電離層中緯槽極小的位置變化及其控制因素研究

劉裔文，徐繼生，徐良，尹凡

武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，武漢 430072

1 引言

電離層中緯槽特指亞極光區(qū)電離層等離子體濃度的耗盡結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)在幾乎所有的經(jīng)度但緯度很窄的區(qū)域（Moffett and Quegan，1983；Rodger et al.，1992）.這一結(jié)構(gòu)最早由Muldrew和Sharp報道 （Muldrew，1965；Sharp，1966）.中緯槽基本上是一種夜間現(xiàn)象（Moffett and Quegan，1983），但也有許多晝側(cè)中緯槽的觀測證據(jù) （Kersley et al.，1997；Whalen，1989；Voiculescu et al.，2006）.一般認(rèn)為，電離層中緯槽的形成和維持是磁層等離子體對流的結(jié)果（Knudsen，1974；Knudsen et al.，1977）.另外，H＋上行、氮分子濃度增加或中性風(fēng)壓低F層導(dǎo)致的復(fù)合速率增加，對電離層中緯槽的形成也有一定貢獻(xiàn)（Schunk and Banks，1975；Schunk et al.，1976）.還有研究表明，亞極光區(qū)快速離子流（SAID）與中緯槽的形成也存在關(guān)聯(lián) （Rodger et al.，1992；Mishin et al.，2004；Voiculescu and Roth，2008）.

由于地球空間環(huán)境條件的變化，中緯槽位置經(jīng)常處于運(yùn)動變化狀態(tài).在地磁平靜期，中緯槽位置的變化與磁地方時、經(jīng)度和季節(jié)等因素有關(guān).磁擾動期間，中緯槽經(jīng)常出現(xiàn)赤道向運(yùn)動.此前，已有許多研究者利用來自多種技術(shù)手段的觀測數(shù)據(jù)，研究了中緯槽位置的變化及其影響因素.大量的研究關(guān)注中緯槽的運(yùn)動與地磁活動的關(guān)系.表征地磁活動最常用的指標(biāo)是Kp指數(shù)，很多作者研究了Kp指數(shù)與中緯槽極小位置變化的聯(lián)系，給出了各種中緯槽極小位置與Kp指數(shù)變化的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式（K?hnlein and Raitt，1977；Spiro et al.，1978；Dudeney et al.，1983；Collis and H?ggstr?m，1988）.不過，Werner和Pr?lss認(rèn)為，用AE6指數(shù)來表征暴時中緯槽的運(yùn)動更合適（Werner and Pr?lss，1997）.此外，也有研究者認(rèn)為，DR 指數(shù)（Deminov et al.，1996）和 AL 指數(shù)（Zou et al.，2011）更適用于表征暴時中緯槽運(yùn)動特征.鑒于中緯槽與高緯電離層對流圖像存在密切聯(lián)系，而對流圖像主要受太陽風(fēng)電場和行星際磁場的控制，Voiculescu等曾詳細(xì)地研究過中緯槽發(fā)生率與IMF－Bz和IMF－By極性之間的關(guān)系（Voiculescu et al.，2006；Voiculescu and Nygrén，2007）.He等（2011）利用COSMICNmF2和hmF2觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，夜間中緯槽出現(xiàn)的緯度存在一個9天的波動周期，且與太陽風(fēng)速度存在明顯的對應(yīng)關(guān)系，他們認(rèn)為太陽風(fēng)速度可能更適合用來預(yù)測中緯槽出現(xiàn)的位置.還有一些作者研究了暴時中緯槽的運(yùn)動與磁暴暴相的聯(lián)系.利用EISCAT 雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)，Collis和 H?ggstr?m（1991）得到1987年3月25日磁暴期間中緯槽在磁暴急始后的兩小時內(nèi)往低緯移動超過10°.Deminov等（1992，1996）分析1978—1979年間的14個磁暴，發(fā)現(xiàn)中緯槽在初相未結(jié)束時就開始往赤道運(yùn)動.利用CIT技術(shù)，Bust等（1997）對1993年11月磁暴主相極大期間與磁暴前一天（磁靜日）近似相同時段中緯槽所在位置進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)在暴時中緯槽顯著往赤道方向移動.

