暴時(shí)行星際穿透電場(chǎng)與電離層效應(yīng)的衛(wèi)星觀測(cè)

周云良 徐 良 馬淑英 顏偉男

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北武漢430079)

1.引 言

電離層電場(chǎng),包括行星際電場(chǎng)向低緯電離層的直接穿透以及擾動(dòng)的熱層風(fēng)發(fā)電機(jī)電場(chǎng)對(duì)低緯電離層電動(dòng)力學(xué)過(guò)程起著非常重要的作用。許多重要的低緯電離層現(xiàn)象,如電離層赤道噴泉效應(yīng)和電離異常、赤道電集流、赤道擴(kuò)展F等現(xiàn)象,都和電離層電場(chǎng)密切相關(guān)[1-2]。磁暴期間,電離層電場(chǎng)發(fā)生劇烈擾動(dòng)[3-5],將顯著影響電離層等離子體分布、使電離層抬升或降低、并促進(jìn)或抑制赤道異常和等離子體不穩(wěn)定性的發(fā)展[6-7]。Greenspan et al.[8]和Basu et al.[7]的結(jié)果表明:磁暴主相期間,東向穿透電場(chǎng)顯著抬升赤道F層等離子體,并延磁力線擴(kuò)散到中緯電離層,導(dǎo)致赤道F層幾乎消失。此外,許多中等磁暴產(chǎn)生的赤道電離層閃爍以及在大磁暴期間中緯電離層出現(xiàn)的大范圍總電子含量(TEC)增強(qiáng)[9]也與穿透電場(chǎng)有密切聯(lián)系,但是電場(chǎng)直接穿透和擾動(dòng)風(fēng)發(fā)電機(jī)電場(chǎng)在這些現(xiàn)象中的相對(duì)貢獻(xiàn)還不是非常清楚。

電離層電場(chǎng)有兩個(gè)主要來(lái)源,即磁層頂發(fā)電機(jī)和電離層發(fā)電機(jī)。磁層頂發(fā)電機(jī)源于太陽(yáng)風(fēng)-磁層相互作用,在磁層頂產(chǎn)生晨-昏向電壓降,由于“磁凍結(jié)”效應(yīng),該電壓降可以沿磁力線映射到高緯電離層,形成高緯電離層電場(chǎng)。在平靜時(shí)期,位于等離子體片內(nèi)邊界的II區(qū)場(chǎng)向電流會(huì)產(chǎn)生橫越內(nèi)磁層的昏-晨向電場(chǎng),在穩(wěn)態(tài)磁層對(duì)流條件下,該電場(chǎng)幾乎抵消磁層對(duì)流電場(chǎng),使其無(wú)法對(duì)中低緯電離層電場(chǎng)產(chǎn)生影響。在磁暴期間,隨著行星際磁場(chǎng)南向翻轉(zhuǎn),I區(qū)場(chǎng)向電流突然增強(qiáng),而II區(qū)場(chǎng)向電流則受環(huán)電流區(qū)粒子注入的控制,緩慢增加,這一時(shí)間上的延遲導(dǎo)致了II區(qū)場(chǎng)向電流對(duì)I區(qū)場(chǎng)向電流的屏蔽不足,使得高緯電場(chǎng)可以直接穿透到中低緯電離層,通常稱之為穿透電場(chǎng)[4]。電離層發(fā)電機(jī)主要由中性風(fēng)驅(qū)動(dòng),是低緯電離層電場(chǎng)的主要來(lái)源。磁暴期間,極區(qū)增強(qiáng)的電離層對(duì)流電場(chǎng)和電導(dǎo)率引起焦耳加熱增強(qiáng),使熱層大氣加熱膨脹上升并形成強(qiáng)的朝赤道風(fēng),引起低緯電離層中的風(fēng)發(fā)電機(jī)電場(chǎng)增強(qiáng)[10]。擾動(dòng)風(fēng)發(fā)電機(jī)電場(chǎng)相對(duì)于暴時(shí)極區(qū)的能量輸入通常有數(shù)小時(shí)的滯后,而暴時(shí)行星際電場(chǎng)向低緯電離層的穿透幾乎沒(méi)有時(shí)間延遲,因此穿透電場(chǎng)對(duì)磁暴主相初期的低緯電離層響應(yīng)起著至關(guān)重要的作用。

