極隙區(qū)一次長時間ELDI事件的觀測研究

谷駿,蔡紅濤,胡坤,潘建宏,高順祖,張宏

武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，武漢 430072

0 引言

地球電離層是中性大氣主要受太陽遠(yuǎn)紫外輻射和X射線輻射電離形成的.電離層與磁層以及熱層緊密地耦合在一起,導(dǎo)致電離層表現(xiàn)出一系列顯著的異?，F(xiàn)象（Rishbeth and Mendillo,2001;Liu et al.,2006）.其中,一部分電離層異常主要表現(xiàn)在時間變化上,如冬季異常等（Yonezawa and Arima，1959；Yonezawa，1971；Cai et al.,2007）;另一部分電離層異常則表現(xiàn)在空間結(jié)構(gòu)上,如赤道異常（Liang，1947；Nanan et al.，2018），偶發(fā)E層（Es）（Mathews，1998）和赤道擴(kuò)展 F（Farley et al.,1970；Ajith et al.,2021；Huang et al.,2021）等.這些異常蘊(yùn)含了豐富的物理過程，認(rèn)知異常結(jié)構(gòu)是電離層研究的重要內(nèi)容.

按照經(jīng)典的電離層生成理論，電離層可近似為水平分層，從下至上依次為D、E和F層.通常情況下最大電子密度出現(xiàn)在F層，F(xiàn)層在垂直結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位，E層電子密度峰值比F層的峰值低約1個數(shù)量級.F層在垂直結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位.Mayer和Jakowski（2009）利用cosmic衛(wèi)星在極區(qū)觀測到一種特殊的電離層垂直結(jié)構(gòu)：E層占優(yōu)電離層（E-Layer Dominated Ionosphere,ELDI）.在這種結(jié)構(gòu)中（如圖1a），電子密度峰值出現(xiàn)在E層高度，而不是通常的F層.Mayer和Jakowski（2009）利用COSMIC/CHAMP掩星觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了ELID發(fā)生率，指出夜間ELDI發(fā)生率可高達(dá)80%，并非偶然發(fā)生.武業(yè)文等（2013）利用2007—2010年間的COSMIC掩星數(shù)據(jù),在修正地磁緯度-磁地方時標(biāo)系下統(tǒng)計對比分析了南、北極區(qū)極夜期間ELDI的空間分布特征.觀測表明極夜期間電離層ELDI特征明顯,而且在夜側(cè)發(fā)生率較高，超過90%.Kamal等（2020）分析了近20年（2001—2018年）的COSMIC/CHAMP衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，他們還發(fā)現(xiàn)ELDI發(fā)生率與太陽活動水平呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)：在低太陽活動期間ELDI數(shù)高，而在高太陽活動期間低；ELDI發(fā)生率在磁暴期間明顯增大，且ELDI的高發(fā)區(qū)表現(xiàn)出輕微向低緯移動的跡象.

由于ELDI和偶發(fā)Es都表現(xiàn)為E層電子密度的大幅增加，為了進(jìn)一步判斷ELDI是否是一種區(qū)別于偶發(fā)Es電離層特殊結(jié)構(gòu)，眾多學(xué)者對ELDI的時空分布特征和形態(tài)學(xué)特征進(jìn)行了深入研究.Kamal等（2020）對Mayer和Jakowski（2009）的工作進(jìn)行了拓展和延伸，重點(diǎn)考察了ELDI的時空分布.他們發(fā)現(xiàn)ELDI的發(fā)生率在高緯地區(qū)明顯高于中低緯地區(qū),冬季半球高于夏季半球，而偶發(fā)Es則更容易發(fā)生在夏季半球（Hocke et al.,2001）以及中緯度地區(qū)（Arras et al.,2008）.沈格等（2014）利用太陽活動低年期間（2009—2011年）EISCAT/EISCAT Svalbard Rader（ESR）雷達(dá)場向電子密度數(shù)據(jù)，確認(rèn)了ELDI的季節(jié)變化特征；并在此基礎(chǔ)上，詳盡分析了地面雷達(dá)觀測到的ELDI的形態(tài)學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)其峰高HmE多出現(xiàn)在120 km，平均厚度在30～40 km.偶發(fā)Es則主要出現(xiàn)在95～110 km，厚度0.5～3 km（Arras et al.,2008）.ELDI有著明顯區(qū)別于偶發(fā)Es的時空分布特征和形態(tài)學(xué)特征，這足以表明ELDI是一種新的電離層異常結(jié)構(gòu).

