航天器軌道的精確計算在航天器測控、空間交會對接、空間目標碰撞預(yù)警等任務(wù)中具有重要作用。為了準確計算航天器在軌運行軌道，需要精確掌握航天器在軌運行中受到的攝動力，包括地球非球形引力、大氣阻力、太陽光壓、潮汐力等。針對這些攝動因素，研究者對其中絕大多數(shù)因素已經(jīng)構(gòu)建了精確度較高的物理或經(jīng)驗模型，如重力場模型、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較高，成為影響低軌航天器精密定軌和軌道預(yù)報的重要制約因素。
幾十年來隨著大氣探測技術(shù)的發(fā)展和探測數(shù)據(jù)的日益增多，人們對熱層大氣的變化規(guī)律有了更深入的認識，但由于熱層大氣的變化復(fù)雜，物理機制尚不清楚外，已有的大氣經(jīng)驗?zāi)Ｐ妥陨泶嬖谌毕?，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，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點實驗室空間天氣預(yù)報中心研究員苗娟和博士生王昕，對2001-2008年期間的256個地磁暴事例，按照小、中、大三種磁暴強度對大氣密度變化特征、大氣密度與焦耳加熱分布特征進行了分析和研究。研究揭示了焦耳加熱與大氣密度的位置和時間變化關(guān)系：小磁暴和中等磁暴期間，兩者峰值時間相差0-2hr，緯度相差0-10o；強磁暴期間時間相差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?？蒲腥藛T在大氣密度和焦耳加熱變化關(guān)系研究基礎(chǔ)上，進一步加入地磁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)，驗證結(jié)果顯示修正后的大氣密度相對誤差（MRE）由40%下降至10% 。
相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Geophysical Research和Space Weather上。Journal of Geophysical Research審稿評價認為，文章的結(jié)果與討論有利于提高對熱層大氣中加熱和冷卻機制之間復(fù)雜相互作用的理解，研究結(jié)論是當(dāng)前研究中重要的新發(fā)現(xiàn)。
圖1.（a）大氣密度滯后焦耳加熱峰值時間,（b）焦耳加熱峰值持續(xù)時間
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，（d-h）大氣密度變化量，（f-l）大氣密度誤差
圖3.大氣密度修正值（藍線），大氣密度實測值（紅線）和NRLMSISE-00模型計算值（黑線）的比較
