地球等離子體層嘶聲的內(nèi)部源區(qū)

蘇振鵬，劉倪綱，何兆國，吳志勇

1 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

2 中國科學(xué)院 比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心，合肥 230026

3 中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院 行星環(huán)境與宜居性研究實驗室，珠海 519082

圖 等離子體層嘶聲內(nèi)部源區(qū)示意圖.源于磁尾的能量電子傳輸?shù)降入x子體層內(nèi)核以及羽流中，激發(fā)等離子體層嘶聲.不同角度的嘶聲傳播并覆蓋整個等離子體層Fig.Schematic diagram for the internal source of plasmaspheric hiss.Energetic electrons from the magnetotail penetrate into the plasmaspheric body and plume and destabilize the plasmaspheric hiss waves.These waves with different propagation angles could further spread over the entire plasmasphere

0 引言

在1960 年代初期，空間衛(wèi)星等離子體探測和地面人工電磁波探測各自獨立發(fā)現(xiàn)了地球等離子體層（Lemaire and Gringauz,1998）.等離子體層是由向陽側(cè)中低緯度電離層等離子體沿著磁力線向空間逃逸所形成的.在磁層平靜期，等離子體層形同一個環(huán)繞地球的輪胎，其赤道外邊界距離地心約為6RE（RE為地球半徑）.在磁層活動期，受到增強的對流作用，等離子體層的外層等離子體被剝蝕并向磁層頂輸運，導(dǎo)致形成大尺度的等離子體層羽流（Foster et al.,2002;Goldstein et al.,2004;Borovsky and Denton,2008）.從1960 年代末期開始，大量空間衛(wèi)星項目發(fā)現(xiàn)，在等離子體層核心和羽流中均存在一種頻率覆蓋幾十至數(shù)千赫茲的電磁波（Taylor et al.,1968;Dunckel and Helliwell,1969;Chan and Holzer,1976;Li et al.,2013;Chen et al.,2014;Ni et al.,2014）.該分布于等離子體層中的電磁波在通過揚聲器播放的時候具有類似“嘶嘶”的聲響，故得名“等離子體層嘶聲”.根據(jù)頻率分布，等離子體層嘶聲又被分為尋常（數(shù)百赫茲至數(shù)千赫茲）等離子體層嘶聲和異常低頻（數(shù)十赫茲）等離子體層嘶聲（Li et al.,2013;Chen et al.,2014;Ni et al.,2014）.自發(fā)現(xiàn)開始，等離子體層嘶聲就被認(rèn)為是控制輻射帶結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的重要等離子體波動.通過回旋共振過程，等離子體層嘶聲能夠?qū)⑤椛鋷щ娮由⑸淙霌p失錐進而導(dǎo)致其沉降進入大氣（Summers et al.,1998;Li et al.,2007;Breneman et al.,2015）.該機制被廣泛用以解釋磁層平靜期分割內(nèi)外輻射帶的槽區(qū)的形成（Lyons et al.,1972;Lyons and Thorne,1973;Abel and Thorne,1998;Meredith et al.,2007）以及磁層活動期外輻射帶電子通量的下降（Horne and Thorne,1998;Li et al.,2007;Xiao et al.,2009;Thorne,2010;Su et al.,2011;Ni et al.,2013,2014;Thorne,2013;Li et al.,2015;Li et al.,2017;Zhao et al.,2019）.

