2012, Vol. 55
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
场向电流(FACs)是太阳风-磁层-电离层耦合研究中的一个重要课题.由于电离层电流和场向电流很难直接测量，因此有关场向电流强度和分布的大多数信息(特别是连续变化信息)是由地面测量或者卫星测量的磁场值来估计的.研究场向电流的工作随着电离层高度小卫星的发射得到了极大的发展，其中最早的该类卫星是Triad卫星，Armstrong 以及Iijima,Zmuda等人[1-5]利用此卫星磁场观测数据进行了许多场向电流的研究工作:Iijima (1976，1978)[2-3]使用1973 年7 月至1974 年10 月Triad 磁力仪数据计算得出800km 高度的场向电流并总结其空间分布和强度特征(见图 1)，主要结论如下: (1) 大尺度场向电流集中分布在环绕地磁极的两个区域:靠近极侧的1 区场向电流和靠近赤道侧的2 区场向电流.(2) 在地磁场中等扰动条件下，即2- ≤Kp≤4+，1区场向电流的最大密度约为2μA/m2，且出现在午前0700-0800MLT 时段，此时电流流入电离层；在午后1500-1600MLT 时段，电流流出电离层，最大密度为1.8μA/m2.1区场向电流的最大电流密度分布区域与Sqp的焦点位置几乎一致. (3) 在地磁场中等扰动条件下，即2-≤Kp≤4+，2 区场向电流的最大处位于夜侧，通常那里是极光电集流最活跃的区域.在夜晚至子夜前扇区，电流流入电离层，最大电流密度约为1μA/m2，且位于2100- 2300MLT 时段；子夜至早晨扇区，2 区场向电流流出电离层最大电流密度约为1.3 μA/m2，位于0200-0300MLT 时段.(4) 统计得出，1区场向电流密度几乎在所有地方时都比2 区场向电流强，除了2100-0300MLT 子夜时段，此时2区场向电流密度能与1区相当甚至会稍强.(5) 在子夜到早晨扇区，2 区场向电流与西向电集流的强度相关；在夜晚到子夜前扇区，它则与东向电集流的强度相关.(6) 1 区场向电流持续存在，特别是在白天侧，且在地磁活动非常平静的情况下(即Kp=0)时，电流密度仍大于0.6μA/m2.
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图 1 大尺度场向电流的分布(引自Iijima和Potemra,1978[3]) (a)弱扰动情况；(b)强扰动情况. Fig. 1 The distributions of large-scale FACs (By Iijima and Potemra,1978[3]) (a)Weak disturbance；(b)Intensive disturbance. |
Iijima等人的工作研究的是地磁场较为平静或中等扰动情况下的场向电流活动特征.与之相较，关于强地磁扰动条件下场向电流特征的研究较少.因此，本文将对2004年11月7日大磁暴期间CHAMP 卫星高度(约400km)的场向电流进行计算考察，以期获得强扰动情况下此高度场向电流的活动特征.
磁暴是全球性地磁场的强烈扰动，徐文耀(2003，2005，2009)[6-8]指出主相时环电流指数Dst< -200nT 的磁暴称为巨磁暴.本工作所要研究的磁暴事件即为巨磁暴类，研究得出这类磁暴绝大部分由与日冕物质抛射相联系的南向行星际磁场引起，持续较强的南向磁场使巨大的太阳风能量通过磁重联机制进入地球空间而引发大磁暴.而场向电流所在的极光卵区域对增强的太阳风输入最明显的响应特征就是向赤道侧的扩展.Meng(1984)[9]对三个较强磁暴期间正午及子夜极光卵的纬度变化进行研究，发现在磁暴主相期间，正午侧极光椭圆比子夜侧向低纬多偏移了几度，而在磁暴恢复相，子夜椭圆向极侧的恢复速度慢于正午，并得出夜间椭圆在较强的磁暴期间向低纬能扩展到50°MLat.在磁暴期间随着极光椭圆的移动流入、流出其中的场向电流会有怎样与平静状态下不同的分布特征，Anderson等(2002)[10]利用Iridium 卫星群观测得出场向电流的恢复过程对于不同的磁暴不尽相同，如果Dst指数恢复较快，则电流密度在一个小时内就可恢复到磁暴之前的值，且向高纬的回移也很迅速，如果Dst指数恢复较缓慢，则较强的电流密度将持续一段时间. 陈耿雄等(1995)[11]利用KM 模型得出磁扰时极隙区场向电流引起的电场畸变更为明显.王源等[12]利用地面地磁台站观测数据，研究了2000年4月6日超级磁暴期间北半球夜侧场向电流变化特征.