另一方面，ELDI的形成機(jī)理還需要進(jìn)一步的研究.從ELDI的空間分布看，極區(qū)沉降的能量粒子引起極區(qū)E層電離增強(qiáng)通常被認(rèn)為是主要機(jī)制（Mayer and Jakowski，2009；武業(yè)文等，2013；Mannucci et al.，2015；Kamal et al.，2020）.Arras等（2008）也認(rèn)為在緯度高于60°的區(qū)域，增強(qiáng)的E層多與粒子沉降相關(guān).ELDI高發(fā)區(qū)域與極光橢圓區(qū)位形高度吻合也似乎支持此觀點(diǎn).沈格等（2014）發(fā)現(xiàn)極尖/極隙區(qū)觀測到的ELDI主要發(fā)生在磁正午扇區(qū)，此時沉降粒子以軟電子（能量低于500eV）為主（Newell et al.，2002）.根據(jù)沉降電子與中性大氣相互作用的規(guī)律，其引發(fā)的電離增強(qiáng)峰值應(yīng)出現(xiàn)在F層高度，而不是E層高度（Rees，1963；Cai et al.，2007）.因此，沉降粒子無法解釋極尖/極隙區(qū)ELDI的高發(fā)生率.Cai等（2014）利用地面非相干散射雷達(dá)觀測到的ELDI與背景電子密度剖面對比，從形態(tài)學(xué)的角度揭示了ELDI可能的三個類型:（a）E電子密度峰值（NmE）增強(qiáng)，F(xiàn)2層峰值電子密度（NmF2）保持不變;（b）NmE保持不變,NmF2減弱；（c）NmE增強(qiáng)，同時NmF2減弱.粒子沉降能引起NmE增強(qiáng)，卻無法解釋NmF2減弱.這暗示粒子沉降并非ELDI唯一的主導(dǎo)機(jī)理.

長持續(xù)時間的ELDI事件提供了分析其形成機(jī)理的絕佳機(jī)會.利用地面非相干散射雷達(dá)及衛(wèi)星等協(xié)同觀測資料，本文報道了2001年7月15日的一次長時間極尖/極隙區(qū)ELDI事件并對其形成機(jī)理進(jìn)行了探討.

1 數(shù)據(jù)和分析方法

ESR雷達(dá)位于極尖、極隙區(qū)緯度，地理位置坐標(biāo)為（78.2°N,16°E），地磁緯度是75°N.它的42 m天線雷達(dá)波束固定沿著當(dāng)?shù)卮帕€向上，32 m天線雷達(dá)則會改變傾角和方位角觀測.二者數(shù)據(jù)產(chǎn)品的分辨率都是1 min.在本文所關(guān)注的時段內(nèi)，32 m雷達(dá)以144°和171°兩種方位角朝赤道方向交替觀測，雷達(dá)探測的高度范圍為90～500 km，經(jīng)度范圍為16.0°E—20.3°E；緯度范圍為76.3°N—78.2°N.

本文采用沈格等（2014）的方法對雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將一次ELDI事件的判定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定如下：

（1） E層峰值電子密度大于F2峰值電子密度（NmE>NmF2）；

（2）NmE所在的高度（HmE）在90～160 km區(qū)間內(nèi)，NmF2所在高度（HmF2）位于160～400 km區(qū)間內(nèi)；

（3）NmE>NmF2持續(xù)6 min以上.

