与NO密度有很强的相关关系，并且滞后极光活动约1天时间；Lu等^[12]研究了磁暴期间焦耳加热作用以及NO辐射冷却热层大气能量的作用.

虽然已经有一些关于热层NO密度同太阳及地磁活动的研究，但是大部分工作关注极区粒子沉降的作用，且研究的区域集中在高纬地区，关于太阳活动对NO作用的研究较少，没有给出详细的定量统计结果.因此本文使用SNOE卫星观测的共计935天NO密度数据，分析其时空变化特性，并研究太阳和地磁活动的作用，研究结果将有助于加强对低热层NO变化的认识，为建立更加接近真实的NO密度模式奠定基础.

地球高层大气，包括电离层和热层大气等^[13-15]，都不同程度受到太阳和地磁活动的影响，我们首先给出空间天气变化的情况，结果如图 1所示.F_10.7是最常见的太阳活动指数，但是已有的研究^[6-7]表明太阳软X射线辐射对热层NO的作用效果更加明显，为此我们给出太阳F_10.7和软X射线指数的变化情况，对比两个指数的变化特征. 图 1a中实线是太阳软X射线流量，由SNOE卫星上太阳X射线光度计（Solar X-ray Photometer，SXP）观测得到，可以看出其变化范围为0.3~1 mW/m²，虚线是太阳F_10.7射电流量，变化范围为100~300 sfu，可以看出F_10.7和软X射线具有很好的一致性，均存在一定的周期性变化，与Bailey等^[16]的研究结果一致. 图 1b是地磁Ap指数日均值在SNOE卫星观测时段的变化情况，可以看出在此期间发生了多次大磁暴事件，最大一次日均值超过了150.太阳F_10.7及地磁Ap指数均来源于SPIDR（Space Physics Interactive Data Resource，http://spidr.ngdc.noaa.gov/）.

图 1

Fig. 1

图 1 太阳和地磁活动随时间变化 Fig. 1 Solar and geomagnetic indices for the SNOE observation period

本文使用的NO数据来源于SNOE卫星^[17]上搭载的紫外分光计（Ultraviolet Spectrometer，UVS）观测结果，数据由NSSDC（National Space Science Data Center）提供.SNOE卫星于1998年2月发射升空，近似圆形、太阳同步轨道，轨道高度约为556 km，能够覆盖南北纬80°以内所有区域，星下点地方时约为10：30和22：30，轨道周期为96 min，该卫星主要科学目的就是观测全球NO分布以及相应的能量来源.数据从1998年3月11日至2000年9月30日，共计935天，覆盖高度为96.67~150 km，间隔为3.33 km，共计分成17个高度层.本文提到的NO均指磁赤道地区，季节定义均以北半球的为准，如夏季即为北半球夏季，其它季节依次类推.

图 2为磁赤道地区NO数密度随时间和高度分布情况.从图中可以看出NO数密度变化范围在0.5× 10⁷~17×10⁷ mol/cm³之间，最大值和最小值变化幅度可以达到35倍；NO密度存在明显的高度分布特征，从96.67 km开始增加，大约在105~110 km高度达到最大，随着高度的继续增加而减小；NO还存在明显的半年变化特征，一般是夏季数值最大，冬季次之，两个分季最小，在100 km以上区域更加明显.