本文分析了一次大磁暴事件期间大尺度场向电流的纬度方向分布特征，揭示出地磁强扰动情况下电流片的分布与高低纬地磁活动的关系.主要包括以下两个方面:一为计算暴时的大尺度场向电流密度；二为分析不同地方时扇区电流片分布特征.
2 数据CHAMP卫星是探测地球重力场和地磁场的德国小卫星[13].此卫星于2000 年7 月15 日11 时在俄罗斯Plesetsk卫星发射基地发射升空，轨道为近圆形极轨，倾角为87.3°，初始高度为456km,2006年降至约370km；轨道周期为93min,每天绕地球15.6圈，每两天星下点重复覆盖一次，卫星每11天地方时行进一个小时，每4个月覆盖所有地方时.CHAMP卫星上装载的磁场测量仪矢量磁通门磁力仪FGM(Fluxgate Magnetometer)用来测量周围的磁场三分量强度，精度为0.1nT，测量范围最大值为65000nT.本文将使用FGM 的磁场二级数据(CH-ME-2-FGM-NEC)来计算场向电流，数据坐标为局地直角坐标系NEC，该坐标系中z轴垂直向下，x轴沿地理子午线向北，y轴沿纬度圈向东.
3 场向电流的计算用安培定律可以由磁场计算电流
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(1) |
式中j是电流密度，μ0 是真空磁导率，B是该电流产生的磁场.计算场向电流时，B是实际的观测磁场减去模型计算的背景磁场后的部分，以往计算背景场时多采用CO2 即CHAMP 卫星数据的专属模型、IGRF 模型等常用模型.研究场向电流的工作中通常使用如下坐标系:z轴沿着磁力线方向，y轴垂直于磁正午且向东为正，x轴完成右手系.由(1) 式得场向电流
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(2) |
式中Bx和By为地球外部电流体系产生的垂直于主磁场的磁场分量，在计算极区顶部电离层高度的场向电流时，一般作适当简化假设.如Iijima 和Potemra(1976)[2]利用Triad卫星的磁场数据研究场向电流分布特征时得出，在此电离层高度场向电流区，磁南北分量Bx沿y方向的梯度通常比磁东西分量By沿x方向的梯度小得多(<10%)，故可近似假设，场向电流为沿东西向延伸的电流片，单点观测时场向电流由卫星穿越电流片时观测到的磁场y分量沿飞行轨道的变化近似求出.假定卫星穿越电流片期间电流片不发生显著变化，已知卫星飞行速度为7.8km/s,将空间变化转换为随时间的变化，可得到:
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(3) |
在卫星速度一定的情况下，μ0、vx、Δt均为常数，jz则随ΔBy变化而变化.
关于大尺度场向电流的定义，Iijima和Potemra (1976)[2]总结了如下标准:电流片产生的磁场变化ΔB的不变纬度范围超过0.5°，经度跨度在地方时一个小时内，且电流密度>0.25μA/m2(即1°不变纬度范围内磁场变化要大于40nT).此外还指出，ΔB的变化形态有两种，一种是渐进的短时间内大幅度的变化，此类变化主要发生在垂直于主磁场大致沿地磁东西方向.正如Zmuda 及Armstrong (1974)[14]所述，这种变化几乎总发生在不变纬度60°-80°的高纬区，该区域与Feldstein(1966)[15]统计学上提出的极光卵的位置一致.此外，有时还会记录到ΔB三分量长时间(>5min)的正弦变化，此类变化则是由卫星高度的变化引起的.因此，在判断场向电流时应只考虑前者，即短时间(<5min)大幅度的变化.
总结前人的研究，本工作以磁场y分量的5min 平滑值为背景进行扣除，即去掉了时间尺度大于场向电流的低频变化，消去背景磁场后，利用公式(3) 计算电流密度.此外，为了去除几公里小波长剪切Alfven波的影响[16]，进行20s(空间尺度150km) 的平滑滤波.为了对此扣除背景磁场方法的有效性进行验证，与CO2 模型的结果进行对比，见图 2a中1830UT 时刻附近，本工作方法去背景的结果要优于CO2模型.由图 2b可以看出，两种方法计算的电流密度结果非常吻合.扣除背景后，本工作将按照上段所述Iijima等的标准选取大尺度场向电流进行分析.计算得到的电流密度的方向定义为:北半球向下(流入)为正，向上(流出)为负；南半球向上为正，向下为负.为便于描述，把方向相同时间连续的一段场向电流定义为一个电流片.
