地球物理学报  2017, Vol. 60 Issue (4): 1249-1258   PDF    
基于Van Allen Probes EMFISIS波动仪器观测的内磁层下频带哨声合声波全球分布的统计分析
顾旭东, 殷倩, 倪彬彬 , 项正, 曹兴, 邹正洋, 周晨, 付松, 石润, 赵正予, 谈家强, 王豪, 郑程耀, 贺丰明     
武汉大学电子信息学院空间物理系, 武汉 430072
摘要: 基于Van Allen Probes近三年的EMFISIS仪器波动观测数据,对内磁层下频带哨声模合声波幅度的全球分布特性对地磁活动水平的依赖性进行了详细的统计分析,着重研究下频带合声波平均场强幅度随磁壳值L、磁地方时、地磁纬度的分布特征及不同强度区间的合声波的发生概率.结果表明,下频带合声波的波动强度与地磁活动密切正相关,处于强磁扰期间的合声波具有更大的振幅,其发生率与地磁活动强度具有同样的正相关特性.下频带合声波主要发生于午夜至下午的磁地方时区间,其余的磁地方时时段下频带合声波较弱.赤道面附近的下频带合声波主要分布在夜侧至黎明这一时段内,随着磁纬度的增加逐步向日侧扩展.下频带合声波在午夜侧(21-03 MLT)主要出现在15°的磁纬范围内,在晨侧(03-09 MLT)可以到达15°磁纬甚至更高纬度.下频带合声波主要发生于L=~4.5的附近区域.随着地磁活动的增加,下频带合声波所覆盖的L-shell空间区域增大,趋势为向高、低L值区域同时扩展.建立的下频带哨声合声波的全球分布模型将有助于进一步深入理解该重要磁层波动对辐射带电子的波粒作用散射效应和对辐射带动力学过程的定量贡献.
关键词: 下频带合声波      内磁层      统计分析      平均场强      发生率     
A statistical analysis of the global distribution of inner magnetospheric lower-band chorus waves based on Van Allen Probes EMFISIS observations
GU Xu-Dong, YIN Qian, NI Bin-Bin, XIANG Zheng, CAO Xing, ZOU Zheng-Yang, ZHOU Chen, FU Song, SHI Run, ZHAO Zheng-Yu, TAN Jia-Qiang, WANG Hao, ZHENG Cheng-Yao, HE Feng-Ming     
Department of Space Physics, School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430072, China
Abstract: Based on the nearly three-year wave data from the EMFISIS instrument onboard the Van Allen Probes, a statistical analysis of the global distribution of inner magnetospheric lower-band chorus is performed in detail with respect to the level of geomagnetic activity. The emphasis is placed on the quantitative variations of average lower-band chorus wave amplitude with L-shell, magnetic local time (MLT) and geomagnetic latitude and the occurrence pattern of lower-band chorus waves at different amplitude levels. The results indicate that there exists a strong positive correlation between the average wave amplitude and the geomagnetic activity level. The lower-band chorus intensifies with increasing geomagnetic activity. The occurrence rates of lower-band chorus also tend to increase when the geomagnetic condition intensifies. Lower-band chorus mainly occur in the MLT sector from midnightside to afternoon, and is generally weak at other MLTs. Near the geomagnetic equator, lower-band chorus is mainly observed during the interval from nightside to dawn and has a MLT extension to dayside at higher magnetic latitudes. Lower-band chorus is mainly confined within 15° of the magnetic latitude around the midnightside (21-03 MLT), while it can propagate to higher latitudes on the dawnside (03-09 MLT). The global profile of lower-band chorus also manifests a strong L-shell dependence, showing the highest probability of the wave occurrence at L=~4.5 generally and a much broader coverage during geomagnetically active periods. These results concerning the global distribution and occurrence pattern of lower-band chorus are important to deepen the current understanding of the wave driven scattering effect on radiation belt electrons via wave-particle interactions and of the quantitative contributions to the dynamic behaviors of radiation belt electrons.
Key words: Lower-band chorus      Inner magnetosphere      Statistical analysis      Average wave amplitude      Occurrence rate     
1 引言

多年的实验观测与理论研究表明,地球辐射带电子的通量分布及其动态的时空变化和这些电子与磁层等离子体波的波粒相互作用密切联系.其中,处于甚低频频段的哨声合声波既能对辐射带电子进行加速,也能导致后者的散射沉降损失,因此在辐射带电子动力学变化过程中起着至关重要的作用 (Thorne, 2010; Albert and Young, 2005; Albert and Shprits, 2009; Horne et al., 2003, 2005; Li et al., 2005; Shprits et al., 2008).

