基于CARISMA地磁臺鏈觀測的IPDP事件的統(tǒng)計分析

周銘霞， 袁志剛， 李海夢， 王德棟， 余雄東， 王貞貞， 喬錚

武漢大學電子信息學院， 武漢 430072

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基于CARISMA地磁臺鏈觀測的IPDP事件的統(tǒng)計分析

周銘霞， 袁志剛*， 李海夢， 王德棟， 余雄東， 王貞貞， 喬錚

武漢大學電子信息學院， 武漢 430072

亞暴期間磁尾等離子體片離子注入內(nèi)磁層能夠激發(fā)電磁離子回旋(EMIC)波.對應于這種EMIC波，地面磁力儀可觀測到周期逐漸減小的地磁脈動(IPDP).利用GOES衛(wèi)星數(shù)據(jù),地磁指數(shù)和加拿大CARISMA地磁臺站的數(shù)據(jù)，我們研究了IPDP事件的產(chǎn)生與亞暴磁尾注入的關系.同時利用CARISMA地磁臺鏈中的MCMU和MSTK兩個臺站，從2005年4月到2014年5月期間的觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了亞暴期間的IPDP事件，研究了IPDP事件的出現(xiàn)率關于季節(jié)和磁地方時的分布特征.我們總共獲得128個兩個臺站同時觀測的IPDP事件.該類事件關于季節(jié)分布的發(fā)生率，冬季最小，為13.28%，春季最大，為32.81%，結果表明IPDP事件關于季節(jié)分布的發(fā)生率受到電離層電導率及亞暴發(fā)生率的影響.兩個臺站同時觀測到的IPDP事件最大出現(xiàn)率出現(xiàn)在15—18 MLT(磁地方時)，結果表明IPDP事件主要由亞暴期間產(chǎn)生的能量離子注入內(nèi)磁層，西向漂移遇到等離子體層羽狀結構(Plume)區(qū)的高密度等離子體所激發(fā).

電磁離子回旋波； 周期逐漸減小的地磁脈動； 亞暴注入； 發(fā)生率

1 引言

電磁離子回旋(EMIC)波，由高能離子溫度各向異性(T⊥>T∥)導致的離子回旋不穩(wěn)定性所激發(fā).EMIC波的頻帶范圍為0.1～5 Hz的是Pc1-2波 (Halford et al., 2010).EMIC波在快速離子加熱，冷電子加熱，投擲角散射和沉降導致的環(huán)電流衰減和輻射帶相對論電子快速損失方面起到非常重要的作用 (Jordanova et al., 2001, Fok et al., 2005, Fraser et al., 2012, Su et al., 2010, 2011, Xiao et al., 2011, Yuan et al., 2013, 2014, Zhou et al., 2013, Wang et al., 2014)，因此研究EMIC在磁層中的表現(xiàn)特征和發(fā)生率非常重要.在磁暴期間,等離子體層或等離子體羽狀結構(plume)的高密度冷等離子體，降低產(chǎn)生環(huán)電流離子回旋不穩(wěn)定性的門限，從而有利于激發(fā)EMIC波 (Cornwall, 1965, Fraser et al., 2005, Liu et al., 2012, Yuan et al., 2012a, 2012b).等離子體層plume形成于磁暴期間等離子體層黃昏側，而且可從黃昏側向日側磁層頂延伸.不僅等離子體層plume還有等離子體層頂這些高密度梯度區(qū)域都有利于EMIC波的產(chǎn)生與傳播 (Yuan et al., 2010, Yuan et al., 2012a).磁尾等離子體注入的高能質(zhì)子西向漂移遇到等離子體層或等離子體層黃昏隆起時，易激發(fā)EMIC波(Hayakawa et al., 1992).在冷等離子體里沿著地磁場平行傳播的EMIC波的色散關系表明，相互作用的高能質(zhì)子的平行能量在磁赤道有一個最小值，所以磁赤道區(qū)域有利于EMIC波的產(chǎn)生 (Lee and Kwok, 1984, Loto′aniu et al., 2005).磁赤道激發(fā)的EMIC波可沿磁力線傳播到電離層，從而被地磁臺站觀測到Pc1-2波動(Lee et al., 1984, Loto′aniu et al., 2005).