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图 2 (a)去除背景后By的变化:本文结果(上图)；CO2模型结果(下图)； (b)与(a)对应的场向电流密度:本文结果(上图)，CO2模型结果(下图) Fig. 2 (a)By residuals after subtracting the background part: result in this work(upperpanel)；result of CO2 model(lower panel)，(b)corresponding FACs density of(a)，result in this work (upper panel)；result of CO2 model(lower panel) |
图 3给出了2004 年11 月7-8 日磁暴主相期间的太阳风参数和地磁指数的变化，图中从上至下依次为IMFBz、IMFBy、太阳风动压、AL和AU指数、ASY-D和ASY-H指数、SYM-D和SYM-H指数.从SYM-H指数看出，7日到8日发生了一个急始型磁暴，T1 为急始时刻(7日1830UT 左右)，T2 为最大相时刻(8 日0600UT 附近)，此时环电流指数达到了-380nT，表明该磁暴是一个巨型磁暴，其恢复相持续了很长时间至11日.
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图 3 从上至下依次为2004年11月7日18时至8日14时磁暴主相期间的IMFBz、By、 太阳风动压、AL和AU指数、ASY-D和ASY-H指数、SYM-D和SYM-H指数 Fig. 3 From top to bottom,panels represent IMF Bz，IMF By，solar dynamic pressure,AL and AU indices,ASY-D，ASY-H，SYM-D，SYM-H indices during 7th 1800UT to 8th 1400UT Oct.2004 |
图 4 给出了主相期间(左图，7日1909UT- 8日0600UT)和恢复相期间(右图，8日0600- 1350UT)北半球(上图)和南半球(下图)各自大尺度场向电流的分布，该图为磁地方时-不变纬度坐标系，图中最外圈大圆表示磁纬50°，向内每圈间隔10°.由于CHAMP卫星轨道基本固定在0200(1400) MLT磁子午圈上，所以看到的电流片主要分布在0200-0400MLT 和1400-1600MLT 两个扇区.
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图 4 磁暴期间大尺度场向电流的分布 Fig. 4 The distributions of FACs in this storm |
由图 4得出:
(1) 磁暴主相期间，北半球早晨侧(见图 4a)高纬75°附近场向电流流入电离层(红色所示)，基本对应着1 区场向电流[3]，相邻的低纬区(65°~70°) 流出(蓝色所示)电离层的场向电流区域基本对应着2区场向电流，其中蓝色区较红色区范围更广，这是由于大磁暴主相期2区场向电流较1区场向电流有可能发展得更为迅速和强大.由于磁暴期间整个地球空间环境扰动更为复杂，且在本事件中只考虑了电流密度0.25μA/m2以上的大尺度场向电流.故图中流入流出电离层的场向电流片数增加，且它们散布的范围和形态并不完全符合1、2区场向电流两相的统计分布特征.
(2) 对比图 4a与4b以及图 4c与4d,可以看出主相期间大尺度场向电流片的个数要多于恢复相期间，且早上扇区(0200-0400MLT)的电流片个数明显多于下午扇区(1400-1600MLT)的.
(3) 以往研究总结指出在地磁平静时期，场向电流主要分布在60°~70°的极光带范围内.此次磁暴主相期间(见图 4a,4c)电流片分布的纬度范围约在50°~80°，这表明大磁暴主相期间电流片分布范围较地磁平静时要显著地向低纬和高纬扩展.而在恢复相期间(图 4b 和图 4d)，电流片分布的纬度范围开始收缩，其中早上扇区电流片分布集中在60°~ 80°纬度范围，下午扇区则集中在磁纬50°~70°范围内，表明与流入流出这两个扇区内的场向电流相联系的磁层位置和过程不同.
(4) 恢复相期间(见图 4b,4d)南北半球两个扇区电流片的经向分布范围略微变宽，且都向子夜扇区扩展，而主相期间子夜扇区未有大尺度场向电流片存在.
分析北、南半球各自的大尺度场向电流在暴时的UT 分布，同时对比SYM-H指数和AE指数，如图 5所示，图中每个红色星号代表一个电流片，右侧的y轴表示电流片的密度，黑色曲线代表SYM-H(或AE)指数，左侧y轴表示其大小.可以看出南北半球，大尺度场向电流片密度都基本随着环电流指数SYM-H的减小而增大，尤其是南半球(下图)在8日0200-0900UT 时段，SYM-H减小到-200nT 以下，电流片密度显著增大，部分密度超过了5μA/m2，最大达到了10μA/m2 左右.