本文利用2000年至2010年近10年間CHAMP衛(wèi)星朗繆爾探針實(shí)地測量的電子密度數(shù)據(jù)，首先分析了地磁平靜期中緯槽位置的變化對磁地方時和地理經(jīng)度的依賴.然后，通過統(tǒng)計分析，考察了中緯槽的運(yùn)動與磁情指數(shù)和太陽風(fēng)速度以及太陽風(fēng)電場的關(guān)聯(lián).本文的研究結(jié)果對中緯槽建模有重要的參考價值.

2 數(shù)據(jù)和中緯槽識別方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文用于分析電離層中緯槽特征的數(shù)據(jù)來自CHAMP衛(wèi)星載朗繆爾探針（Planar Langmuir Probe，簡稱PLP）的電子密度測量.CHAMP衛(wèi)星于2000年7月15日發(fā)射升空，于2010年9月19日停止飛行，軌道傾角為87.3°，軌道運(yùn)行周期約為1.57h，軌道初始高度為454km.CHAMP衛(wèi)星PLP電子密度測量的范圍為108～1012m－3，時間分辨率為15s.CHAMP衛(wèi)星載PLP電子密度測量數(shù)據(jù)已經(jīng)過驗(yàn)證，表明測量數(shù)據(jù)是可靠的（McNamara et al.，2007）.

為了研究暴時中緯槽運(yùn)動的控制因素，本文用到太陽風(fēng)和行星際磁場數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由ACE（Advanced Composition Explorer）衛(wèi)星測量得到.ACE衛(wèi)星于1997年8月25日發(fā)射升空，軌道中心位于日地之間的拉格朗日點(diǎn)L1，距離地球約235.5RE，軌道運(yùn)行周期約6個月.本文所用的數(shù)據(jù)主要包括磁場測量儀MAG提供的行星際磁場數(shù)據(jù)，和太陽風(fēng)電子、質(zhì)子、alpha粒子監(jiān)測儀SWEPAM提供的太陽風(fēng)速度和密度數(shù)據(jù).MAG和SWEPAM采集數(shù)據(jù)的時間分辨率分別為16s和64s.按照Weimer等（2003）給出的方法，太陽風(fēng)和行星際磁場數(shù)據(jù)經(jīng)過了適當(dāng)?shù)臅r延處理.時延后，太陽風(fēng)和行星際磁場數(shù)據(jù)都近似地投影到XGSE軸上距地球10RE處的地球磁層頂?shù)奈恢?

2.2 中緯槽識別方法

為了從CHAMP衛(wèi)星載PLP的海量測量數(shù)據(jù)中自動識別中緯槽，我們基于槽的基本特征，編寫了一個中緯槽自動識別程序.首先把每條完整軌道分成4段，每段均從赤道到極區(qū)或從極區(qū)到赤道.從赤道到極區(qū)，電離層經(jīng)常存在三種典型的大尺度結(jié)構(gòu)，即電離赤道異常、中緯槽和高緯槽.我們假定中緯槽的低緯邊界最低在不變量磁緯40°以上，這樣，在絕大多數(shù)情況下，可以有效地區(qū)分電離赤道異常和中緯槽.在很多情況下，中緯槽和高緯槽同時被檢測到，并且其位置的可變性很大，很難完全區(qū)分.為了盡量區(qū)分兩者，我們假定中緯槽的極側(cè)邊界最高在不變量磁緯75°以下，且當(dāng)兩個槽狀結(jié)構(gòu)同時出現(xiàn)時，我們選赤道側(cè)的槽作為中緯槽.

利用中緯槽自動識別程序，處理了2000年至2010年CHAMP衛(wèi)星載PLP測量數(shù)據(jù)，總共識別出33695個中緯槽，其中北半球共20554個，南半球共13141個.對每個識別出的中緯槽結(jié)構(gòu)，分別確定槽的赤道側(cè)邊界、槽的極小和槽的極側(cè)邊界的位置以及對應(yīng)的電子密度值.基于這些中緯槽數(shù)據(jù)，分析地磁平靜期和擾動期中緯槽位置的變化及其控制因素.