根據(jù)Pc1-2在功率譜中的形態(tài)，Pc1-2可大致分為兩類.第一類是結構型或珠型脈動，這一類事件都具有周期性調(diào)制波幅, 其他大多事件歸為第二類，即非結構型脈動 (Kerttula et al., 2001).周期逐漸減小的地磁脈動(IPDP)就是典型的非結構型的Pc1-2現(xiàn)象.它最顯著的特征在于它的頻率漂移，而且這個特點的出現(xiàn)與亞暴的發(fā)生緊密相關(Saito, 1969, Gendrin, 1971, Gul′elmi, 1974).在功率譜圖中IPDP事件存在著明顯的頻率增長，而且占據(jù)一個比較寬的頻帶.IPDP通常在亞暴開始后的下午或傍晚被觀測到 (Lee and Kwok, 1984).通常 IPDP事件發(fā)生之前，都存在一個AE指數(shù)的增長，并且IPDP波事件的開始時間與AE指數(shù)開始增長的時刻相差0.5～2 h (Hayakawa et al., 1992).以往的研究只有少數(shù)短期觀測的統(tǒng)計分析，研究主要集中在IPDP事件的事例分析.本文選取了MCMU和MSTK兩個臺站從2005年4月到2014年5月這10年間同時觀測到的IPDP事件做了統(tǒng)計分析，研究IPDP事件的發(fā)生率關于磁地方時(MLT)及季節(jié)分布的統(tǒng)計特征.

2 探測儀器

Canadian Array for Realtime Investigation of Magnetic Activity(CARISMA)是加拿大地球空間監(jiān)測系統(tǒng)工程(Canadian Geospace Monitoring)的磁力儀監(jiān)測部分.它是一個位于北美大陸，用于測量地磁場的磁力儀設備陣列.我們選取了CARISMA臺鏈中的Fort McMurray(MCMU) 和Ministik Lake(MSTK)兩個臺站的磁通門磁力儀(FGM)的觀測數(shù)據(jù)，它們的地理位置分別為(56.65°N，248.79°E)和(53.351°N，247.026°E)，L值分別為5.35和4.22.這兩個臺站在磁赤道平面的投影一般處于等離子體層頂附近，非常有利于觀測等離子體層頂附近的EMIC波事件.我們利用FGM的高分辨率(8 Hz)的數(shù)據(jù)進行了IPDP事件分析.

Geostationary Operational Environmental Satellite(GOES)衛(wèi)星位于地球同步軌道(L=6.6)，GOES衛(wèi)星攜帶的高能粒子傳感器(Energetic Particle Sensor, EPS)為我們提供了高能粒子通量數(shù)據(jù)來研究高能離子注入事件.EPS的觀測方向是垂直于GOES的自轉(zhuǎn)軸，且GOES的自轉(zhuǎn)軸與地球的自轉(zhuǎn)軸線大致對齊.EPS探測的高能質(zhì)子通量數(shù)據(jù)為5 min平均值.同時結合地磁指數(shù)AE, AL進行了事例分析.

3 典型事例分析

我們根據(jù)GOES衛(wèi)星的質(zhì)子通量數(shù)據(jù),同時利用地磁指數(shù)AE, AL，確定磁尾亞暴期間等離子體片離子注入內(nèi)磁層事件，再利用MCMU和MSTK兩個地磁臺站的FGM的高分辨率(8 Hz)數(shù)據(jù)，研究兩個臺站同時觀測到的IPDP事件與亞暴離子注入事件的關系.

圖1a顯示的是從2010年8月23日到24日時間段GOES 11衛(wèi)星探測的質(zhì)子通量的變化，圖1b顯示的是這兩天的AE, AL指數(shù)的變化.如圖1所示，在2010年8月23日23∶20 UT(14∶26 MLT)，質(zhì)子通量有一個快速的增長.同時，AE指數(shù)在之前也一直沒有太大變化，直到2010年8月23日23∶35 UT突然有一個大的增長.為了更好地顯示GOES 11衛(wèi)星測量的質(zhì)子通量的變化與AE, AL指數(shù)變化之間的對應關系，如圖2顯示的是圖1從2010年8月23日23∶00 UT到2010年8月24日04∶00 UT時間段，即圖1中兩條黑色豎線標注的時間段內(nèi)的質(zhì)子通量與AE指數(shù)的變化.由圖2可知在23∶35 UT時AE指數(shù)有一個快速增長.通過研究AE, AL指數(shù)的變化我們可以確定在2010年8月23日23∶35 UT有亞暴發(fā)生，質(zhì)子通量從23∶20 UT開始也有一個大的增長，所以可以確定此時有亞暴離子注入事件產(chǎn)生.