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图 5 南北半球电流片密度的UT 变化及对应的SYM-H和AE指数 Fig. 5 UT variations of FACs densities in north and south hemisphere individually,and corresponding SYM-H and AE indice |
为了揭示不同扇区大尺度场向电流分布特征的不同，下面详细给出此磁暴事件中南、北半球早上、 下午扇区各自的大尺度场向电流的时空分布及其与SYM-H和AE指数的关系分布.图 6给出南、北半球电流片的不变纬度分布，其中每个红色星号同样代表一个电流片，左侧的y轴表示电流片所在的不变纬度，黑色曲线代表SYM-H指数，右侧y轴表示其大小.由图 6a可以看出北半球早上扇区电流片分布范围随着SYM-H的减小向高纬扩展，7 日1900-2300UT 主相开始时，大尺度电流片分布范围集中在50°~70°的纬度范围，8 日0100- 0800UT 最大相附近电流片则分布在65°~80°，8日0800UT 之后即恢复相后期主要分布在60°~75°的范围，早上扇区对应亚暴电流楔区域，而作为电流楔的一部分，场向电流的分布范围能反映出磁尾中性片电流中断区域的暴时UT 演化特征.Iijima等人的结果(见图 1)也得到在地磁强扰动情况下，上午扇区大尺度场向电流略微向高纬扩展的分布特征. 焦维新等(1997，2000)[17-18]同样得出场向电流发生率、强度和密度随地磁活动增强而增大.同时，南半球场向电流分布有类似的特征，如图 6b所示，南半球早上扇区电流片分布范围随着SYM-H的减小(或增加)略有向高纬(或低纬)扩展的趋势，整个主相期间，大尺度电流片都基本分布在60°~80°的纬度范围内.
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图 6 大尺度场向电流片的不变纬度分布与SYM-H指数的对比 Fig. 6 Invariable latitude distributions of FACs and corresponding SYM-H index |
图 6c表明磁暴期间北半球下午扇区场向电流片的分布范围随SYM-H的降低而显著地向低纬扩展:主相开始时(7日1900-2300UT)大尺度电流片分布范围集中在65°~80°的纬度范围，主相极大附近(8日0100-0800UT)场向电流分布在45°~70°，恢复相后期(8日0800UT 之后)场向电流主要分布在65°~70°的范围.由图 1b同样可以看出，在地磁强扰动情况下，下午扇区大尺度电流明显向低纬扩展.下午扇区场向电流的分布与SYM-H指数的相关性较好表明这个扇区场向电流分布与环电流活动关系密切.图 6d显示，南半球下午扇区大尺度电流片的分布范围随SYM-H的减小而向低纬扩展，这与北半球的分布情况相同.Xu等(2008)[19]得出AE指数增加时，极区DP2 电流夜晚侧电流涡关键点K2和K4 向赤道移动，而早上侧电流涡关键点K1 和K3 极向移动.
图 7给出了此次磁暴事件期间大尺度场向电流片纬度位置的UT分布及其与AE指数的对比，图中每个红色星号同样代表一个电流片，左侧y轴表示该电流片对应的不变纬度位置；黑色曲线代表AE指数，右侧y轴对应其大小.可以看出，在早上扇区，南北半球的电流片分布和AE指数的变化有很好的对应，电流片的纬度分布与AE指数的起伏变化基本一致，再次说明早上扇区对应着亚暴电流楔的出现位置，这里的电流片分布特征更多地受到亚暴活动的控制.
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图 7 大尺度场向电流片的不变纬度分布与AE指数的对比 Fig. 7 Invariable latitude distributions of FACs and corresponding AE index |
本文利用德国极轨卫星CHAMP 的高精度磁场三分量测量数据计算分析了2004年11月7日至8日大磁暴事件过程中大尺度场向电流的密度及其时空分布，主要结果如下:
(1) 无论北半球还是南半球，主相期间大尺度场向电流片的个数和密度要多于和大于恢复相期间. 早上扇区的电流片个数明显多于下午扇区.
(2) 在该磁暴事件中早上扇区电流片分布范围随着地磁扰动的加强向高纬扩展；而下午扇区电流片分布范围则随着地磁活动的增强显著地向低纬扩展.
(3) 早上扇区的大尺度场向电流的分布特征更多地受到亚暴活动的影响，而下午扇区场向电流的分布更多反映了暴时环电流的活动特征.
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