图 2

Fig. 2

图 2 NO随高度和时间变化 Fig. 2 Time-altitude plots of daily NO

图 3给出了4个高度处NO随时间的变化.从图 3中可以看出：100 km高度处夏季NO数密度平均值为7×10⁷ mol/cm³，春秋季平均约为5×10⁷ mol/cm³，冬季约为4×10⁷ mol/cm³，夏季数值大小是春秋分季的1.4倍，是冬季的1.8倍，即夏季高于春秋分季节，冬季最小，季节变化最大幅度为1.8；116.67 km高度处夏季NO数密度平均值约为7×10⁷ mol/cm³，春秋季平均约为5×10⁷ mol/cm³，冬季约为7×10⁷ mol/cm³，夏季和冬季的数值大小差不多，春秋季节最小，季节变化最大幅度为1.4；133.33 km高度处夏季NO密度平均值为3×10⁷ mol/cm³，冬季平均值为2.5×10⁷ mol/cm³，春秋季节最小，平均值为2×10⁷ mol/cm³，季节变化最大幅度为1.5；150 km高度处夏季和冬季NO最大，平均值约为2×10⁷ mol/cm³，春秋季节平均值为1×10⁷ mol/cm³，季节变化最大幅度为2.除了具有显著的季节性特征外，各个高度处NO还存在幅度较为明显的周期性变化（例如27天等），这与太阳活动的周期性有关^[18-19].值得注意的是，2000年1月份（即冬季时间）133.33 km、150.0 km的NO密度甚至高于1999年和2000年夏季NO密度大小，可以称为“冬季异常”现象，我们将在后续的工作中对此加以研究.

图 3

Fig. 3

图 3 四个不同高度处NO数密度随时间变化 Fig. 3 Time plots of NO number density at four different altitudes

图 4给出了NO最大值及其所处高度日均值分布情况，从中可以看出峰值大小变化范围约为0.5~1.5×10⁸ mol/cm³，且存在明显的季节变化，即夏季最高，平均值约为1×10⁸ mol/cm³，冬季次之，平均值约为0.8×10⁸ mol/cm³，春秋分季最小，平均值约为0.6×10⁷ mol/cm³，季节变化幅度达到了1.7.最大值对应的高度基本分布在2个位置，即107 km和113 km，冬季最大值位置主要位于113 km，其它季节基本上位于107 km高度，并且峰值高度不随太阳活动水平变化而变化，经过计算，最大值高度平均值约为107 km，低于Barth等^[7]使用相同数据的研究结果，因为Barth计算的是整个纬圈上的平均值，而中高纬地区的峰值高度一般要高于低纬地区.这个结果与HALOE观测得到的结果一致^[20]，低于SME的观测值^[4].

图 4

Fig. 4

图 4 NO最大值及其对应的高度 Fig. 4 The number density and altitude of NO peak

已有研究表明^{[6-7, 21]}，低纬地区NO密度受到太阳活动的强烈控制，特别是太阳软X射线辐射的作用非常明显，图 5给出了两者之间的相关系数随不同延迟时间和高度分布.可以看出：130~150 km高度范围内相关系数最大值所对应的延迟时间均为0，即当天的太阳活动对NO的作用最大；106.67~126.67 km高度范围内相关系数最大值所对应的延迟时间均为-1，即NO对太阳软X射线的最佳响应滞后1天时间；103.33 km以下高度最佳延迟时间为2天，即太阳软X射线2天后对此高度NO的作用效果最为明显；相关系数最大值为0.7531，位于113.33 km高度处，而该高度处延迟时间为0时的相关系数为0.749.

图 5

Fig. 5

图 5 NO密度和太阳软X射线的相关关系 Fig. 5 The relationship between NO and solar soft X-ray

地磁活动对高纬地区NO的作用非常明显^{[8, 12, 22-24]}，随着地磁扰动由高纬地区向赤道方向传播，低纬地区也可能出现一定的响应，也就是说赤道地区的NO与地磁活动存在一定的相关性. 图 6给出了地磁Ap指数和NO相关关系的时空分布.从色条可以看出地磁活动与NO日均值的相关系数小于太阳软X射线.136.67 km高度以上区域相关系数最大值的延迟时间为0，113.67~133.67 km高度区域延迟时间为-1，110 km以下为-2，即NO对地磁Ap指数的最佳响应时间为滞后2天.相关系数最大值为0.3287，对应高度为123.33 km，滞后时间为1天.