等離子體層嘶聲的來源是一個長期爭論的科學(xué)問題.1970 年代，Thorne 等（1973）提出等離子體層嘶聲是由背景等離子體內(nèi)部噪聲通過高能電子回旋共振放大生成.等離子體層外層生成的波經(jīng)歷多次反射和累積放大，最終填充整個等離子體層區(qū)域（Thorne et al.,1979）.1980 年代，衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的完善使得定量計算熱電子回旋共振不穩(wěn)定性成為可能.計算顯示，高能電子線性不穩(wěn)定性僅能提供約20 dB 的放大率（Church and Thorne,1983;Huang et al.,1983），而實際等離子體層嘶聲的功率譜密度比背景等離子體噪聲高10 個數(shù)量級，需要大約100 dB 的放大率.這些結(jié)果表明，高能電子線性不穩(wěn)定性過程不足以將背景等離子體噪聲放大為等離子體層嘶聲.考慮到有限的線性放大率，相關(guān)研究人員提出以具有更大譜強度的波動（例如，閃電產(chǎn)生的哨聲波）作為等離子體層嘶聲的外部源頭（Sonwalkar and Inan,1989;Christian et al.,2003）.Green 等（2005）統(tǒng)計分析了高頻（數(shù)千赫茲）等離子體層嘶聲的時空分布，結(jié)果顯示，扎根于陸地的磁力線區(qū)域具有更強的嘶聲，夏季較之于冬季具有更強的嘶聲.這些統(tǒng)計結(jié)果與閃電的時空分布特征相吻合，支持閃電哨聲是等離子體層嘶聲的外源.但是，該研究未涉及嘶聲的核心數(shù)十至數(shù)百赫茲頻段（Thorne et al.,1973;Li et al.,2013;Malaspina et al.,2017），也未解釋眾多統(tǒng)計數(shù)據(jù)所展示的嘶聲強度和分布對于亞暴活動的依賴性（Meredith et al.,2004）.Bortnik 等（2008）基于射線追蹤模擬提出，等離子體層外的哨聲模合聲波可能傳播進入等離子體層內(nèi)部，經(jīng)過反復(fù)的反射和雜亂化，最終演化成為等離子體層嘶聲.該機制隨后得到一些多點位觀測的支持（Summers et al.,2007;Bortnik et al.,2009;Wang et al.,2011;Li et al.,2015），并 在一段時間內(nèi)成為主流的等離子體層嘶聲的生成機制（Chen et al.,2012;Meredith et al.,2013;Yue et al.,2017）。因為合聲是由亞暴注入的熱電子直接激發(fā)的，所以嘶聲對于亞暴活動的依賴性可以歸結(jié)為合聲對于亞暴的依賴性（Li et al.,2009）。合聲在傳播過程中經(jīng)歷朗道阻尼，而阻尼強度與熱電子通量正相關(guān)。在向陽側(cè)，熱電子通量較低，阻尼較小，合聲更易于傳入等離子體層內(nèi)部演化為嘶聲.朗道阻尼強度的日夜不對稱性最終導(dǎo)致了嘶聲空間分布的日夜不對稱性（Bortnik et al.,2008;Chen et al.,2009）.Summers 等（2014）分析了等離子體層嘶聲的高分辨率時間—頻率譜，認(rèn)為看似雜亂無章的嘶聲譜實際是由若干不同頻段持續(xù)數(shù)十毫秒的上升和下降掃頻結(jié)構(gòu)所組成的.受該觀測啟發(fā)，Omura等（2015）提出高能電子能夠通過非線性回旋共振過程，高效地放大背景等離子體噪聲或者其他外部傳入的等離子體波，形成等離子體層嘶聲.較之于線性增長率，非線性增長率提高1 個數(shù)量級以上.這些觀測和理論研究再次激發(fā)了尋找等離子體層嘶聲內(nèi)部來源的興趣.

本文綜述最近5 年來關(guān)于地球等離子體層嘶聲內(nèi)部源區(qū)的研究進展.2012 年發(fā)射升空的Van Allen Probes（RBSP,Mauk et al.,2013）衛(wèi)星搭載了完善的粒子、電磁場和波動探測儀器，為完成這些研究提供了必要條件.研究結(jié)果顯示，嘶聲的內(nèi)源可能遍布廣闊的等離子體層區(qū)域，在結(jié)構(gòu)上涵蓋等離子體層核心和羽流，在地方時上涵蓋向陽和背陽側(cè)等離子體層，在徑向距離上涵蓋外層和內(nèi)層等離子體層.

1 等離子體層羽流嘶聲

以往統(tǒng)計研究顯示等離子體層羽流中存在較強的嘶聲波，但是其成因未做詳細(xì)的討論.通過分析RBSP 和THEMIS 衛(wèi)星（Angelopoulos et al.,2008）觀測數(shù)據(jù)以及理論計算，Su 等（2018a）發(fā)現(xiàn)等離子體層羽流中高能電子線性和非線性回旋共振能夠疊加放大背景等離子體噪聲形成嘶聲.