圖1是靜日夜間典型的中緯槽示例.如圖1所示，槽的基本特征是在中緯和高緯之間一個較窄的緯度帶上，電離密度顯著低于其兩側(cè)的背景電子密度，即出現(xiàn)電離密度耗盡（depletion）.圖1中，南半球中緯槽區(qū)位于不變量緯度約57°S—67°S之間，北半球中緯槽區(qū)位于不變量緯度約55°N—65°N之間.在槽的赤道側(cè)邊界和極側(cè)邊界之外，電離密度隨緯度的變化相對平緩，在兩者之內(nèi)的緯度帶，電子密度出現(xiàn)很陡的正梯度和負(fù)梯度.在大多數(shù)情況下，可以較準(zhǔn)確地識別槽極小的位置，而槽的極側(cè)邊界和赤道側(cè)邊界有時不容易準(zhǔn)確識別.因此，本文主要用中緯槽極小來表征中緯槽的位置.

圖1 靜日夜間南半球（a）和北半球（b）中緯槽示例.圖中箭頭所指分別是槽的赤道側(cè)邊界、極小位置和極側(cè)邊界Fig.1 Examples of mid－latitude trough at midnight in（a）southern hemisphere and （b）northern hemisphere during quiet time.The arrows point out the equator－side boundary，the minimum，and the polar－side boundary of mid－latitude trough respectively

3 地磁平靜期中緯槽位置隨磁地方時和地理經(jīng)度的變化

圖2 由CHAMP衛(wèi)星載PLP測量數(shù)據(jù)識別的中緯槽極小位置的磁地方時分布.上圖為北半球，下圖為南半球Fig.2 Scatter plot of mid－latitude trough minimum position with magnetic local time based on CHAMP PLP measurements.The upper plot represents northern hemisphere，and the lower plot represents southern hemisphere

圖2 是2000年至2009年近10年間地磁平靜期（Kp＜3）中緯槽極小對應(yīng)的不變量磁緯的地方時分布.由圖2可以看到，電離層中緯槽基本上是一種夜間現(xiàn)象，從磁地方時較早的黃昏開始頻繁出現(xiàn)，直至黎明前，白天出現(xiàn)較少.從黃昏到午夜前，電離層中緯槽對應(yīng)的緯度逐漸降低，午夜前至黎明前，槽極小所在的緯度最低，但隨磁地方時的變化較小.南北半球槽的位置隨磁地方時變化的特征基本相同.早晨至午后，槽出現(xiàn)較少，主要集中在較高的緯度上，更像是高緯槽.

為了定量地分析中緯槽位置對磁地方時的依賴關(guān)系，我們以30min間隔把一天內(nèi)中緯槽位置分成48份，然后求每個時間間隔內(nèi)中緯槽位置的平均值.在此基礎(chǔ)上，利用多項(xiàng)式擬合技術(shù)，得到南北半球平均中緯槽位置隨磁地方時變化的擬合關(guān)系式分別為

式中t代表磁地方時，N和S分別表示北半球和南半球.

圖3是2000年至2009年地磁平靜期平均中緯槽位置隨磁地方時變化及其多項(xiàng)式擬合曲線.圖中散點(diǎn)是每30min間隔內(nèi)平均的中緯槽位置，短豎線表示其標(biāo)準(zhǔn)差.如圖所示，中午前后中緯槽位置對應(yīng)的緯度最高，在南北半球，不變量磁緯均達(dá)到70°附近，而在午夜前后，中緯槽位置對應(yīng)的緯度最低，在南北半球，均位于不變量磁緯60°附近，南半球比北半球平均約高1.7°.此外，還可以看到，南北半球中緯槽位置隨磁地方時變化具有很好的對稱性.此前，利用早期的AE－C等衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)以及地基臺站觀測數(shù)據(jù)，科學(xué)家們對中緯槽位置隨磁地方時的變化做了大量研究（Moffett and Quegan，1983；K?hnlein and Raitt，1977；Spiro et al.，1978），本文的結(jié)果與前人的研究結(jié)果基本一致.