图 6

Fig. 6

图 6 NO和地磁Ap指数的相关关系 Fig. 6 Same as Fig. 5, but for geomagnetic Ap index

为了更好地说明太阳和地磁活动对赤道地区NO密度的影响，我们分成太阳高活动（X-ray＞1 mW/m²）、中等活动（X-ray＜1 mW/m²）和地磁平静（Ap＜15）、扰动（Ap＞15）四种情况分别组合讨论NO的剖面分布情况，结果如图 7所示.经过统计分析，图 7中四种情况下有效数据的个数分别为117，238，139和441，说明结果具有很高的可信度.从图中可以看出太阳和地磁活动对赤道低热层NO都产生影响，100 km高度以下作用效果不明显，在NO峰值高度附近区域太阳软X射线对NO的影响明显强于地磁活动.例如107 km高度处地磁平静时太阳活动对NO的影响幅度为27%，地磁活跃时达到了34%，而太阳活动高水平条件下地磁活动的影响幅度为5%，低水平时仅为1%左右.130 km高度以上区域太阳和地磁活动的影响相对较小，特别是相同太阳活动水平下，地磁活动的影响几乎可以忽略.总的来看，太阳活动对磁赤道地区低热层NO的影响作用远大于地磁活动，也与图 5和图 6的结论一致.

图 7

Fig. 7

图 7 不同太阳和地磁活动水平下NO密度随高度分布情况 Fig. 7 Altitude profile of NO number density under different solar and geomagnetic activities

从图 3已经可以看出NO存在一定的变化趋势和周期性变化，我们选取110 km高度处的NO对此进行研究，结果如图 8所示. 图 8a实线为NO日变化情况，虚线为10阶多项式拟合结果，可以看出两者具有很好的一致性，110 km高度处NO季节特征明显，夏季数值大小高于其它季节. 图 8b实线为太阳软X射线流量日变化分布，虚线为2阶多项式拟合结果，可以看出太阳活动水平存在一个上升的变化趋势. 图 8c虚线为NO拟合结果相对平均值变化情况，实线为太阳软X射线流量拟合结果相对平均值变化情况，可以看出随着太阳活动水平的不断增加，NO数密度也呈现出相应的增长趋势，即太阳活动长期变化也引起NO密度出现相应的长期变化. 图 8黑线和浅灰线分别为NO数密度和太阳软X射线流量剔除变化趋势以后偏离平均值的结果，可以看出两者不管是变化趋势还是变化幅度都具有很好的一致性，说明太阳活动中期变化（27天左右）控制NO密度产生相同的周期变化.

图 8

Fig. 8

图 8 110 km高度处NO密度（a）、太阳软X射线（b）、长期变化趋势（c）以及周期性特征（d）分布 Fig. 8 The distribution of NO number density, solar soft X-ray, varied trend and period variations

为了进一步研究太阳软X射线与NO的关系，将两者的统计结果示于图 9. 图 9左侧三幅图为夏季NO的统计结果，106.67 km和126.67 km处太阳软X射线与NO呈“线性”关系，相关系数分别为0.8570和0.7345，146.67 km高度出现“放大”现象，即随着太阳软X射线流量的增加，NO数密度的增加速度加快.右侧三幅图为所有数据的统计结果，可以看出在106.67 km处太阳软X射线与NO呈“线性”关系，相关系数为0.6263，126.67 km和146.67 km处表现为“饱和”关系，即NO数密度随着太阳软X射线流量的增加而增加，但是当流量达到一定阈值后，NO不再增长.在电离层里也可以看到类似的统计结果^[25-27].总的来说，夏季期间相同高度的NO与太阳软X射线流量的相关性要高于平均值，更高于其它季节.

图 9

Fig. 9

图 9 太阳软X射线流量与不同高度NO数密度统计关系 Fig. 9 The relationship between solar X-ray and NO density Summer period leftnd all date right))

为了研究短期内太阳和地磁活动对NO分布的影响，我们选取两个事件分别进行讨论. 图 10为两个事件期间太阳和地磁指数的变化情况. 图 10a为事件1，太阳软X射线流量在第616天时达到1.969 mW/m²，是935天内最大值，明显高于前后几天的流量大小，太阳软X射线比月均值增加约25%，而与此对应的是地磁Ap指数均小于20，基本处于平静状态，因此可以认定此时地磁的影响可以忽略，仅剩下太阳辐射对NO的作用；图 10b为事件2，第858天地磁Ap指数为164，达到特大磁暴强度，太阳软X射线流量在此期间基本维持在月均值附近，因此可以认定此时太阳辐射的作用可以近似忽略，剩下地磁活动对NO的影响为主.