判斷嘶聲源區(qū)的一個重要依據(jù)是其能流密度矢量的方向.嘶聲潛在的外源，比如等離子體層外的合聲或閃電產(chǎn)生的哨聲，可以從南北兩個半球進入等離子體層，并經(jīng)歷反復(fù)彈跳傳播（Smith and Angerami,1968;Bortnik et al.,2008）.因此，大尺度上看，外源性嘶聲傾向于具有雙向傳播的特征，即，既有遠(yuǎn)離又有朝向赤道的能流密度矢量.相反地，嘶聲潛在的內(nèi)源集中于赤道附近，臨近源區(qū)的嘶聲應(yīng)當(dāng)具有遠(yuǎn)離赤道的能流密度矢量.如圖1 所示，向陽側(cè)高密度等離子體層羽流中，嘶聲具有準(zhǔn)平行傳播角和遠(yuǎn)離赤道的能流密度矢量，啟示其內(nèi)源特性.

圖1 RBSP 觀測的哨聲模波動激發(fā)和傳播事件.（a）冷等離子密度和赤道等離子體頻率與電子回旋頻率之比；（b）熱電子通量；（c）波譜強度；（d）波法向角；（e）橢圓率；（f）坡印廷矢量平行分量符號（修改自Su et al.,2018a）Fig.1 Generation and propagation of whistler-mode waves observed by RBSP-B.(a) Cold electron density and the equatorial ratio of plasma frequency to electron gyro-frequency;(b) Hot electron flux;(c) Waver power spectral density;(d) Wave normal angle;(e) Wave ellipticity;(f) Sign of the parallel component of the wave Poynting flux (modified from Su et al.,2018a)

圖2 進一步驗證高能電子回旋共振不穩(wěn)定性理論.基于觀測到的高能電子分布函數(shù)計算得到的哨聲波線性不穩(wěn)定性空間增長率與對應(yīng)的嘶聲能譜具有非常相似的頻率依賴特性.具體來說，兩者從低頻段開始急劇上升，在60 Hz 附近達到峰值，之后向高頻段緩慢下降，延伸至近1 kHz.這些計算結(jié)果表明，嘶聲是由背景等離子體噪聲通過高能電子回旋共振不穩(wěn)定性放大生成的.但是，線性不穩(wěn)定性增長率仍然處于較低的水平，不足以解釋嘶聲極高的強度（峰值幅度達到1 nT）.潛在的非線性不穩(wěn)定性過程是一個可能的物理機制，觀測驗證依賴于波動的高分辨率時間—頻率譜分析.如圖3 所示，等離子體層羽流嘶聲在低頻段呈現(xiàn)出無結(jié)構(gòu)雜亂的狀態(tài)，而在高頻段呈現(xiàn)出持續(xù)1 s 左右的掃頻結(jié)構(gòu)，類似于等離子體層外的合聲.這一觀測結(jié)果直接支持非線性回旋共振過程在等離子體層羽流嘶聲的形成中發(fā)揮重要作用.

圖2 RBSP-B 09:39 UT 左右觀測到的哨聲模波動的不穩(wěn)定性.（a）局地和（b）赤道熱電子相空間密度投擲角分布；（c）空間增長率和波譜強度隨頻率的依賴特征（修改自Su et al.,2018a）Fig.2 Whistler-wave instability for RBSP-B around 09:39 UT.(a) Local pitch angle distributions;(b) Equatorial pitch angle distributions;(c) Dependence of wave convective growth rate (solid line) and power spectral density (circles) on frequency(modified from Su et al.,2018a)

圖3 RBSP-B 爆發(fā)模式觀測的頻譜：（a）等離子體層嘶聲；（b）等離子體槽區(qū)合聲；（c，d）等離子體層羽流嘶聲（修改自Su et al.,2018a）Fig.3 Burst frequency-time spectra detected by RBSP-B.(a) Plasmaspheric hiss;(b) Plasmatrough chorus;(c,d) Plasmaspheric hiss(modified from Su et al.,2018a)

以上觀測和計算結(jié)果顯示，等離子體層羽流內(nèi)溫度各向異性的高能電子能夠自發(fā)放大背景等離子體噪聲生成嘶聲，背后的物理機制是線性和非線性回旋共振不穩(wěn)定性的結(jié)合（Kennel and Petschek,1966;Omura et al.,2015），即線性不穩(wěn)定性放大背景噪聲，波幅到達閾值之后，非線性不穩(wěn)定性得以觸發(fā)，波動快速增大至可觀測水平，電子相空間分布函數(shù)中的“空洞”和“尖峰”分別對應(yīng)生成上升調(diào)或下降調(diào)波動單元（Omura et al.,2015）.這一事例分析結(jié)果得到后續(xù)統(tǒng)計研究的支持（Shi et al.,2019）.