圖3 地磁平靜期中緯槽位置隨磁地方時的變化.實(shí)線是多項(xiàng)式擬合曲線，散點(diǎn)和短豎線分別是對應(yīng)時刻的平均中緯槽位置和標(biāo)準(zhǔn)差Fig.3 Variation of mid－latitude trough minimum position with magnetic local time during geomagnetic quiet time.The solid curve is obtained by polynomial fitting.The scatter and short vertical line show average position and standard deviation respectively

圖4是2000年至2009年地磁平靜期午夜前后（2300—0100MLT），平均中緯槽位置隨地理經(jīng)度的變化.圖4中的虛線表示經(jīng)度平均的中緯槽位置，其中北半球平均中緯槽位置位于不變量磁緯約60.4°N，南半球位于不變量磁緯約60.9°S.如圖4所示，南北兩個半球中緯槽位置隨地理經(jīng)度呈現(xiàn)大致相同的變化趨勢，即整體上西半球中緯槽所處緯度高于東半球.在北半球30°W附近，中緯槽位置達(dá)到約65°N，120°E附近中緯槽位置降低至約55°N，最大相差約10°.在南半球約60°W附近中緯槽位置達(dá)到64°S左右，在140°E附近降低至約58°N，最大相差約6°.

圖4 地磁平靜期2300—0100MLT中緯槽位置隨經(jīng)度的變化.實(shí)線是多項(xiàng)式擬合曲線，散點(diǎn)和短豎線分別是對應(yīng)時刻的平均中緯槽位置和標(biāo)準(zhǔn)差Fig.4 Variation of mid－latitude trough minimum position with geographic longitude between 23MLT and 01MLT during geomagnetic quiet time.The solid curve is obtained by polynomial fitting.The scatter and short vertical line show average position and standard deviation respectively

通過多項(xiàng)式擬合，得到南北半球平均中緯槽位置隨經(jīng)度變化的擬合關(guān)系式分別為需要指出，中緯槽位置隨磁地方時和地理經(jīng)度變化是2000年至2009年近10年觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，季節(jié)和太陽活動周期對中緯槽位置變化可能有潛在的影響.為此，我們統(tǒng)計分析了中緯槽位置隨月份的變化和逐年變化.圖5給出2000年至2009年地磁平靜期中緯槽位置隨月份的變化.從圖5可以看出，在兩分點(diǎn)月份中緯槽位置稍高于兩至點(diǎn)月份.不過，兩分點(diǎn)月份和兩至點(diǎn)月份中緯槽位置變化幅度很小，最大變幅不超過1.5°.圖6給出2000年至2009年地磁平靜期中緯槽位置的逐年變化.從圖6可以看出，從太陽活動高年到太陽活動低年，中緯槽位置所在緯度稍微升高，但升高幅度很小，基本不超過1°.由于季節(jié)和太陽活動周期對中緯槽位置的影響很小，本文忽略季節(jié)和太陽活動周期的影響.

4 中緯槽運(yùn)動的控制因素

大量研究表明，磁擾動條件下，中緯槽經(jīng)常顯著地朝赤道方向運(yùn)動.下面，我們將利用2000—2009年近10年夜間（21—06MLT）中緯槽極小位置數(shù)據(jù)、地磁數(shù)據(jù)以及ACE衛(wèi)星的行星際磁場和太陽風(fēng)測量數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析，探討中緯槽運(yùn)動的控制因素.

圖5 地磁平靜期中緯槽位置隨月份變化，空心圓圈代表北半球，實(shí)心十字代表南半球Fig.5 Variation of mid－latitude trough minimum position with month during geomagnetic quiet time.The hollow circle represents northern hemisphere，and the solid cross represents southern hemisphere

圖6 地磁平靜期中緯槽位置逐年變化，空心圓圈代表北半球，實(shí)心十字代表南半球Fig.6 Variation of mid－latitude trough minimum position with month during geomagnetic quiet time.The hollow circle represents northern hemisphere，and the solid cross represents southern hemisphere