自1968年Nishida首次表明行星際電場(chǎng)能穿透到赤道電離層后[11],行星際電場(chǎng)穿透及其電離層效應(yīng)一直是人們關(guān)注的一個(gè)重要課題。通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬,人們對(duì)行星際電場(chǎng)穿透及其電離層效應(yīng)進(jìn)行了廣泛的研究[12-15],并在關(guān)于行星際電場(chǎng)穿透觀測(cè)證據(jù)的尋找以及物理過(guò)程的模擬方面取得了重大進(jìn)展。而最近幾年來(lái),關(guān)于行星際電場(chǎng)穿透的研究焦點(diǎn)主要集中在穿透效率、穿透持續(xù)時(shí)間、以及穿透與地方時(shí)之間的依賴關(guān)系等問(wèn)題上。Huang et al.[16]等人在定義穿透效率為赤道電離層電場(chǎng)變化與行星際電場(chǎng)變化的比值基礎(chǔ)上,利用Jicamaca非相干散射雷達(dá)向日面觀測(cè)數(shù)據(jù),利用73個(gè)磁暴事件做統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)行星際電場(chǎng)穿透持續(xù)時(shí)間為幾個(gè)小時(shí),穿透效率為9.6%;Burke[17]利用Volland-Stern模式預(yù)測(cè)2002年4月磁暴期間的穿透電場(chǎng),并得到穿透效率為11.9%;魏勇等人[18]利用數(shù)值模擬的方法研究發(fā)現(xiàn)在不考慮極蓋電勢(shì)飽和的情況下,赤道電場(chǎng)增量與行星際電場(chǎng)增量呈線性關(guān)系;在恒定重聯(lián)線長(zhǎng)度L的限定下,穿透效率具有明顯的地方時(shí)依賴性;Kelley and Dao[19]利用2003年11月磁暴期間Jicamarca觀測(cè)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn),在地方時(shí)21點(diǎn)到04點(diǎn)之間行星際電場(chǎng)與穿透電場(chǎng)呈現(xiàn)反相關(guān)特性,而在其他地方時(shí)扇區(qū)行星際電場(chǎng)與穿透電場(chǎng)呈現(xiàn)正相關(guān)特性。

利用Geotail衛(wèi)星和華衛(wèi)一號(hào)(ROCSAT-1)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù),首先分析了2000年7月15-16日超強(qiáng)磁暴期間行星際穿透電場(chǎng)的特征,包括穿透效率、穿透持續(xù)時(shí)間、以及穿透與地方時(shí)之間的依賴關(guān)系;然后,聯(lián)合利用ROCSAT-1衛(wèi)星、美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃(DMSP)衛(wèi)星和全球定位系統(tǒng)/電離層總電子含量(GPS/TEC)等觀測(cè)數(shù)據(jù),簡(jiǎn)單描述了此次超強(qiáng)磁暴期間低緯電離層響應(yīng)。

2.磁暴事件描述和數(shù)據(jù)

由于太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射(CME),以及在此之后發(fā)生的行星際激波和磁云的作用,2000年7月15-16日發(fā)生了一次超強(qiáng)磁暴[20]。圖1給出了此次超強(qiáng)磁暴期間Dst指數(shù)隨時(shí)間的變化。從圖1可以看出,磁暴的急始出現(xiàn)在 2000年7月 15日16∶00UT,同日22∶00UT左右Dst指數(shù)急劇下降到-289nT,并于16日01∶00UT左右達(dá)到主相極大,Dst指數(shù)最小值為-301nT,隨后磁暴進(jìn)入恢復(fù)相。