圖1 2010年8月23日到2010年8月24日質(zhì)子通量(a)和AE,AL指數(shù)(b)的變化 (圖中左邊的黑色豎線是亞暴起始，同時質(zhì)子通量有增長)Fig.1 (a) and (b) the variation of proton flux and AE,AL indices between 23th August 2010 and 24th August 2010, and the left side of black marked line represent the onset of substorm, the same time proton flux has an increase

地磁分量Bx的實際測量值減去它的滑動平均值之后(滑動窗的長度為128 s)可得出擾動量(ΔBx)，圖3是根據(jù)擾動量(ΔBx)經(jīng)過計算得到的功率頻譜圖和原始曲線圖.由圖3可知，MCMU和MSTK兩個臺站同時觀測到的一個Pc1-2事件.該事件發(fā)生于2010年8月24日00∶35 UT (16∶15 MLT)，事件持續(xù)時間段為00∶35—01∶10 UT.由于兩個臺站觀測到的Pc1-2事件都明顯存在頻率隨時間的增長，即在頻譜形態(tài)上有一定的斜率，因此我們確定這個Pc1-2事件為一個同時觀測的IPDP事件.MCMU和MSTK兩個臺站同時觀測的IPDP事件在形態(tài)上有些差異，其頻率漂移的斜率在MSTK觀測大于在MCMU觀測，這可能是由于波動的源區(qū)移動及源區(qū)與地磁觀測臺站的相對位置造成的.圖3b功率譜圖中MSTK地磁臺站在2∶00—3∶00 UT也觀測到Pc1-2事件，這也是IPDP事件，但在圖3a中MCMU卻沒有觀測到.這可能是由于IPDP波動產(chǎn)生的源區(qū)距離MCMU地磁臺站太遠，IPDP波動在電離層波導傳輸過程中衰減，導致未被MCMU臺站觀測到.

圖1—3的研究顯示，在IPDP事件發(fā)生之前，AE指數(shù)快速增長，且GOES 11衛(wèi)星也觀測到質(zhì)子通量快速增長，說明這個IPDP事件是由磁尾亞暴期間等離子體片離子注入內(nèi)磁層后西向漂移，激發(fā)EMIC波產(chǎn)生的.

圖2 GOES 11的質(zhì)子通量數(shù)據(jù)(a)和AE,AL指數(shù)(b)在2010年8月23日 23∶00 UT 到2010年8月24日04∶00 UT的變化Fig.2 The variation of proton flux from GOES 11 and AE, AL indices between 23∶00 UT 23th August 2010 and 04∶00 UT 24th August 2010

圖3 MCMU(A)和MSTK(B)在2010年8月24日的同時觀測到的IPDP事件Fig.3 (A) and (B) represent the IPDP wave event simultaneously observed by MCMU and MSTK in 24th August 2010

4 統(tǒng)計結果

我們挑選了MCMU和MSTK兩個臺站從2005年4月到2014年5月時間段內(nèi)同時觀測到的Pc1-2事件.當兩個臺站同時觀測的功率譜中存在大于0.1 Hz的頻帶信號并且振幅明顯大于背景平均振幅值，頻率有一個明顯的增長時，就判斷為一個有效的IPDP觀測事件，并且記錄下每個IPDP事件持續(xù)的時間段.將MLT劃分為8個時間段，分別為：0—3 MLT, 3—6 MLT, 6—9 MLT, 9—12 MLT,12—15 MLT, 15—18 MLT, 18—21 MLT, 21—24 MLT. 分別計算IPDP事件落在這8個MLT時間段的發(fā)生率.統(tǒng)計季節(jié)發(fā)生率時，季節(jié)的劃分如表1.

表1 季節(jié)的劃分Table 1 The definition of the season

我們所用的FGM數(shù)據(jù)是兩個地磁臺站從2005年4月到2014年5月這10年間的同時觀測數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析獲得IPDP事件發(fā)生率關于MLT和季節(jié)分布的統(tǒng)計特征.我們總共挑選了128個同時觀測的IPDP事件.圖4a說明兩個臺站的同時觀測到的IPDP事件可以發(fā)生在所有的MLT，但是最大發(fā)生率在15—18 MLT時間段.在不同季節(jié)，IPDP事件的發(fā)生率也有所不同.如圖4b所示最小的季節(jié)發(fā)生率在冬季，為13.28%，春夏秋都比較大，其中春季發(fā)生率最大，為32.81%.

