伴隨著高速流的磁尾電流片拍動觀測研究

魏新華, 蔡春林

中國科學院空間科學與應用研究中心， 空間天氣國家重點實驗室， 北京 100190

?

伴隨著高速流的磁尾電流片拍動觀測研究

魏新華, 蔡春林

中國科學院空間科學與應用研究中心， 空間天氣國家重點實驗室， 北京 100190

磁尾電流片在磁尾動力學過程中起著重要作用.衛(wèi)星觀測表明磁尾電流片經常處于拍動狀態(tài).但磁尾電流片拍動的特性和產生機制至今仍然沒有被完全弄清楚.本文主要利用歐洲空間局Cluster衛(wèi)星數據，研究一個伴隨高速離子流的電流片拍動事件.該電流片拍動事件具有很強的周期性.拍動的周期約是2 min，磁場振蕩幅度約為20 nT.能量電子和離子的通量具有周期性增強和減弱的特征.電流密度X和Y分量也具有周期性的振蕩，并且振蕩周期與磁場振蕩周期一致.通過對粒子流速矢量與電流矢量的分析，發(fā)現粒子運動具有渦旋的特征.因此可以推斷，該磁尾電流片的拍動不是由磁尾等離子體片高速流產生的，而是與局地等離子體不穩(wěn)定性有關.

電流片； 拍動； 高速流; 能量離子； 電流

1 引言

電流片是把磁尾南北尾瓣分開的很薄的區(qū)域，電流片的結構和其中發(fā)生的物理過程對于理解磁尾能量釋放和粒子加速具有重要作用.自從1965年電流片首次被發(fā)現(Ness, 1965)以來，科學家們對電流片的結構、形狀以及與磁尾動力學過程的關系做了大量的研究.人們發(fā)現磁尾電流片經常在南北方向上運動，并將其稱之為電流片拍動(Speiser and Ness，1967；Lui et al., 1978).電流片拍動伴隨著磁場的振蕩，極性的變化(即磁場Bx分量正負號的改變)，以及等離子體的運動(Sergeev et al.,1998),電流片的拍動還常常伴隨著地磁場擾動.1976年Toichi和Miyazaki發(fā)現電流片拍動出現在亞暴的初相，并認為磁尾電流片的拍動可能是由于行星際的阿爾芬波進入磁尾導致的.統(tǒng)計研究表明電流片的拍動和亞暴起始具有一定的相關性(Sergeev et al.,1998).但是Geotail(Sergeev et al., 2006)的觀測顯示地球磁場平靜時期也觀測到電流片拍動，所以電流片拍動和亞暴活動不是一一對應的關系，電流片的拍動期間還常常觀測到快速離子流(Erkaev et al., 2008).

拍動電流片的結構是非常復雜和多變的.電流片的厚度接近離子回旋半徑，大約是從400 km到一個RE(地球半徑)(Runov et al., 2003a).近年來，人們利用歐空局Cluster四顆衛(wèi)星多點探測數據對磁尾電流片拍動做了進一步深入研究，發(fā)現電流片拍動可能是磁尾大尺度的波動，周期從30 s到幾分鐘，幅度從幾個nT到幾十個nT(Zhang et al., 2005, Runov et al., 2003b,2005; Sergeev et al.,2003 ).電流片拍動的時間尺度可以從幾分鐘持續(xù)到幾個小時(Duan et al., 2013).磁尾電流片的拍動波常常從磁尾等離子體片中心向晨昏兩側傳播(Sergeev et al, 2004)， 波的傳播速度約為每秒幾十公里.如果拍動過程中有高速流，傳播速度可達到200 km·s-1. 目前磁層物理學家們已提出多種物理機制來解釋電流片拍動現象，Sergeev 等2006年的統(tǒng)計研究顯示電流片拍動有可能是由等離子體片中地向離子高速流觸發(fā)的.這些地向離子高速流是由磁尾重聯(lián)產生，其速度遠大于等離子體片等離子體對流速度，持續(xù)時間約為20 min(Cao et al., 2006).隨后THEMIS衛(wèi)星(Gabrieles et al., 2008)觀測到一個拍動波與等離子體片爆發(fā)性整體流(bursty bulk flow: BBF)相關性很好的電流片拍動事例.在這個電流片拍動過程中，拍動與等離子體流的Vz分量密切相關.但后來觀測中發(fā)現電流片拍動和地向高速粒子流有時也不是一一對應，即有時也不是同時觀測到.Rong等(2011)的統(tǒng)計研究也顯示電流片的拍動是磁尾大尺度的磁場內稟振蕩，同時也認為粒子流的Z分量對電流片的拍動具有重要的作用.還有可能是行星際磁場的擾動或者增強的太陽風引起的電流片拍動(Shen et al., 2008).最近Wei 等(2015)又發(fā)現電流片拍動可能是由電流片中非絕熱離子觸發(fā)的新機制. 本文采用Cluster磁場探測和等離子體探測數據，分析電流片的拍動特征(拍動的周期和持續(xù)的時間)，以及等離子體高速流的特征，并討論磁尾電流片拍動特征與高速流的關系.