前兩個條件是判定一個電子密度剖面是否為ELDI的直接依據(jù)，如圖1a所示；這與其他學(xué)者利用無線電掩星觀測數(shù)據(jù)判定ELDI事件的標(biāo)準(zhǔn)（Mayer and Jakowski,2009）基本一致.本文在用地面非相干散射雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)研究ELDI的過程中，為了消除因觀測中的隨機(jī)誤差導(dǎo)致的偽ELDI事件，加入了第三個條件.我們采用了6 min的時間窗口，分析了一個太陽活動周期內(nèi)的ESR雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)，計算得到的ELDI發(fā)生率在10%～30%之間，我們認(rèn)為ELDI事件在極隙區(qū)并不是一個很常見的現(xiàn)象.圖1b展示了一個可判定為ELDI事件的示例，圖中曲線為E/F層高度電子密度極值.

圖1 （a） ELDI剖面示意圖；（b） ELDI事件的判定示例，灰色陰影部分被認(rèn)定為一個ELDI事件Fig.1 （a） The signal map of an ELDI profile;（b） The decision example for an ELDI case,the grey shade marks an ELDI event

2 ELDI事件觀測

圖2給出了2001年7月15日SYM-H指數(shù)、AE指數(shù)以及行星際磁場（IMF）三個分量的日變化，陰影部分為本文所關(guān)注的ELDI事件時段.事件當(dāng)天地磁活動非常平靜，SYM-H指數(shù)一直在0 nT附近變化；極區(qū)AE指數(shù)也處于相對較低的水平.在事件期間，IMFBx、By分量均無劇烈變化，Bz分量保持弱南向.

圖3a給出了ESR雷達(dá)42 m天線觀測的電子密度在08∶00—13∶00 UT（MLT≈UT+3h）期間觀測到的電離層電子密度偽色彩圖，圖中空白處為數(shù)據(jù)缺失.在08∶00—10∶00 UT期間，雷達(dá)觀測到了極區(qū)地磁平靜期的電離層電子密度分布：F層電子密度比E層突出.10∶03 UT時刻，E層高度的電子密度突然增強(qiáng)，數(shù)值上超過了同期的NmF2；E層電子密度占優(yōu)勢地位，并持續(xù)了約30 min.10∶36 UT時刻，E層的電子密度增強(qiáng)快速回落，同時F層電子密度出現(xiàn)幅度更大的耗空.與此同時，ESR 32 m雷達(dá)波束以60°仰角面向低緯方向探測.從觀測結(jié)果看，在更低的緯度范圍內(nèi)同樣也發(fā)生了顯著的F層電子密度耗空（圖3b）.

為了更清楚地對比E/F電子密度的相對變化，圖3c進(jìn)一步給出了ESR 42 m雷達(dá)在E層高度區(qū)間（90～160 km）和F層（250～500 km）的平均電子密度.在10∶00 UT前，F(xiàn)層電子密度均值保持在6×1011/m3左右，是E層密度均值的3倍.在10∶03 UT時刻，E層均值電子密度突然增加，高達(dá)1.2×1012/m3，約是F層均值電子密度的2倍，E層的電子密度開始在垂直剖面占據(jù)優(yōu)勢地位.10∶40 UT，E層均值電子密度快速回落至之前的數(shù)值水平；與此同時，F(xiàn)層電子密度出現(xiàn)超強(qiáng)耗空，均值電子密度下降至之前的10.0%左右.在10∶40—12∶16 UT期間，E層的均值密度繼續(xù)占據(jù)優(yōu)勢地位，是F層均值密度的3～4倍.

圖2 2001年7月15日的SYM-H、AE指數(shù)和行星際磁場陰影部分標(biāo)注出本文所關(guān)注的ELDI事件時段.Fig.2 SYM-H and AE indices,as well as OMINI IMF components on 15 July,2001Grey shade marks period of the ELDI event focused on in this paper.

總體上看，在10∶03—12∶16 UT期間，ESR 42 m雷達(dá)觀測到的E層電子密度顯著超過了F層密度，是典型的ELDI事件，并持續(xù)了近2.3個小時.圖3c中，我們以1040 UT為界將該ELDI事件分成2個階段，用不同深淺的灰色標(biāo)識：第1階段為10∶03—10∶40 UT，在此期間，E層電子密度急劇升高；第2階段為10∶40—12∶16 UT，在此期間F層電子密度強(qiáng)烈耗空.