圖1 2000年7月15～18日期間Dst指數(shù)隨時(shí)間的變化

文中用于分析行星際電場(chǎng)的太陽(yáng)風(fēng)和行星際磁場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)自Geotail衛(wèi)星的測(cè)量,在 2000年7月15～16日磁暴期間,Geotail衛(wèi)星恰巧位于近地太陽(yáng)風(fēng)中(X≈25RE)。利用行星際磁場(chǎng)和太陽(yáng)風(fēng)數(shù)據(jù),根據(jù)E=-V×B可計(jì)算得到行星際電場(chǎng)。

此外,文中用于計(jì)算赤道F區(qū)緯向電場(chǎng)的數(shù)據(jù)來(lái)自ROCSAT-1衛(wèi)星IPEI(Ionospheric Plasma and Electrodynamics Probe Instrument)儀器測(cè)量的等離子體漂移[21]。其中,ROCSAT-1衛(wèi)星軌道為圓形軌道,軌道范圍是地理北緯35°～南緯35°;軌道高度約為600 km,軌道周期約為97分鐘,每天繞地球飛行約15次[22]。利用ROCSAT-1衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù),將暴時(shí)垂直于磁場(chǎng)的等離子體向上漂移減去平靜時(shí)的背景,可計(jì)算得到磁暴期間垂直于磁場(chǎng)的等離子體漂移變化,由此可得到赤道區(qū)緯向電場(chǎng)的變化,其中平靜時(shí)背景垂直漂移利用統(tǒng)計(jì)分析的方法計(jì)算得到。

3.分析結(jié)果

3.1 行星際電場(chǎng)穿透到低緯電離層

圖2(a)所示為Geotail衛(wèi)星測(cè)量行星際磁場(chǎng)Bz分量和太陽(yáng)風(fēng)速度數(shù)據(jù),圖2(b)所示為利用Geotail衛(wèi)星測(cè)量的行星際磁場(chǎng)和太陽(yáng)風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的行星際電場(chǎng)隨時(shí)間的變化。從圖中可以清楚地看出,在2000年7月15日19∶00UT后,行星際磁場(chǎng)變?yōu)槟舷?并急劇下降,在 20∶00UT附近下降到-60nT;同時(shí),由圖2(b)可見(jiàn)行星際電場(chǎng)晨昏分量迅速增強(qiáng),最大達(dá)到60 mV/m。

圖3所示為2000年7月超強(qiáng)磁暴主相期間赤道區(qū)頂部電離層離子向上漂移速度的暴時(shí)變化(即緯向電場(chǎng)的暴時(shí)變化,δV⊥)在幾個(gè)連續(xù)的軌道上隨地方時(shí)的變化。由圖3(a)可以清楚地看出,在行星際電場(chǎng)晨昏分量迅速增強(qiáng)的時(shí)段,ROCSAT-1衛(wèi)星在低緯電離層幾乎即時(shí)地觀測(cè)到垂直于磁場(chǎng)的離子向上漂移速度增強(qiáng)達(dá)300 m/s以上,相當(dāng)于約7～8 mV/m的東向電場(chǎng)(即120 m/s對(duì)應(yīng)于3 mV/m[23])。

為了能發(fā)現(xiàn)行星際電場(chǎng)晨昏分量與等離子體垂直漂移的關(guān)系,我們將離子向上漂移速度的暴時(shí)變化按地方時(shí)和緯度進(jìn)行了分組。將地方時(shí)從0到24小時(shí)分成了48組,間隔為0.5小時(shí);將地理緯度分成了 3 組,分別為 30°S ～ 10°S 、10°S ～ 10°N 和10°N～30°N。然后,我們將一個(gè)軌道上落在相同網(wǎng)格的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。由于ROCSAT-1衛(wèi)星每天繞地球約15次,經(jīng)過(guò)這樣處理后,可以得到每個(gè)網(wǎng)格上離子向上漂移速度的暴時(shí)變化的時(shí)間(軌道)序列。此外,也可計(jì)算得到行星際電場(chǎng)隨時(shí)間變化的序列(以軌道數(shù)表征時(shí)間,軌道周期約97分鐘)。圖4和圖5所示為2000年7月15～16日超強(qiáng)磁暴期間行星際電場(chǎng)晨昏分量Ey和離子向上漂移速度的暴時(shí)變化δV⊥在正午和黃昏扇區(qū)隨軌道數(shù)(Norbit)的變化。