本文所使用的磁場數據來自于Cluster衛(wèi)星的磁強計FGM(Flux Gate Magnetometer) (Balogh et al.,2001)，等離子體流場數據來自于CIS(Cluster Ion Spectrometry Experiment) (Rème et al.，2001)，電子數據來自于PEACE(Plasma Electron and Current Experiment)，能量粒子數據來自于RAPID(Imaging Particle Spectrometer).本文所采用的坐標系是GSE(地心太陽黃道系)坐標系.

2 電流片拍動事件分析

2.1 2002年10月26日拍動事件基本特征

2002年10月26日09∶15—09∶30UT期間，Cluster衛(wèi)星多次穿越電流片.圖1給出了09∶15—09∶30UT期間Cluster衛(wèi)星探測到的磁場和等離子體數據.在圖1中，從上到下分別是總磁場B，磁場分量Bx,By,Bz,等離子體流速分量Vx，Vy，Vz，等離子體密度n，等離子體β值.其中黑色，紅色，綠色，藍色線分別代表C1，C2，C3和C4探測到的數據.在這期間Cluster大致處于(11.3，11.4，0.52)

圖1 2002年10月26日09∶15—09∶30UT，Cluster觀測到的隨著時間變化的磁場和等離子體特征，黑色，紅色，綠色和藍色線分別代表C1，C2，C3和C4觀測到的數據.從上到下分別是總磁場，磁場X分量，Y分量，Z分量，速度X，Y，Z分量，等離子體密度及等離子體β值Fig.1 Shows the magnetic field and plasma characteristics during the period of 09∶15—09∶30UT on 26 Oct 2002 observed by Cluster. Black, red, green and blue lines show the data observed by C1,C2,C3 and C4 respectively. From top to bottom penals show the X, Y and Z component of magnetic field, X, Y and Z component of plasma velocity, plasma density and plasma β