哨声合声波作为内磁层空间幅度最强的电磁波模之一,位于等离子体层以外,一般不超过L~8的空间区域,主要是由~10~100 keV电子的各向异性分布激发的波动不稳定性 (Li et al., 2010).磁暴期间哨声合声波的强度明显增强;亚暴期间源电子的注入,也会增强哨声合声波的场强幅度 (Meredith et al., 2001, 2003a, 2003b).作为合声波的一个标志性特征,它的频谱普遍表现为上、下两个频带,在0.5fce (这里fce为电子回旋频率) 存在能量极小值.合声波在观测上表现为离散的相干瞬态信号,持续时间一般为几秒,频率随时间的变化体现出上升调 (df/dt>0) 与下降调 (df/dt<0),这与合声波激发与增长过程中的非线性效应有关.观测也表明,虽然下频带合声波和上频带合声波的主要源区都在磁赤道附近,但表现出不一样的时空分布特征和传播特性.下频带合声波可以在夜侧至午后的磁地方时区间广泛存在,而上频带合声波主要位于夜侧至晨侧这个空间区域.下频带合声波在赤道源区附近主要以场向方向传播,随着传播过程中纬度的提高,波倾角逐渐增大,其中位于日侧的部分波动在中高纬地区能够进入等离子体层,形成嘶声.相对而言,上频带合声波在沿着磁力线传播过程中受朗道衰减的影响很大,所以它存在的地磁纬度范围不大 (Li et al., 2007, 2009a, 2009b, 2011).但是,上频带合声波的波倾角跨度较大,可以从0°一直到40°、50°(比如接近Gendrin angle).下频带合声波可以与几个keV以上的能量电子发生相互作用,已通过观测证实它与脉动极光的生成密切相关,可以存在很好的对应关系,它也被认为是夜侧内磁层与日侧磁层弥散极光的主导生成机制 (Ni et al., 2011).另外,下频带合声波是通过回旋共振动量散射机制生成辐射带相对论“杀手电子”的核心机制 (Summers, 2005; Summers et al., 2004, 2007a, 2007b; Thorne et al., 2007, 2013; Xiao et al., 2009a, 2009bMeredith et al., 2006; 李柳元等,2008).上频带合声波则主要与~0.5~100 keV的能量电子发生作用,能对10 keV以上的电子进行加速,也能通过投掷角散射使几个keV以下的电子进入损失锥,从而沉降损失到大气层.

细致、准确地模拟磁层合声波对地球辐射带电子分布时空变化的重要影响与贡献,首先需要获取尽可能详细、全面的哨声合声波全球分布信息.利用多颗卫星数据,包括CRRES、POLAR、CLUSTER、THEMIS,已有一系列研究对磁层合声波的分布特性进行了详细分析,取得了众多成果 (Li et al., 2009a, 2011).而2012年发射的Van Allen Probes卫星因为携带了更加精密的波动探测仪器,而且是靠近磁赤道附近的双星大椭圆轨道设计,为详细、深入研究内磁层 (L<~6) 哨声合声波的全球分布提供了最新的一流数据,从而有利于获取更全面、更合理的磁层合声波的统计分析模型,进一步更新现有的对磁层合声波全球分布特征的认知.本文以下频带哨声合声波 (0.1fce~0.5fce) 为研究对象,集中于细致分析下频带合声波波幅强度随地磁活动水平的变化特性,及其与磁壳值L、磁地方时MLT、磁纬MLAT之间的关联性,建立内磁层合声波平均场强与发生率的定量统计模型.

2 数据来源与分析方法

Van Allen Probes由搭载了完全相同仪器的两颗卫星组成,于2012年8月30日发射,迄今已运行3年多,主要用于对地球辐射带空间区域的在轨观测.卫星穿越地球辐射带的内辐射带与外辐射带,运行轨道的近地点大约在距离地表 700 km的高度 (L~1.1),远地点为5.8Re (Re为地球半径),磁倾角约为10°,运行周期约为9 h.Van Allen Probes与之前用于辐射带探测的卫星相比有两大显著特点:首先,拥有A和B两颗卫星,Van Allen Probes可以在不同地点对事件进行同时观测;其次,卫星仪器种类很多,能够同时获取观测区域的等离子体、带电粒子、空间波动以及背景磁场等重要信息 (Mauk et al., 2013).

本文数据源自卫星上搭载的Electric and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science (EMFISIS) 仪器组件 (Kletzing et al., 2013).EMIFISIS提供直流电磁场以及频率范围位于10 Hz~400 kHz的波动电场和磁场谱强度的观测数据.其中,Waveform Receiver (WFR) 仪器用来测量频率位于10 Hz~12 kHz的波动功率谱密度,每6 s提供一个完整的频谱矩阵,High-frequency Receiver (HFR) 则提供10 Hz~400 kHz的波动频谱信息 (Li et al., 2013).以星载磁力计提供的原始数据为基础,构建平均场向坐标系,并进行坐标转换,进而可以使用快速傅里叶算法 (FFT) 计算波动磁场的功率谱密度.由磁场的功率谱密度进行奇异秩分解可以获取极化参数,包括波倾角和椭圆极化率,并进一步确定磁层空间各种波模.