圖3 2000年7月15日頂部電離層600 km高度ROCSAT-1觀測(cè)到的幾個(gè)連續(xù)軌道上離子向上漂移速度的暴時(shí)變化隨地方時(shí)LT的變化

從圖4可知,在正午扇區(qū)第12～14軌道期間(對(duì)應(yīng)于7月15號(hào) 18∶00UT～21∶00UT)離子向上漂移的暴時(shí)變化與晨昏向行星際電場(chǎng)的變化趨勢(shì)一致,表征行星際電場(chǎng)穿透到低緯電離層,且持續(xù)時(shí)間達(dá)3個(gè)多小時(shí);行星際晨昏電場(chǎng)增強(qiáng)60 mV/m引起低緯電離層離子向上漂移速度增大300 m/s以上,其穿透效率約為13%。圖5表明,在黃昏扇區(qū)第13～15軌道期間(即 7月15號(hào)19∶30UT～22∶30UT)也存在行星際電場(chǎng)穿透,穿透效率約為19%,比正午扇區(qū)穿透效率略高。

圖6所示為磁暴主相期間10∶30～13∶30LT扇區(qū)內(nèi)行星際晨昏電場(chǎng)與低緯電離層離子向上漂移速度的暴時(shí)變化δV⊥的散點(diǎn)圖。由圖6可見(jiàn),行星際晨昏電場(chǎng)與電離層?xùn)|向電場(chǎng)之間存在很好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)約為80%。此外,由圖6中擬合出來(lái)的直線的斜率,根據(jù)文獻(xiàn)[23]中提到的低緯地區(qū)120 m/s漂移約等于3 mV/m的電場(chǎng),可推算出穿透效率約為13.5%。

圖7所示為午夜前扇區(qū)第13～15軌道期間(即 7月15號(hào)19∶30UT～22∶30UT)增強(qiáng)的行星際晨昏電場(chǎng)引起低緯電離層離子向下漂移,這與文獻(xiàn)[19]中的結(jié)論一致。從圖7可以看出,離子漂移速度相比平靜期變化達(dá)500 m/s,其穿透效率約為30%。

圖7 午夜前扇區(qū)行星際晨昏電場(chǎng)(虛線)與低緯電離層離子向上漂移暴時(shí)變化(實(shí)線)隨軌道的變化。

3.2 電離層響應(yīng)

磁暴期間,低緯電離層發(fā)生劇烈變化。下面我們根據(jù)ROCSAT-1衛(wèi)星、DMSP衛(wèi)星和GPS/TEC觀測(cè)數(shù)據(jù),簡(jiǎn)要描述2000年7月超強(qiáng)磁暴期間低緯電離層響應(yīng)。

首先,利用ROCSAT-1/IPEI觀測(cè)數(shù)據(jù),分析了離子密度的暴時(shí)變化(δNi)。圖8所示為赤道異常的初始上漲。在2000年7月15日20∶30～20∶40UT磁暴主相早期,由于增強(qiáng)的穿透電場(chǎng)作用,600 km附近急劇增長(zhǎng)的離子密度形成了雙峰結(jié)構(gòu),其谷位于美洲扇區(qū)赤道附近;雙峰位置分別位于(17.5°N,298°E)和 (7.5°S,329°E),且雙峰位置處離子密度的變化幅度分別為 1.2×1012m-3和1.8×1012m-3.