RE位置.圖1i顯示衛(wèi)星觀測到的β值幾乎都大于0.1.所以Cluster衛(wèi)星在此期間基本上處于等離子體片中.從圖1a中可以看出在09∶24—09∶30UT期間C1和C2的總磁場呈現出周期性波動，波動的幅度超過了20 nT，周期大約為2 min.C3和C4在09∶20—09∶30UT也觀測到總磁場波動.C3和C4觀測到的有規(guī)律的總磁場波動出現的時間一致，但是C1看到的總磁場波動明顯滯后，幾乎是在C3和C4看到的總磁場波動結束后才觀測到.圖1b給出了Cluster觀測到的磁場X分量，C1，C2, C3 和 C4的磁場X分量的振蕩非常強烈，并且多次極性相反，拍動的幅度達到20 nT，這個分量的振蕩特征與總磁場的振蕩特征一致，說明振蕩主要是在磁場的X方向上.圖1c給出了磁場Y值，磁場Y分量也同樣有規(guī)律地波動，波動周期與X分量幾乎相同.磁場的X和Y分量波動的相位剛好差半個周期.圖1d給出了磁場Z值，磁場Z值的波動幅度不及磁場X、Y分量，磁場Z分量的周期與X、Y分量一致，相位差了大約1/4.圖1e給出了等離子體流速X分量，從圖中可以看出，在電流片拍動期間，存在著等離子體高速流，其速度X分量也呈現出類似的周期性變化，粒子流的最大速度可以達到400 km·s-1.電流片拍動期間，粒子流的Y分量周期性不明顯(見圖1f)，但是離子流速度Z分量大約和X分量大小相當, 周期也和X分量的變化周期一致，但相位差了半個周期 (見圖1g).圖1h給出了等離子體數密度，可以看出在觀測到拍動之前，數密度都大于0.2 cm-3.圖1g給出了等離子體β值，在電流片拍動出現之前,β值都大于1.這些結果表明Cluster是處于等離子體片中.以上分析發(fā)現電流片是非常有規(guī)律地拍動，拍動周期約2 min.為了更好地看出拍動波的特征，圖2給出了C3磁場隨頻率變化的功率譜密度PSD(Power Spectrum Density),做傅立葉分析選取的時間段是09∶20—09∶35. 從圖中可以看出功率譜最強的時候波的頻率是0.0083 Hz，周期是120 s，和圖1中磁場拍動的周期一致.

需要指出的是，在這次電流片拍動事件前，Cluster衛(wèi)星觀測到了一次磁場重聯(lián)事件.從圖1中可以看出，在電流片拍動事件前的09∶18UT，Cluster觀測到了很強的尾向離子流和南向磁場.這個事件在Eastwood等(Eastwood et al.,2010)的文章中分析過.本文就不詳細討論該重聯(lián)事件.

2.2 電流片拍動期間電子和離子能量通量特征

圖3a給出了該事件中C1 (CIS-HIA儀器)觀測到的能量離子通量, 可以看出能量約為10 keV的熱離子的通量隨著電流片拍動，呈現出周期性的變化.它在衛(wèi)星穿越等離子體片中心(Bx≈0)時增強，當衛(wèi)星遠離等離子體片中心時離子減弱.圖3b給出了C1探測能量電子通量分布，能量為50～100 keV的電子也和熱離子一樣，隨著電流片拍動周期而周期性地增強和減弱，電子通量在衛(wèi)星穿越等離子體片中心時通量增強，衛(wèi)星到達等離子體邊界時通量減弱.圖3c給出了C1(PEACE儀器) 探測到的低能電子通量，從圖中可以看到3 keV的低能電子通量與能量電子通量一樣具有周期性的增強和減弱.電子通量在衛(wèi)星穿越等離子體片中心時增強，衛(wèi)星到達等離子體邊界時通量減弱，以上觀測表明，在電流片拍動過程中，從低能的熱粒子(離子和電子)到中高能的能量電子都呈現出相似的周期性變化.電子和離子的通量周期性變化與電流片拍動有著密不可分的關系.

圖2 C3磁場的快速傅里葉變化Fig.2 Shows the Fast Fourier transform of magnetic field data observed by C3

圖3 離子和電子的能量通量圖(a) CIS測到的離子通量; (b)RAPID測到的高能電子通量; (c) PEACE測到的低能電子通量.Fig.3 The ions and electron energy fluxPenal (a) shows ion flux by CIS of C1, penal (b) shows the high energy electron flux by RAPID of C1, penal (c) shows the low energy electron flux by PEACE of C1.

圖4 電流密度特征(a) 總電流密度及各個分量的電流密度值； (b)，(c)，(d)分別給出了電流密度的X，Y，Z分量；(e) 給出了C1，C2，C3，C4觀測到的磁場X分量.Fig.4 Show the current density characteristicsPenal (a) shows the total current density and every component of current density. Penal (b), (c) and (d) shows the X ,Y and Z component of current density. Penal (e) shows the magnetic field.