哨声合声波一般被认为主要发生于等离子体层层顶以外的区域,因此首先需要判定卫星观测位置相对于等离子体层层顶的位置.前人的工作已表明,依据静电电子回旋谐振波 (ECH) 的强度来判定等离子体层层顶的位置是可行的.如果频率范围为1fce~2fce的ECH波电场振幅小于0.0005 mV·m-1,可以判定卫星位于等离子体层层顶以内,否则卫星位于等离子体层层顶以外 (Meredith et al., 2004).EMIFISIS的HFR覆盖了ECH所在频段,因此能否在HFR观测到的电场功率谱中找到明显的ECH波可以用来判断卫星是否位于等离子体层层顶以外.由于L-shell越大,能观测到的ECH谐波阶数越高,对应的fce倍数就越大,本文分成几个不同的空间区域分析波强度:L<3.5时,选取频率段为1fce~2fce;3.5<L<4.5时,选取频率段为1fce~4fce;4.5<L<5.5时,选取频率段为1fce~6fceL>5.5时,选取频率段为1fce~8fce.固定一个频率范围后,选取对应的最大功率谱密度值的80%作为界限,滤掉低于这个界限的点.若余下各点的幅度均大于10-16(V·m-1)2/Hz与5倍背景噪声谱强度二者的最小值,则判定为该观测点位于等离子体层层顶外.通过上面的分析,可以有效地将f<~2 kHz的位于等离子体层内的等离子体层嘶声与位于等离子体层外的哨声合声波区分开来,从而建立一个合理、可靠的内磁层合声波的Van Allen Probes观测数据库.

本文的研究对象为下频带哨声合声波,其对应的频率限定于0.1fce~0.5fce.另外,作为右旋极化波,观测到的哨声合声波的椭圆极化率大于0.5.磁场功率谱密度在下频带哨声合声波所在频段上进行梯形积分,可以计算出各个观测时间点下频带合声波的波动磁场振幅,即波动强度,进而可以统计分析下频带合声波的波动强度以及发生率的全球分布特征.选用的Van Allen Probes卫星EMFISIS数据的时间范围为2012年9月至2015年5月,共计33个月.

3 统计分析结果 3.1 下频带合声波的波动强度的全球分布

图 1给出了在三种不同的地磁活动条件下,下频带磁层合声波的波动强度 (由平均场强幅度给出) 随L-shell和MLT的全球统计分析结果.选取的L-shell分辨率为0.25,磁地方时的分辨率为1 MLT,因此将整个地球磁层空间分成了24(L)×24(MLT) 个网格.将前一个小时AE指数的平均值定义为AE*,并作为表述地磁活动强弱水平的参数:当AE*<100 nT时,为磁静期;100 nT≤AE*≤300 nT时,为中等磁扰期;当AE*>300 nT时,为强磁扰期 (比如地磁暴).在不同的地磁活动条件下,分别给出下频带合声波的波动强度的全球分布 (大图),以及对应的每个网格内确定的下频带合声波样本个数 (小图).为了保证统计分析的有效性,我们设定最低的样本个数为100.若实际观测样本个数低于100,则认为统计性不够,在文中不作考虑.

图 1 在三种不同地磁活动条件下,下频带磁层合声波的平均场强幅度与样本数随L-shell和磁地方时的全球分布 Fig. 1 Global distribution of averaged wave amplitude and sample number of lower-band chorus as a function of L-shell and magnetic local time (MLT) corresponding to three levels of geomagnetic activity From left to right: weak, AE* < 100 nT; moderate, 100 nT≤AE*≤300 nT; active: AE*>300 nT.

图 1所示,在L=2~6区域内,绝大部分网格内的有效数据点的样本数大于100,最高的可达~105个,因此Van Allen Probes观测数据可以应用于合声波的统计研究,其具有很好的统计意义.统计结果表明,下频带合声波的平均场强幅度与地磁活动条件密切相关.下频带磁层合声波的平均幅度在磁静期和中等磁扰期分别为几pT和几十pT,但在强磁扰期,可以高达100 pT以上.下频带磁层合声波平均幅度在不同L-shell上的分布存在很大的差异性.在外辐射带中心区域,下频带合声波的幅度较强 (>~20 pT),其他区域相对较弱.随着地磁活动的增强,较强的合声波分布的L-shell区间也随之增加.在磁静期间,较强的合声波不常见,但是在中等地磁活动期间,位于L=~5~6的区间内可见,而在地磁活动强烈的期间,可以扩展到L=~4~6.磁地方时是影响下频带合声波分布的又一个重要因素.统计结果显示,磁静期间较强的合声波仅仅发生于午夜前和正午之后的一段时间,与MLT不具有明显的关联性,但是随着地磁活动的增强,合声波的分布与MLT之间呈现出一定的关系,即在昏侧较弱,在其他区域可见较强的合声波.