5 討論與結論

EMIC波產(chǎn)生于磁赤道區(qū)域，由高能離子溫度的各向異性導致的離子回旋不穩(wěn)定性所激發(fā).圖4a顯示IPDP事件可以發(fā)生在所有的磁地方時，但是在15—18 MLT時間段發(fā)生率最大.在不同的季節(jié)，IPDP事件的發(fā)生率也有所不同，如圖4b所示，春夏秋都比較大，其中春季最大，達到32.81%，但在冬季發(fā)生率最小，僅為13.28%.圖4a顯示IPDP事件的日發(fā)生率在15—18 MLT時間段呈現(xiàn)峰值，可能是因為離子回旋不穩(wěn)定區(qū)域的西向漂移質(zhì)子遇到高密度的等離子體層plume區(qū)或等離子體層頂都有利于產(chǎn)生EMIC波，等離子體層plume多形成于黃昏側，并向日側延伸(Yuan et al., 2010，Yuan et al., 2012b)，所以IPDP事件多出現(xiàn)在黃昏側(Lee and Kwok, 1984, Hayakawa et al., 1992).而且MCMU和MSTK的L值分別為5.35和4.22,是經(jīng)常觀測到等離子體層plume所在的L值范圍，所以在15—18 MLT觀測到的IPDP事件較多，發(fā)生率高.根據(jù)上述圖4b可看出IPDP的季節(jié)分布特征，一是在冬季發(fā)生率最低，僅為13.28%，二是春夏秋發(fā)生率都比較大，其中春季發(fā)生率最高，達到32.81%.這可能與EMIC波的傳播有關系.EMIC波沿地球磁力線從磁層傳播到電離層E層并且向四周傳播.EMIC波在電離層波導中傳播時，電離層的電導率起著非常重要的作用.當缺少光照時，電離程度低，電導率小，不利于Pc1-2傳播 (Kim et al., 2011； 邱奕婷等，2014).CARISMA地磁臺鏈位于北美大陸，冬季缺少光照，因此IPDP波事件在冬季較少，發(fā)生率低.而在夏季由于在北美大陸光照強，電離程度高，電離層電導率大，有利于IPDP波的傳播，所以夏季IPDP事件多，發(fā)生率高.但從圖4b可以看出IPDP事件在春秋季發(fā)生率也比冬季高，而且在春季的發(fā)生率最高，秋季的發(fā)生率分別低于春季和夏季.這可能是因為在春分、秋分時地磁活動增強所致(Saito, 1969).亞暴的強度和地磁活動有一個顯著的年變化，二分點的最大值在春季和秋季之間變化(Mursula et al., 2011).圖5顯示的是從2005年4月到2014年5月時間段內(nèi)春夏秋冬各季節(jié)內(nèi)Kp指數(shù)大于3的數(shù)據(jù)點數(shù)的歸一化出現(xiàn)率.由圖5可知，Kp指數(shù)關于季節(jié)的歸一化出現(xiàn)率是春季高于夏季，夏季高于秋季，秋季高于冬季.因此春季的亞暴強度和地磁活動比秋季強，磁尾等離子體片離子注入事件多，利于IPDP波動的產(chǎn)生，所以春季的發(fā)生率高于秋季.同時可能因為春秋季的電離層電導率一般明顯小于夏季，不利于波動的傳播，且秋季的亞暴強度和地磁活動比春季弱，磁尾等離子體片離子注入事件沒有春季多，所以秋季的發(fā)生率低于夏季.綜上所述說明IPDP事件關于季節(jié)分布的發(fā)生率同時受到電離層電導率和亞暴發(fā)生率的影響.

圖4 MCMU和MSTK 兩個臺站同時觀測的IPDP事件關于MLT(a)和季節(jié)(b)的分布Fig.4 (a) and (b) represent the occurrence rate distribution of IPDP event simultaneously observed by MCMU and MSTK in MLT and season respectively

圖5 2005年4月到2014年5月時間段內(nèi)Kp指數(shù) 大于3 的數(shù)據(jù)點數(shù)關于季節(jié)的歸一化出現(xiàn)率Fig.5 From April 2005 until May 2014, normalized rate distribution of Kp>3 in season