2.3 電流片拍動期間的電流特征

圖4給出了電流片拍動期間，利用Cluster 4顆衛(wèi)星磁場數據計算的電流密度及其三個分量.電流密度的計算方法可參閱Callat et al. (2005).從圖4a可以看出電流密度在09∶21∶30的時候開始呈現出周期振蕩，相位與磁場振蕩差半個周期.圖4b和4c的電流密度X和Y分量都具有相同的特征，從圖4c和4e我們可以發(fā)現，電流密度的Y分量與C3和C4磁場的振蕩吻合的非常好，相位差半個周期.而在C1的電流密度振蕩明顯滯后.電流密度的Z分量沒有觀測到有規(guī)則波的特征.電流密度的波動特征與磁場的波動特征吻合非常好，這說明電流密度的波動與磁場的波動有著密切聯(lián)系.在本文分析的電流片拍動期間電流密度的特征與Rong等(2010) 報道的電流片拍動事例中電流密度特征很不一樣.Rong等分析的事例中電流密度的的波動主要發(fā)生在Z方向.但在我們的事例中，電流密度波動方向主要發(fā)生在X和Y方向.

2.4 電流片拍動期間粒子的運動特征和電流矢量特征

圖5a給出了09∶17—09∶19UT 期間C1探測到的在GSEX-Y平面上離子流速度矢量分布，這個時間段也是重聯(lián)發(fā)生的時間段，圖中可以看出，離子基本是朝一個方向運動的.圖5b給出了同一時間段GSEX-Y平面上電流密度的矢量分布，從圖中可以看到電流密度的方向也基本是一個方向.圖6a給出了C1觀測到的在一個拍動周期內的GSEX-Y平面上離子流速度矢量分布，選取的時間是電流片拍動的時間段09∶25—09∶27UT，圖中可以看到速度矢量有渦旋的趨勢，明顯與圖5a中的速度矢量分布不一樣.同樣，圖6b中電流矢量分布也有渦旋的趨勢.

圖5 (a)粒子速度矢量在X，Y平面的分布圖，時間約為一個拍動周期；(b)電流矢量在X，Y平面的分布圖，選取的時間段是 09∶16—09∶17UTFig.5 (a) shows the distribution of x and y velocity vector in X and Y plane during in 09∶16—09∶17UT. Panal (b) shows the distribution of x and y current density in X and Y plane during one period 09∶16—09∶17UT

圖6 (a)粒子速度矢量在X，Y平面的分布圖，時間約為一個拍動周期；(b)電流矢量在X，Y平面的分布圖，選取的時間段是 09∶25—09∶27UTFig.6 (a) shows the distribution of x and y velocity vector in X and Y plane during in 09∶25—09∶27UT. Penal (b) shows the distribution of x and y current density in X and Y plane during one period 09∶25—09∶27UT

以上研究結果表明，在這個事件中等離子體的特征是與電流片的拍動密不可分的.在這個電流片拍動事件中，C1處于電流片的邊緣位置，C3和C4離電流片的中心比較近，所以C3和C4先觀測到了拍動波，C1后觀測到拍動波，最后C1, C3和C4同時觀測到拍動結束.在該次拍動事件中能量離子和電子的通量都具有周期性的增強和減弱的特征，并且是在磁場X分量最大(離電流片中心較遠)的時候電子和離子通量最弱，而在磁場X分量最小(離電流片中心最近)的時候通量增強.從離子流的速度矢量分布特征和電流密度的矢量分布特征可以看出，此次有規(guī)律的電流片拍動不是遠處傳來的高速離子流引起的拍動，而是電流片內部的粒子運動引起的.