4.1 中緯槽運(yùn)動與AE和SYM－H指數(shù)的聯(lián)系

此前，已經(jīng)有許多研究者考察了中緯槽與地磁擾動的聯(lián)系（K?hnlein and Raitt，1977；Spiro et al.，1978；Dudeney et al.，1983；Collis and H?ggstr?m，1988；Werner and Pr?lss，1997；Deminov et al.，1996；Zou et al.，2011）.大部分研究都用Kp指數(shù)表征地磁擾動水平，得到中緯槽極小位置隨Kp指數(shù)變化的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式.AE指數(shù)和SYM－H指數(shù)也是表征地磁活動性的常用指數(shù)，其中，AE指數(shù)表征極光電集流活動性，反映極區(qū)磁亞暴的強(qiáng)度；SYM－H指數(shù)反映磁層中赤道環(huán)電流強(qiáng)度，一般用于表征磁暴的強(qiáng)度.本文以極光電集流指數(shù)AE和環(huán)電流指數(shù)SYM－H作為地磁擾動的指標(biāo)，統(tǒng)計分析AE指數(shù)和SYM－H指數(shù)與中緯槽極小位置變化的聯(lián)系.

圖7是2000年至2009年平均中緯槽極小對應(yīng)的不變量磁緯Λ隨環(huán)電流指數(shù)SYM－H變化的散點(diǎn)圖.圖中散點(diǎn)代表在給定SYM－H間隔內(nèi)中緯槽極小位置的平均值，最右邊的散點(diǎn)代表SYM－H指數(shù)大于等于150nT統(tǒng)計得到的所有平均中緯槽極小位置，垂直豎短線表示標(biāo)準(zhǔn)差的范圍，實(shí)線是對散點(diǎn)的線性擬合.

如圖7所示，隨著SYM－H指數(shù)減小，中緯槽極小明顯向更低緯度移動，平均中緯槽極小對應(yīng)的不變量磁緯Λ與SYM－H之間存在顯著線性相關(guān).線性回歸式為

Λ（°N）＝0.04×SYM－H＋59.70，

圖7 中緯槽極小位置隨SYM－H指數(shù)變化散點(diǎn)圖.（a）北半球；（b）南半球Fig.7 Variation of mid－latitude trough minimum position with SYM－Hindex.（a）Northern hemisphere；（b）Southern hemisphere

SYM－H指數(shù)單位為nT.

SYM－H指數(shù)表征赤道環(huán)電流的變化.圖7的統(tǒng)計結(jié)果表明，中緯槽極小的位置與赤道環(huán)電流的變化密切相關(guān).增強(qiáng)的磁擾動導(dǎo)致增強(qiáng)的等離子體片離子注入，增強(qiáng)的離子注入使赤道環(huán)電流增強(qiáng)，并可能使赤道環(huán)電流位置更靠近地表，進(jìn)而引起中緯槽向更低緯度移動.

圖8是2000年至2009年平均中緯槽極小對應(yīng)的不變量磁緯Λ隨AE指數(shù)變化的散點(diǎn)圖.圖中每個散點(diǎn)代表在給定AE間隔內(nèi)中緯槽極小位置的平均值，最右邊的散點(diǎn)代表AE指數(shù)大于等于1200nT統(tǒng)計得到的全部平均中緯槽極小位置，垂直豎短線表示標(biāo)準(zhǔn)差的范圍，實(shí)線是對散點(diǎn)的線性擬合.

如圖8所示，在地磁相對平靜期，AE指數(shù)很低，南北半球平均中緯槽極小的位置在不變量磁緯61°上下.隨著AE指數(shù)增加，平均中緯槽極小的位置向更低緯度移動.整體上，南北半球中緯槽極小從61°左右移動到52°左右.平均中緯槽極小對應(yīng)的不變量磁緯與AE指數(shù)之間也存在很好的線性相關(guān).線性擬合得到

AE指數(shù)單位為nT.

AE指數(shù)表征極光電集流的強(qiáng)度.隨地磁擾動增強(qiáng)，極光橢圓和極光電集流都向較低的緯度移動，極光卵的赤道側(cè)邊界也隨之向更低的緯度移動，擠壓中緯槽向更低緯度移動.