图 10

Fig. 10

图 10 两次事件期间太阳软X射线流量（实线）和地磁Ap指数（虚线）变化 Fig. 10 The solar soft X-ray (real line) and geomagnetic Ap index dashedor two examples

图 11给出了两个事件NO随高度分布情况.图 11a为事件1前后共7天内的变化，可以看出NO在太阳软X射线流量增加（616天）前后并没有出现明显变化，特别是峰值高度以上区域呈现一致的变化，NO在峰值区出现0.5×10⁷ mol/cm³的增加，增加幅度约为6%，远小于太阳软X射线增加幅度，峰值区以下发生一定幅度的增加. 图 11b为事件2前后共7天内NO峰值高度的变化，可以看出NO在地磁剧烈扰动前后发生明显变化，第855天至857天时间内NO剖面分布基本一致；第858天100 km至峰值区域NO出现显著增加，其中峰值增加了3×10⁷ mol/cm³，增加幅度约为22%，峰值以上区域没有发生变化；第856天即磁暴发生一天后，NO峰值高度增加了约5 km，值得注意的是峰值以上区域出现显著增加，120 km高度NO数密度由4.649×10⁷ mol/cm³增加到8.958×10⁷ mol/cm³，增加幅度达93.94%；第860天NO峰值以上区域恢复到正常水平，峰值则增加到1.783×10⁸ mol/cm³，比平均值增加了约28%，而103.33 km高度处比平均值增加的幅度达到41%，即峰值以下区域发生较大幅度变化；第861天NO剖面分布恢复到正常水平.总体上来说地磁活动对NO日变化作用非常明显.

图 11

Fig. 11

图 11 两次事件期间NO数密度高度剖面分布 Fig. 11 Same as Fig. 10, but for altitude profiles of NO

本文使用SNOE卫星观测的935天NO密度日均值数据，研究了太阳和地磁活动对磁赤道地区低热层NO密度的影响，得出了以下结论：

（1）NO密度存在明显的高度分布特征，从96.67 km开始增加，大约在105~110 km高度达到最大，随着高度的继续增加而减小；NO还存在明显的季节变化特征，一般是夏季数值最大，冬季次之，两个分季最小，在100 km以上区域更加明显；2000年1月份133.33 km、150.0 km的NO密度甚至高于夏季，即“冬季异常”现象.

（2）NO密度峰值大小变化范围约为（0.5~1.5）× 10⁸ mol/cm³，且存在明显的季节变化，即夏季最高，冬季次之，春秋分季最小，季节变化幅度达到了1.7；峰值高度基本分布在107 km和113 km高度处，平均值约为107 km，冬季最大值位置主要位于113 km，且峰值高度分布特征不随太阳活动而变化.

（3）太阳软X射线与NO日均值相关性在130~150 km高度范围内相关系数最大值所对应的延迟时间均为0，106.67~126.67 km高度范围内相关系数最大值所对应的延迟时间均为-1，103.33 km以下高度最佳延迟时间为2天；相关系数最大值为0.7531，位于113.33 km高度处；地磁活动与NO日均值相关系数小于太阳软X射线；136.67 km高度以上区域相关系数最大值的延迟时间为0，113.67~133.67 km高度区域最佳延迟时间为1天，110 km以下为2天；相关系数最大值为0.3287，对应高度为123.33 km，滞后1天时间.

（4）太阳活动长期变化可以引起NO密度出现相应的长期变化，并且中尺度的时间变化（27天左右）也控制NO密度产生相同的周期变化；太阳软X射线与NO密度的统计关系在不同高度和季节呈现“线性”、“饱和”和“放大”结果，且夏季期间相同高度两者的相关性大小高于平均值，更高于其它季节的.

总的来看，从长期变化趋势和中期变化尺度上说，太阳活动对磁赤道地区低热层NO密度的影响远大于地磁活动，但地磁活动对NO短期变化作用非常明显.

感谢NSSDC提供的NO密度和太阳软X射线数据，以及SPIDR提供的地磁Ap指数数据.