3 結論與討論

電流片拍動在磁尾常常被觀測到，拍動波的周期從30 s到幾分鐘都有，拍動的幅度從幾個nT 到幾十個nT.以往的衛(wèi)星觀測顯示電流片拍動與等離子體片中的高速流關系密切，因此一些科學家認為是間歇性的高速流壓縮地球磁場，引起了磁場的振蕩.并產生了電流片拍動.本文詳細分析了2002年10月26日Cluster衛(wèi)星觀測到的一個電流片拍動事件.在該事件中，電流片拍動周期大約2 min，磁場波動的幅度約20 nT，這和以前的觀測是相符的.這次事件中還觀測到了較大的離子流速，其中最大速度高達600 km·s-1.電流片拍動周期內流速分量有明顯的周期性變化，并伴隨著方向的改變.能量電子和離子的通量也周期性地增強和減弱.電流密度的X和Y分量也具有周期性的振蕩，并且拍動振蕩周期與磁場波動的周期是一致的.通過對離子流速矢量和電流密度矢量的分析，發(fā)現在電流片拍動期間，粒子運動具有渦旋的特征，根據這些特征我們可以推斷，該事件中電流片的拍動不是由磁尾等離子體片高速流觸發(fā)的，這和現有的電流片拍動機制都不太吻合.因此，電流片的拍動產生機制和表現形式是非常復雜的，完全弄清這個問題還有待未來積累更多的衛(wèi)星觀測.

Balogh A, Carr C M, Acua M H, et al. 2001. The cluster magnetic field investigation: Overview of on-flight performance and initial results.Ann.Geophys., 19(12): 1207-1217.

Cao J B, Ma Y D, Parks G, et al. 2006，Joint observations by Cluster satellites of bursty bulk flows in the magnetotail.JournalofGeophysicalResearch, 111(A4)(2006), A04206, doi:10.1029/2005JA011322.

Duan A Y, Cao J B, Ma Y D, et al. 2013. Cluster observations of large-scale southward movement and dawnward-duskward flapping of Earth′s magnetotail current sheet.ScienceinChina(E), 56(1)：194-204.

Eastwood J P, Phan T D, Oieroset M, et al. 2010. Average properties of the magnetic reconnection ion diffusion region in the Earth′s magnetotail: The 2001—2005 Cluster observations and comparison with simulations.J.Geophys.Res., 115: A0825, doi: 10.1029/2009JA014962. Gabrieles C, Aangelopoulos V, Runove A, et al. 2008. Propagation characteristics of plasma sheet oscillations during a small storm.Geophys.Res.Lett., 35: L02102. DOI: 10.1029/2008GL033664.Lui A T Y, Meng C I, Akasofu S I. 1978. Wavy nature of the magnetotail neutral sheet.Geophys.Res.Lett., 5(4): 279-282. Ness N F. 1965. The Earth′s magnetic tail.J.Geophys.Res., 70(13): 2989-3005. Rème H, Aoustin C, Bosqued J M, et al. 2001. First multispacecraft ion measurements in and near the Earth′s magnetosphere with the identical Cluster ion spectrometry (CIS) experiment.Ann.Geophys., 19(10-12): 1303-1354.

Rong Z J, Shen C, Petrukovich A A, et al. 2010. The analytic

properties of the flapping current sheet in the magntotail.Planet.SpaceSci., 58(10): 1215-1229.

Rong Z J, Wan W X, Shen C, et al. 2011. Statistical survey on the magnetic structure in magnetotail current sheets.J.Geophys.Res., 116, A09218 doi: 10. 1029/2011JA016489

Runov A, Nakamura R, Baumjohann W, et al. 2003a. Cluster observation of a bifurcated current sheet.Geophys.Res.Lett., 30(2): 1036, doi: 10. 1029/2002GL016136.

Runov A R, Nakamura W, Baumjohann W, et al. 2003b. Current sheet structure near magnetic X-line observed by Cluster.Geophys.Res.Lett., 30: 1579, doi: 10. 1029/2002GL016730

Runov A, Sergeev V A, Baumjohann W, et al. 2005. Electric current and magnetic field geometry in flapping magnetotail current sheets.Ann.Geophys., 23(4): 1391-1403.

Sergeev V A, Angelopoulos V, Carlson C, et al. 1998. Current sheet measurements within a flapping plasma sheet.J.Geophys.Res., 103(A5): 9177-9188.Sergeev V A, Runov A, Baumjohann W, et al. 2003. Current sheet flapping motion and structure observed by Cluster.Geophys.Res.Lett., 30: 1327, doi: 10. 1029/2002GL016500.