基于GOES衛(wèi)星、加拿大CARISMA地磁臺站的聯(lián)合觀測數(shù)據(jù)，本文研究了IPDP事件的產(chǎn)生與亞暴磁尾注入的關系.同時，利用CARISMA地磁臺鏈中的MCMU和MSTK兩個臺站，從2005年4月到2014年5月期間的觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了亞暴期間的IPDP事件，研究了IPDP事件的出現(xiàn)率關于季節(jié)和磁地方時的分布.統(tǒng)計結果表明：IPDP事件關于季節(jié)分布的發(fā)生率，冬季最小，春季最大.IPDP事件關于季節(jié)分布的發(fā)生率受到電離層電導率及亞暴發(fā)生率的影響.兩個臺站同時觀測到的IPDP事件最大出現(xiàn)率出現(xiàn)在15—18 MLT，結果表明IPDP事件主要由亞暴期間產(chǎn)生的高能離子注入內(nèi)磁層，西向漂移遇到等離子體層羽狀結構區(qū)的高密度等離子體所激發(fā).

致謝 本文所用GOES 11衛(wèi)星數(shù)據(jù)來源于NASA Space Physics Data Facility(http:∥spdf.gsfc.nasa.gov/)網(wǎng)站下載的, 地磁指數(shù)數(shù)據(jù)來源于Geomagnetic Data service (http:∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/wdc/Sec3.html).本文所用FGM的數(shù)據(jù)來源于CARISMA.

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(本文編輯 汪海英)

Statistical study of IPDP events observed by the CARISMA network of magnetometers

ZHOU Ming-Xia, YUAN Zhi-Gang*, LI Hai-Meng, WANG De-Dong,YU Xiong-Dong, WANG Zhen-Zhen, QIAO Zheng

SchoolofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430072,China

During substorms energetic ions injected from the magnetotail plasma sheet can excite electromagnetic ion cyclotron (EMIC) waves in the inner magnetosphere. As a signature of EMIC waves, the interval of pulsations of diminishing periods (IPDP) is observed by ground-based magnetometers. The generating mechanism of IPDP waves is closely associated with substorm injected energetic ions during substorms. In addition, the occurrence rate of IPDP waves in the inner magnetosphere is very important to study the dynamics of the magnetosphere.Firstly, with observations of magnetometers at MCMU and MSTK stations of CARISMA network in Canada and the GOES 11 satellite for the typical IPDP events, the relationship between IPDP and the energetic ions injected from the magnetotail plasma sheet during substorms was revealed. Then based on the observations of magnetometers at MCMU and MSTK stations of CARISMA network between April 2005 and May 2014, we statistically analyzed the occurrence rate distribution of IPDP events in seasons and magnetic local time (MLT).The results for the typical case show that during substorms, energetic ions injected from the magnetotail plasma sheet can excite IPDP waves in the inner magnetosphere. For the statistics, a total of 128 IPDP wave events have been simultaneously observed by both MCMU and MSTK stations. The maximum occurrence rate of the events is between 15 MLT and 18 MLT, corresponding to the region of plasmasphere plumes. The IPDP events have the least occurrence rate in winter (13.28%), the highest occurrence rate is in spring (32.81%). The least occurrence rate in winter should be related to the ionospheric conductivity while the highest in spring is associated with the spring-autumn asymmetry of substorm and geomagnetic activity.The case study and statistics show that IPDP events are mainly generated by energetic protons, which can be injected into the inner magnetosphere during substorms and drift westward and encounter the plasmaspheric plume. In addition, the occurrence rate of IPDP events is affected by the ionospheric conductivity and the occurrence rate of substorms.

EMIC； IPDP； Substorm injection； Occurrence rate

10.6038/cjg20150702.

國家自然科學基金(41174140,41221003,41374168), 高等學校博士點基金(20110141110043), 新世紀優(yōu)秀人才項目(NCET-13-0446)共同資助.

周銘霞，女，1989年生，碩士研究生，主要從事電離層磁層物理方面的研究.E-mail: mingxiazhou@whu.edu.cn

*通訊作者 袁志剛, 男，1974年生，教授，主要從事電離層磁層耦合方面的研究.E-mail: y_zgang@vip.163.com

10.6038/cjg20150702

P352

2014-10-13，2015-06-19收修定稿

周銘霞，袁志剛，李海夢等. 2015. 基于CARISMA地磁臺鏈觀測的IPDP事件的統(tǒng)計分析.地球物理學報，58(7):2235-2241,

Zhou M X, Yuan Z G, Li H M, et al. 2015. Statistical study of IPDP events observed by the CARISMA network of magnetometers.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(7):2235-2241,doi:10.6038/cjg20150702.