圖4進(jìn)一步給出了在上述ELDI事件2個階段的平均電子密度高度剖面（紅色線）.為方便對比，圖中同時給出了前一天（2001年7月14日）相同時段（未發(fā)生強(qiáng)離子沉降）的平均電子密度剖面（藍(lán)色線）作為參考.相對于參考日，在ELDI的第1階段（圖4a），E層電子密度增強(qiáng)了2～10倍，而F層電子密度相對變化不大；第2階段（圖4b），F(xiàn)層電子密度耗空高達(dá)90.0%，F(xiàn)層的耗空在130～160 km的E層空間引起了約30%的耗空，而100～130 km的E層空間并未發(fā)生明顯的電子密度耗空.本文所關(guān)注的ELDI事件2階段內(nèi)，E/F層的電子密度表現(xiàn)出絕然不同的的變化特征，這暗示其背后存在不同的物理驅(qū)動過程.

3 討論

本次ELDI事件持續(xù)了近2.3 h.根據(jù)期間E/F層電子密度的變化特征，該ELDI事件可劃分為2個階段：在第1個階段里，E層密度突增而F層密度保持不變；在第2個階段里，E層密度回落至正常水平而F層密度強(qiáng)烈耗空.我們對一個太陽活動周期內(nèi)的ELDI事件進(jìn)行過統(tǒng)計分析，大約有四分之一的ELDI事件表現(xiàn)為E層電子密度不變，而F2層發(fā)生明顯耗空.電子密度不同的變化特征暗示其背后存在著不同的形成機(jī)制和物理過程.

圖5進(jìn)一步給出了ELDI事件期間電離層E/F層其他物理參量均值的變化情況.圖中灰色區(qū)域表示ELDI事件發(fā)生的時間段，數(shù)字1、2分別表示按上節(jié)劃分的2個階段.DMSP各衛(wèi)星依次飛越ESR雷達(dá)上空，圖中3條豎直紅實(shí)線分別標(biāo)識出各衛(wèi)星過境的時刻.本節(jié)將逐一探討該ELDI事件的2階段各自可能的主導(dǎo)物理形成機(jī)制.

3.1 第1階段的主導(dǎo)機(jī)制

在第1個階段，F(xiàn)層高度的電子溫度、離子溫度以及離子場向速度均沒有表現(xiàn)出顯著的時間變化特征（圖5）.E層高度的電子溫度也沒有明顯變化，這排除了沉降電子對E層密度增強(qiáng)的貢獻(xiàn)；同時注意到，與E層密度增強(qiáng)相伴隨的是：離子溫度均值迅速增至1500 K，增幅超200%；離子場向速度均值出現(xiàn)大幅度擺動，其中，向上的漂移速度超過500 m·s-1，增幅超400%.雷達(dá)觀測結(jié)果表明此時發(fā)生了強(qiáng)烈的離子沉降.磁層的高能離子沿磁力線到達(dá)E層高度與中性大氣相互碰撞，一方面引起電離增強(qiáng)，同時局地沉積能量提升本地的離子溫度、驅(qū)動部分離子沿磁力線上行.因此，離子沉降是該階段ELDI事件的主要形成原因.這與武業(yè)文等（2013）統(tǒng)計的結(jié)果相吻合.根據(jù)Rees（1963，1982）的理論，能量超過3 keV的沉降離子才能穿透到150 km以下的高度，激發(fā)中性成分電離、引發(fā)E層增強(qiáng).DMSP F12衛(wèi)星在ELDI事件前15 min飛過ESR雷達(dá)上空，也觀測到了大于3 keV的高能離子沉降（圖6a）.遺憾的是，在ELDI第1階段內(nèi)，缺乏雷達(dá)上空沉降粒子的觀測信息.