Sergeev V A, Runov A, Baumjohann W, et al. 2004. Orientation and propagation of current sheet oscillations.Geophys.Res.Lett., 31: L05807, doi: 10. 1029/2003GL019346

Sergeev V A, Sormakov D A, Apatenkov S V, et al. 2006. Survey of large-amplitude flapping motions in the midtail current sheet.Ann.Geophys., 24: 2015-2024.

Speiser T W, Ness N F. 1967. The neutral sheet in the geomagnetic tail: its motion, equivalent currents, and field-line reconnection through it.J.Geophys.Res., 72(1): 131-141.

Wei X H, Cai C L, Cao J B, 2015. Flapping motions of the magnetotail current sheet excited by nonadiabatic ions.Geophys.Res.Lett., 42, 4731-4735, doi:10.1002/2015GL064459.Zhang T L, Nakamura R, Volwerk M, et al. 2005. Double Star/Cluster observation of neutral sheet oscillations on 5 August 2004.Ann.Geophys., 23(8): 2909-2914.

(本文編輯 胡素芳)

Obervations of current sheet flapping associated with high speed flow in the magnetotail

WEI Xin-Hua, CAI Chun-Lin

StateKeyLaboratoryofSpaceWheather,CenterofSpaceScienceandAppliedResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China

The magnetotail current sheet frequently moves in the north-south direction，which named current sheet flapping. A statistical survey of Geotail data showed that the flapping motions of the current sheet might be related to the plasma bursty bulk flows BBFs. Current sheet flapping association with fast plasma flows in the plasma sheet and Pi2 pulsation was also observed by THEMIS observations. These observations also pointed out the close relationship between current sheet flapping and theZcomponent of the ion flow velocity. During the repeated crossings of the current sheet by the spacecraft, the ion velocityVzshowed obviously periodic oscillations. In this observation, the single case will be discussed to reveal that the associated observation BBFs may be the local ions flow. The Cluster FGM, CIS, PEACE and RAPID data will be used to analyze the current sheet flapping case. The CL soft will be used to calculate the current.In the magnetotail, on Oct 26 2002 the Cluster crosses southward the central current sheet in a distance of 19REto Earth. The current sheet flapping case associated by high speed ions flow was observed by Cluster on Oct 26 2002. This flapping case periodic is very good. The FFT analyses show the period of the current sheet flapping is about 2 min, the amplitude is about 20 nT. The velocity values changed periodically. TheXcomponent of ions velocity reaches 400 km·s-1. TheZcomponent of ion velocity is up to 600 km·s-1. The energy range from 50～100 keV electrons and 10 keV ions flux is enhanced during the spacecrafts across current sheet center. When the spacecrafts move to the current sheet boundary, the energy of ions and electrons flux is decreasing. The current density is also flapping periodically. The velocity vector distribution show the particles motion is not a single direction. Base on the velocity and current vector analyses, the local particles motion is vortex motion.This current sheet flapping is highly cyclical event and lasts for about 10 minutes. Through the particle and current density characters analyses, the high speed flows is local particles velocity. The present result indicated that the high speed ion flow is local particles motion, not come from far away magnetail. This result show the current sheet flapping may be induced by a self-circulation process not the BBF compressed the magnetosphere.

Current sheet； Flapping； High speed flow; Energetic particle； Current

10.6038/cjg20151001.Wei X H, Cai C L. 2015. Obervations of current sheet flapping associated with high speed flow in the magnetotail.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(10):3449-3456,doi:10.6038/cjg20151001.

國家自然科學基金面上基金(41174144)資助.

魏新華，女，1980年生，2007年畢業(yè)于中國科學院空間科學院與應用研究中心，主要從事磁層物理的研究.E-mail：xhwei@spaceweather.ac.cn

10.6038/cjg20151001

P354

2014-09-29，2014-12-30收修定稿

魏新華, 蔡春林. 2015. 伴隨著高速流的磁尾電流片拍動觀測研究.地球物理學報，58(10):3449-3456,