此前，已有許多研究者嘗試?yán)么徘橹笖?shù)來預(yù)測中緯槽位置.早期的研究者普遍采用Kp指數(shù)，例如，Collis和H?ggstr?m利用1986年4月至1987年4月EISCAT雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù)，建立了中緯槽位置隨Kp指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式（Collis and H?ggstr?m，1988）.不過，Rodger等認(rèn)為，Kp指數(shù)不適合用于預(yù)測中緯槽位置（Rodger et al.，1986）.Werner和Pr?lss定義了一個修正的AE指數(shù)，稱作AE6.他們利用1981年8月至1983年2月DE－2衛(wèi)星700km以下的電子密度觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，指出AE6指數(shù)可能更適合用來預(yù)測電離層槽出現(xiàn)位置（Werner and Pr?lss，1997）.不過，中緯槽位置與SYM－H指數(shù)的統(tǒng)計分析此前還未見報道.本文的統(tǒng)計結(jié)果表明，中緯槽位置與SYM－H指數(shù)存在密切聯(lián)系，也可以用來預(yù)測中緯槽位置.

圖8 中緯槽極小位置隨AE指數(shù)變化散點(diǎn)圖.（a）北半球；（b）南半球Fig.8 Variation of mid－latitude trough minimum position with AE index.（a）Northern hemisphere；（b）Southern hemisphere

4.2 中緯槽運(yùn)動與太陽風(fēng)速度和電場變化的聯(lián)系

如上所述，中緯槽極小對應(yīng)的不變量磁緯的變化與AE指數(shù)和SYM－H指數(shù)的變化呈顯著線性相關(guān).不過，AE指數(shù)和SYM－H指數(shù)的變化與行星際磁場和太陽風(fēng)的變化有關(guān)，是太陽風(fēng)能量、動量和粒子進(jìn)入地球空間的結(jié)果.下面進(jìn)一步分析太陽風(fēng)速度Vx分量和太陽風(fēng)電場Ey分量的變化與中緯槽運(yùn)動的聯(lián)系.

圖9給出統(tǒng)計得到的2000年至2009年平均中緯槽極小位置隨太陽風(fēng)速度Vx分量變化的散點(diǎn)圖.圖中，當(dāng)Vx較小時是以20km·s－1間隔對中緯槽極小位置進(jìn)行統(tǒng)計平均，而當(dāng)Vx量值較大時，由于樣本點(diǎn)較少，因此采取不均勻間距進(jìn)行統(tǒng)計平均，南北半球最右側(cè)散點(diǎn)代表Vx＞1000km·s－1對應(yīng)的統(tǒng)計平均值.從圖9可以看出，隨著太陽風(fēng)速度Vx從300km·s－1增加至1000km·s－1，南北半球中緯槽極小均從62°左右移動到51°左右.且從統(tǒng)計平均角度看，南北半球中緯槽極小位置與太陽風(fēng)速度Vx分量都呈顯著相關(guān).關(guān)于中緯槽極小的位置與太陽風(fēng)的聯(lián)系，此前He等（2011）的研究發(fā)現(xiàn)，伴隨太陽風(fēng)速度的9天周期性變化，夜間中緯槽極小所在磁緯也存在一個9天的周期性變化，其變化幅度約為1°～1.5°.本文利用近10年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，證實(shí)太陽風(fēng)能量對中緯槽位置存在顯著的控制作用.

圖9 北半球（a）和南半球（b）平均中緯槽極小位置隨Vx變化散點(diǎn)圖Fig．9 Variation of mid－latitude trough minimum position with xcomponent of solar wind velocity（Vx）．（a）Northern hemisphere，（b）Southern hemisphere

由于太陽風(fēng)是無碰撞等離子體，太陽風(fēng)電場可以理解為太陽風(fēng)速度和行星際磁場的矢積.忽略Vz和Bx，太陽風(fēng)電場晨－昏分量Ey≈Vx×Bz.可見，Ey的大小主要依賴Vx和Bz乘積的大小，其極性主要依賴Bz的極性.圖10是2000年至2009年平均中緯槽極小的位置隨太陽風(fēng)電場Ey分量變化的散點(diǎn)圖.同樣地，當(dāng)Ey絕對值較小時（｜Ey｜＜6時）取均勻間隔（0.5mV／m）進(jìn)行統(tǒng)計平均，而當(dāng)Ey絕對值較大時采取不均勻間距進(jìn)行統(tǒng)計平均，圖中最左側(cè)和最右側(cè)的散點(diǎn)代表｜Ey｜＞12對應(yīng)的平均中緯槽極小位置.