圖3 （a） 2001年7月15日ESR 42 m雷達(dá)觀測的電子密度關(guān)于UT和高度分布的二維圖像;（b） ESR 32m雷達(dá)的電子密度二維圖像;（c） ESR 42 m雷達(dá)在E層高度（90～160 km）和F層（250～500 km）所觀測到的均值電子密度；數(shù)字1、2分別代表ELDI事件的兩個階段Fig.3 （a） Pseudocolor of electron density from ESR 42 m radar on 15 July,2001;（b） The same as （a）,but from ESR 32 m radar;（c） Average density of E layer （90～160 km） and F layer （250～500 km） observed by ESR 42m radar.Number 1 and 2 present two parts of the ELDI event

圖4 ELDI事件2個階段（紅色線）和背景（2001年7月14日）對應(yīng)時段內(nèi)（藍(lán)色線）ESR 42 m雷達(dá)觀測到的電子密度均值高度剖面Fig.4 Average electron density profiles during the two periods of the ELDI event （red lines） and the background （14 July,2001） （blue lines）

圖5 2001年7月15日ESR 42 m雷達(dá)觀測的E層和F層高度區(qū)間的平均（a） 電子密度;（b） 電子溫度;（c） 離子溫度;（d） 離子速度.紅色實(shí)線表示三顆DMSP衛(wèi)星飛臨ESR雷達(dá)上空的時間.Fig.5 Region-mean-values of ESR 42 m radar measurements during July 15,2001（a） Electron density；（b） Electron temperature;（c） Ion temperature;（d） Ion velocity.Vertical solid lines indicate the moments of DMSP fleet flyingover the radar.

圖6 DMSP衛(wèi)星飛越ESR雷達(dá)上空觀測到的電子和離子能譜（a） F12；（b） F14；（c） F15.能譜圖從上到下依次是：通量、平均能級（紅色代表離子，黑色代表電子）、電子能通量、離子能通量.黑色圓點(diǎn)表示ESR雷達(dá)位置.Fig.6 Energy spectrum detected by DMSP fleet flyingover ESR radar（a） F12;（b） F14;（c） F15.From top to bottom:flux、average energy（red express ions,black express electrons ）、energy flux of elctrons、energy flux of ions.The black dots indicate the position of ESR radar.

圖7 1 h分辨率的SuperDARN雷達(dá)觀測確定的12∶00 UT前后全球的等離子體對流圖像Fig.7 The 1 h resolution plasma convection map from SuperDARN during the ELDI 2nd stage

3.2 第2階段的主導(dǎo)機(jī)制

在第2階段，E層電子密度迅速恢復(fù)到10∶00 UT前的水平，同時F層密度急劇耗空90.0%，E層密度均值是F層均值的2～8倍，并一直持續(xù)到本階段結(jié)束.在此期間，E層的電子和離子溫度，以及離子沿場速度與第1階段相比沒有顯著變化.DMSP F14和F15衛(wèi)星觀測到的粒子能譜信息（圖6b—c）表明，當(dāng)時雷達(dá)上空的確存在能量超過3 keV的離子沉降，但通量比較低，對E層高度電離增強(qiáng)的貢獻(xiàn)較弱.這表明離子沉降在ELDI第2階段的形成機(jī)制中并不占主導(dǎo)地位.

值得注意的是，在此期間雷達(dá)上空觀測到了較高通量的軟電子（能量<500 eV）沉降（圖6b—c），F(xiàn)層的電子溫度也顯著抬升，幅度超過100%.這是極尖/極隙區(qū)典型的軟電子沉降特征，是極區(qū)F層特有的附加電離源，通常引起電子密度的增強(qiáng)（Rees，1963；Cai et al.，2007），并不利于形成ELDI.但是，ESR雷達(dá)卻觀測到F層電子密度的急劇耗空.因此，應(yīng)該存在某個物理過程，不但消耗了軟電子沉降引入的F層附加電離增強(qiáng)，還進(jìn)一步導(dǎo)致了F2層密度的嚴(yán)重耗空.