2 等離子體層外層和內(nèi)層嘶聲

等離子體層羽流嘶聲的研究啟示，只要有足夠的高能電子，等離子體層內(nèi)部便可能通過不穩(wěn)定性自發(fā)生成嘶聲（Su et al.,2018a）.嘶聲不穩(wěn)定性的核心源電子能量約為數(shù)十至數(shù)百keV，其運動行為同時受控于電場和磁場漂移.等離子體層粒子的能量約為eV，其運動行為由電場漂移主導(dǎo).這種行為差異允許高能電子在磁層活動期間，直接侵入等離子體層外層區(qū)域（Li et al.,2010），進而可能直接產(chǎn)生嘶聲.Liu 等（2020）給出一次向陽側(cè)觀測事例.如圖4 所示，亞暴注入的高能電子從磁尾進入內(nèi)磁層后會自西向東漂移.高能電子的注入特征最先由處于子夜側(cè)的GOES 衛(wèi)星組（Davis,2007）觀測到，隨后由處于晨側(cè)的RBSP-B 衛(wèi)星觀測到，而在正午側(cè)的RBSP-A 衛(wèi)星未觀測到.RBSP-B 衛(wèi)星清晰地觀測到了等離子體層嘶聲的單向傳播以及上升調(diào)結(jié)構(gòu)（圖5），表征其生成機制與等離子體層羽流中的嘶聲相似（Su et al.,2018a）.在長時間尺度上，該嘶聲頻譜下邊界表現(xiàn)出一種緩慢抬升的特征，也可由注入電子能譜的變化自洽解釋.亞暴注入電子呈現(xiàn)出明顯的能量依賴特性，即能量越高，漂移速度越快，到達時間越早.對應(yīng)地，波動頻率越低，所需的共振粒子能量越高.因此，楔形電子能譜對應(yīng)一個頻率緩緩上升的嘶聲頻譜.不同于晨側(cè)RBSP-B 的觀測，正午側(cè)RBSP-A 未直接觀測到亞暴注入電子，但卻看到了具有較大的傳播角和雙向的能流密度矢量的嘶聲.這些嘶聲必然是由其他區(qū)域傳播到此處的.如圖6 所示，RBSP-A 和RBSPB 兩顆衛(wèi)星觀測到的嘶聲頻率—時間譜表現(xiàn)出很好的吻合性，直接表明嘶聲可以由晨側(cè)傳播至正午側(cè)附近.兩顆衛(wèi)星觀測到的譜強度的對比可以推斷波動的有效傳播區(qū)域約為5 個磁地方時左右.在這段空間區(qū)域內(nèi)，嘶聲可能經(jīng)歷朗道阻尼（Wang et al.,2020）或逃逸出等離子體層（Zhu et al.,2015），最終達到低于探測器觀測下限的水平.這一事例展示了亞暴注入的高能電子可以有效地通過線性和非線性回旋共振不穩(wěn)定性在向陽側(cè)等離子體層外層生成嘶聲，并能夠在等離子體層內(nèi)部進行大尺度傳播.類似地，Su 等（2018b）發(fā)現(xiàn)亞暴注入可以在子夜側(cè)附近的等離子層外層中直接激發(fā)嘶聲，并向等離子體層內(nèi)層傳播.

圖4 2018 年1 月13 日等離子體層嘶聲事件總覽.（a）電子通量；（b，d）電子通量與背景等離子體密度；（c，e）波動強度（修改自Liu et al.,2020）Fig.4 Overview of plasmaspheric hiss event in January13,2018.(a) Hot electron differential flux profiles;(b,d) Hot electron differential energy spectra,with the overplotted local electron densities;(c,e) Wave magnetic power spectra (modified from Liu et al.,2020)