圖8 赤道異常的初始上漲,圖中曲線分別表示 δN i(實(shí)線)、LT(虛線)和磁緯θm(點(diǎn)劃線)隨UT的變化

圖9 所示為主相期間(2000年7月15日22∶00UT附近)ROCSAT-1/IPEI在美洲扇區(qū)測(cè)量到的離子密度的急劇上漲,由圖可以看出赤道異常明顯增強(qiáng),北半球峰的位置向高緯擴(kuò)展,其緯度為 21.2°N,離子密度變化幅度為 2.3×1012m-3,增長(zhǎng)幅度約為390%。圖10所示為2000年7月15日22∶16UT時(shí)刻GPS/TEC觀測(cè)結(jié)果,顯示美洲扇區(qū)黃昏附近的中緯度電離層發(fā)生SED現(xiàn)象,GPS/TEC觀測(cè)結(jié)果證明了磁暴主相期間北半球離子密度峰向高緯的擴(kuò)展。

圖9 磁暴主相期間在美洲扇區(qū)由ROCSAT-1/IPEI觀測(cè)的離子密度的急劇增長(zhǎng),其他與圖8相同

另外,我們也分析了2000年7月超強(qiáng)磁暴期間DMSP F-15衛(wèi)星所觀測(cè)的離子密度數(shù)據(jù)。圖11所示為在夜晚扇區(qū)幾個(gè)連續(xù)軌道上由DMSP衛(wèi)星觀測(cè)的磁暴主相期間低緯頂部電離層離子密度(Ni),其中DMSP衛(wèi)星所處地方時(shí)為21∶45LT,過(guò)赤道經(jīng)度為318°E,高度為850 km。圖11可清楚地看出緯度范圍大大擴(kuò)展的電子密度深度耗空的赤道區(qū)等離子體槽。

圖11 在夜晚扇區(qū)幾個(gè)連續(xù)軌道上由DMSP衛(wèi)星觀測(cè)的磁暴主相期間低緯頂部電離層離子密度。其中幾個(gè)軌道對(duì)應(yīng)的時(shí)間為20∶39～ 21∶02UT(細(xì)實(shí)線),22∶19～ 22∶43UT(虛線),23∶59～00∶28UT(粗實(shí)線)

4.結(jié) 論

2000年 7月 15～16日超強(qiáng)磁暴(min.Dst＜-300 nT)期間,Geotail衛(wèi)星位于近地太陽(yáng)風(fēng)中,由Geotail衛(wèi)星觀測(cè)的太陽(yáng)風(fēng)和行星際數(shù)據(jù)計(jì)算得到,磁暴主相期間晨昏向行星際電場(chǎng)增強(qiáng)達(dá)60 mV/m,與此同時(shí),ROCSAT-1衛(wèi)星在低緯電離層中幾乎即時(shí)地觀測(cè)到垂直于磁場(chǎng)的離子向上漂移速度達(dá)300 m/s以上(約相當(dāng)于7～8 mV/m的東向電場(chǎng)),表征行星際電場(chǎng)穿透至低緯電離層。其中,在正午和黃昏扇區(qū)穿透電場(chǎng)為東向,引起低緯電離層離子向上漂移,穿透效率約為13～19%;而在午夜前扇區(qū),穿透電場(chǎng)極性相反,使離子向下漂移,穿透效率高達(dá)30%。分析表明,此次磁暴期間,行星際電場(chǎng)穿透持續(xù)時(shí)間達(dá)3小時(shí)以上。

磁暴期間,低緯電離層發(fā)生劇烈變化。ROCSAT-1衛(wèi)星觀測(cè)到暴時(shí)離子密度變化呈現(xiàn)較復(fù)雜的圖像,主相期間,ROCSAT-1/IPEI在美洲扇區(qū)測(cè)量到的離子密度的急劇上漲,赤道異常明顯增強(qiáng),北半球峰的位置向高緯擴(kuò)展到21.2°N,其離子密度變化幅度為2.3×1012m-3,增長(zhǎng)幅度約為390%。同時(shí),GPS/TEC觀測(cè)顯示美洲扇區(qū)黃昏附近的中緯度電離層發(fā)生SED現(xiàn)象,DMSP衛(wèi)星觀測(cè)到緯度范圍大大擴(kuò)展的電子密度深度耗空的赤道區(qū)等離子體槽。

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