對流電場會引起劇烈的焦耳加熱，導(dǎo)致熱層膨脹、F區(qū)固定高度上熱層成分（O，O2,N2）密度的增加（周云良等，2007）；N2密度相對O密度的增加會加速O+的損失率（Kil et al.,2011），進(jìn)而導(dǎo)致電子密度的耗空.利用物理模式，Cai等（2001）定量考察了等離子體對流與F區(qū)密度耗空的關(guān)系.數(shù)值模擬結(jié)果表明，800 m·s-1（相當(dāng)于32 mV·m-1的對流電場）持續(xù)45 min，可引發(fā)F層電子密度40%左右的耗空，而且密度耗空對等離子體對流增強(qiáng)的響應(yīng)時間非?？欤ā?0 min）.為此，我們考察了ELDI事件第2階段期間ESR雷達(dá)附近等離子體對流情況，如圖7所示.DMSP F15在12∶00 UT左右飛越ESR雷達(dá)上空，觀測到了水平方向超過1000 m·s-1的等離子體漂移速度.同時，超級雙重極光雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)（SuperDARN）在ESR雷達(dá)附近也觀測到超過600 m·s-1的等離子體對流（圖8）.按照數(shù)值模擬結(jié)果（Cai et al.，2001）做簡單的線性外推，這會直接導(dǎo)致F層電子密度50%左右的耗空.如果進(jìn)一步考慮強(qiáng)對流持續(xù)的時間，則會進(jìn)一步加劇F層的密度耗空程度.因此，地面雷達(dá)和衛(wèi)星觀測到的等離子體對流理論上可以引起如圖3所示的ESR雷達(dá)觀測到F層電子密度的高強(qiáng)度耗空.

圖8 DMSP F15在ESR雷達(dá)上空觀測到的的離子漂移速度Fig.8 Ion drift velocities observed by DMSP F15 fleet over ESR radar

另一方面，我們注意到在第2階段，ESR雷達(dá)在E/F層高度上都觀測到強(qiáng)的離子上行，DMSP F15在雷達(dá)上空頂電離層高度也同樣觀測到速度超過400 m·s-1的離子上行（圖7）.這是強(qiáng)等離子體對流驅(qū)動的結(jié)果（霍亮等，2006），E/F層離子溫度的增強(qiáng)，也印證了這一推測.

綜上，我們認(rèn)為增強(qiáng)的等離子體對流是本階段ELDI形成的主要機(jī)制.

4 結(jié)論

本文報道了發(fā)生在2001年7月15日的一次持續(xù)2.3 h的ELDI事件.根據(jù)電子密度變化的不同特征，此ELDI事件可分為兩個階段.

第一階段表現(xiàn)為E層增強(qiáng)，此時F層等離子體溫度和密度未發(fā)生明顯變化，E層電子溫度也沒有明顯變化.E層離子溫度大幅上漲超過200%，DMSP衛(wèi)星也觀測到了高能的沉降離子.因此離子沉降是第一階段ELDI形成的主要原因.

第二階段表現(xiàn)為F層耗空，此時等離子體溫度和密度較第一階段未發(fā)生明顯變化，DMSP衛(wèi)星觀測到高能沉降離子的通量較低而等離子體的水平漂移速度超過了1000 m·s-1，SuperDARN雷達(dá)也在ESR雷達(dá)附近觀測到超過600 m·s-1的等離子體對流，結(jié)合前人等離子體對流對F區(qū)密度耗空的模擬研究，我們認(rèn)為增強(qiáng)的等離子體對流是第二階段ELDI形成的主要原因.

致謝感謝國立極地研究所（NIPR）（http:∥pc115.seg20.nipr.ac.jp/www/eiscatdata/ne_te_ti_vi.html）提供ESR雷達(dá)數(shù)據(jù)，感謝空間物理數(shù)據(jù)中心（SPDF）（https:∥spdf.gsfc.nasa.gov/pub/data/wind/mfi/ascii/1min_ascii/）提供太陽風(fēng)和行星際磁場數(shù)據(jù)，感謝約翰斯·霍普金斯大學(xué)（JHU/APL）（http:∥sd-www.jhuapl.edu/）提供DMSP粒子沉降數(shù)據(jù)，感謝達(dá)拉斯德克薩斯大學(xué)（uTD）（http:∥cindispace.utdallas.edu/DMSP/）提供DMSP離子上行數(shù)據(jù),感謝空間科學(xué)和工程研究中心（space@VT）（http:∥vt.superdarn.org/）提供SuperDARN全球等離子體對流圖像.