從圖10可以看出，太陽風(fēng)電場Ey分量無論是晨－昏向（正值）還是昏－晨向（負(fù)值），隨著Ey絕對值增加，中緯槽均明顯傾向于出現(xiàn)在更低的緯度.Ey＝0時，南北半球中緯槽極小均位于不變量磁緯60°左右.在北半球，Ey≥12時中緯槽極小移動到49°左右，Ey≤－12時，中緯槽極小移動到51°左右，在南半球，Ey≥12時中緯槽極小移動到47°左右，Ey≤－12時，中緯槽極小移動到50°左右.這意味著晨－昏向Ey對中緯槽極小位置的影響似乎比昏－晨向Ey稍強(qiáng).統(tǒng)計分析表明，南北半球中緯槽極小位置與｜Ey｜呈顯著線性相關(guān).線性擬合得到

圖10 平均中緯槽極小位置隨太陽風(fēng)電場Ey變化散點(diǎn)圖.（a）北半球，（b）南半球結(jié)果Fig.10 Variation of mid－latitude trough minimum position with dawn－dark component of solar wind electric field （Ey）.（a）Northern hemisphere，（b）Southern hemisphere

此前，關(guān)于中緯槽極小的位置隨太陽風(fēng)電場變化的研究結(jié)果很少.有研究指出，Dst小于－100nT的強(qiáng)磁暴與持續(xù)3h以上的IMF－Bz南向存在很好的一一對應(yīng)關(guān)系（Rodger et al.，1986），這暗示太陽風(fēng)電場的極性對中緯槽極小的位置變化有某種程度的控制作用.與Rodger等（1986）的研究結(jié)果稍有不同，本文的統(tǒng)計結(jié)果表明，對中緯槽極小的位置變化起主要控制作用的不是太陽風(fēng)電場的極性，而是太陽風(fēng)電場的大小.這說明控制中緯槽運(yùn)動的因素可能很復(fù)雜.也許晨－昏向Ey會導(dǎo)致中緯槽在磁暴主相期間顯著往赤道方向運(yùn)動，而昏－晨向Ey則可能在磁暴恢復(fù)相等條件下對中緯槽出現(xiàn)位置起控制作用.對此還有待進(jìn)一步研究.

5 總結(jié)

本文利用2000年至2009年近10年間CHAMP衛(wèi)星朗繆爾探針實(shí)地測量的電子密度數(shù)據(jù)，分析了中緯槽的位置變化以及引起中緯槽的位置變化的控制因素，首次考察了中緯槽的位置對地理經(jīng)度的依賴和太陽風(fēng)晨昏電場對中緯槽位置變化的控制作用.研究結(jié)果表明，在地磁平靜期，磁地方時和地理經(jīng)度是引起中緯槽位置變化的主要因素，磁地方時的控制作用在南北半球基本對稱，而中緯槽位置變化的經(jīng)度效應(yīng)表現(xiàn)為，整體上西半球槽的位置高于東半球，北半球中緯槽位置隨經(jīng)度變化的幅度稍高于南半球.統(tǒng)計分析表明，AE指數(shù)和SYM－H指數(shù)與中緯槽位置的變化顯著相關(guān)，表明極光電集流和環(huán)電流是中緯槽位置變化的重要控制因素.太陽風(fēng)晨昏電場與中緯槽位置變化的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，中緯槽位置的變化主要受太陽風(fēng)晨昏電場的量值變化的影響，而其極性的影響相對較弱.

本文分析結(jié)果表明太陽風(fēng)晨昏電場的極性對中緯槽位置變化沒有明顯的控制作用，這是一個與此前的研究不同的結(jié)果，其相關(guān)物理過程需要進(jìn)一步的研究.

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