圖5 2018 年01 月13 日等離子體層內(nèi)波動不穩(wěn)定性.（a）等離子體層嘶聲強度；（b）波動法向角；（c）波動橢圓率；（d）波動能流矢量方向；（e）電子通量；（f）哨聲模波動空間增長率；（g）高分辨率波形；（h）高分辨率波譜（修改自Liu et al.,2020）Fig.5 Magnetospheric wave instability in plasmasphere on January 13,2018.(a) Wave magnetic power spectra;(b) Wave normal angles;(c) Ellipticities;(d) Wave parallel Poynting flux signs;(e) Hot electron differential energy spectra,with the overplotted equatorial ratio between electron plasma frequency and cyclotron frequency;(f) Linear spatial growth rates of parallel-propagating whistler-mode waves;(g) Burst-mode waveform;(h) Burst-mode magnetic power spectra (modified from Liu et al.,2020)

圖6 2018 年1 月13 日RBSP-A 與RBSP-B 觀測到的等離子層嘶聲對比.（a，b）波動能流密度矢量；（c）波動強度信號對比；（d）波動的有效磁地方時覆蓋范圍（修改自Liu et al.,2020）Fig.6 Intercomparing waves between RBSP-A and RBSP-B on January 13,2018.(a,b) Parallel Poynting flux signs;(c) Isolated intense signals for Van Allen Probe A (gray) and Van Allen Probe B (red);(d) Wave effective MLT coverage,with the overplotted local density fluctuation of Van Allen Probe B (modified from Liu et al.,2020)

磁尾向內(nèi)磁層注入電子距離地心的距離近似與對流電場強度正相關(guān).因此，強烈的磁層活動有望對應(yīng)更加靠近地球的高能電子注入，進而嘶聲的源區(qū)或許進一步延伸至等離子體層內(nèi)層.He 等（2019）報道了一次觀測事例，如圖7 所示.在等離子體層內(nèi)層（3

圖7 Van Allen Probe A 觀測的電子數(shù)密度與波譜特性.（a）冷電子數(shù)密度；（b，c）磁場與電場擾動的功率譜密度；（d）電磁波法向角；（e）電磁波橢圓率；（f）電磁波平面度；（g）坡印廷矢量方向；（h～m）左欄紅色虛線對應(yīng)時間段（12:28:50～12:28:56）內(nèi)電磁波的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的波譜特征（修改自He et al.,2019）Fig.7 The electron density and wave spectra from Van Allen Probe A.(a) Cold electron number density;(b) Magnetic and (c)Electric field spectral density;(d) Wave normal angle;(e) Wave ellipticity;(f) Wave planarity;(g) The sign of wave Poynting fluxes.The vertical red dashed line denote the time period for burst mode data analysis on the right column (h～m) similar to Figures 2b～2g for the wave spectra for burst mode data from 12:28:50 UT to 12:28:56 UT (modified from He et al.,2019)

圖8 在不同磁地方時（每列）和不同亞暴指數(shù)（每行）下，高頻嘶聲的磁場能譜密度隨磁殼數(shù)和頻率的分布（修改自He et al.,2020）Fig.8 The averaged magnetic spectral density of LHFPH as functions of L shell and frequency at different MLT sectors (each column) and different levels of substorm (each row).The red curves denote the sample number of the wave signal (modified from He et al.,2020)

3 結(jié)論

等離子體層嘶聲的起源是一個持續(xù)爭論了50余年的科學(xué)問題.潛在的起源大致分成兩類：一類是等離子體層內(nèi)部背景等離子體噪聲，另一類是等離子層外部的波動（閃電產(chǎn)生的哨聲或者低密度區(qū)合聲）.本文綜述了近5 年基于Van Allen Probes 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的等離子體層嘶聲的內(nèi)部源區(qū)研究.系列研究表明，嘶聲的內(nèi)源可能遍布廣闊的等離子體層區(qū)域，在結(jié)構(gòu)上涵蓋等離子體層核心和羽流，在地方時上涵蓋向陽和背陽側(cè)等離子體層，在徑向距離上涵蓋外層和內(nèi)層等離子體層.本文所綜述研究成果均以觀測分析為主，未來還需要更多的理論和模擬確定由背景噪聲放大為大振幅嘶聲的詳細(xì)物理過程.另外，本文所綜述成果提及等離子體層羽流和核心均可自發(fā)生成嘶聲波，未來需要更多的觀測和模擬研究等離子體層羽流和核心中嘶聲的關(guān)聯(lián)性，詳細(xì)討論嘶聲波在具有非規(guī)則結(jié)構(gòu)的等離子體層內(nèi)部的三維傳播過程.

致謝

感謝RBSP、THEMIS 以及GOES 衛(wèi)星團隊提供的波動及粒子數(shù)據(jù).