将磁纬度 (Magnetic Latitude,MLAT) 分成|MLAT|<5°、5°≤|MLAT|<10°、10°≤|MLAT|<15°和15°≤|MLAT|<20°四个区间范围,对所得数据作进一步统计分析,得到下频带磁层合声波的波动强度在磁纬度上的分布特征.图 2给出了在三种不同的地磁活动条件下,不同磁纬度的下频带磁层合声波平均场强幅度在 (L,MLT) 上的统计分析结果.从上到下,每一行依次代表平静、中等和强烈的地磁活动条件;从左到右,每一列依次代表地磁纬度为|MLAT|<5°、5°≤|MLAT|<10°、10°≤|MLAT|<15°和15°≤|MLAT|<20°.每一组图分别给出下频带磁层合声波平均场强幅度的统计分布结果和对应的有效样本数.统计结果表明,下频带合声波的分布与地磁纬度的关系,在不同地磁活动条件下有所不同.在地磁活动平静时期,|MLAT|<10°的区域,19:00—24:00 MLT时间内,外辐射带区域可见较强的合声波;而在10°≤|MLAT|<20°的区域,11:00—16:00 MLT时间内,较强的合声波主要发生于L=~6~7的区域.当地磁活动增强到中等水平的时候,在赤道附近|MLAT|<5°的区域,较强的合声波出现在20:00—06:00 MLT的时间内,主要发生于夜侧;在5°≤|MLAT|<15°,较强的合声波可以扩展到日侧,其MLT范围为23:00—18:00;当地磁纬度增加到15°≤|MLAT|<20°时,夜侧很少能观测到较强的合声波,其主要出现在04:00—18:00 MLT的时间之内.在地磁扰动期间,赤道附近|MLAT|<5°的区域,较强的合声波可以出现在从夜侧到日侧的上午时段,随着纬度的增加,合声波可以出现在除了昏侧附近之外的时间段,当纬度增加到15°≤|MLAT|<20°区域,16:00—23:00 MLT时间段内,很少观测到较强的合声波.随着地磁活动水平的增强,合声波所覆盖的L-shell区域明显增大,这与图 1所给出的统计结果一致.

图 2 下频带合声波强度在不同地磁纬度区域,不同地磁活动条件下的统计分布 Fig. 2 Statistical distributions of intensity for lower-band chorus as a function of magnetic latitude and magnetic activity level

根据上述统计结果,把MLT划分为21:00—03:00、03:00—09:00、09:00—15:00和15:00—21:00四个时间段,然后把每个时间段内的下频带合声波的强度按一定规则进行平均,得到合声波的强度在 (L, MLAT) 上的二维分布.图 3给出了在不同的地磁活动条件下,下频带磁层合声波强度在 (L, MLAT) 上二维分布的全球统计分析结果.图中的曲线表示磁力线,由偶极子磁场模型获得,间隔为1Re.直线代表地磁纬度,从磁赤道 (0°) 开始间隔5°向南北方向排列.选取的L-shell的分辨率为0.1,MLAT的分辨率为1°,因此将整个地球磁层空间分成了50(L)×40(MLAT) 个网格.依据地磁活动水平分类,把位于给定时段内的每一个网格的下频带合声波的强度进行平均,得到合声波在 (L, MLAT) 上的二维分布.每一组图分别给出下频带合声波平均场强幅度的全球分布 (大图) 以及对应的有效统计样本数 (小图).

图 3 下频带合声波的平均强度在 (L, MLAT) 上统计分布 Fig. 3 Statistical distribution of intensity for lower-band chorus in (L, MLAT) plane

图 3的统计结果揭示,下频带磁层合声波的强度与地磁活动条件密切相关,随着地磁活动的增强,合声波的平均场强幅度显著增大,这一特性与前面的统计结果一致,但是在15:00—21:00 MLT时段内,这一特性不明显.下频带磁层合声波的分布与MLT的时段也具有关联性,在不同的时段内具有不同的分布特性.在03:00—09:00 MLT时间段内下频带合声波的平均场强幅度最强,分布的纬度和L-shell范围最广.在地磁活动强烈时期,较强的下频带合声波可以扩展到~20°的磁纬度.在15:00—21:00 MLT,下频带合声波的平均场强幅度最弱.另外,也可以看到下频带磁层合声波的平均幅度在不同的L-shell上存在很大的差异性.在21:00—03:00 MLT和03:00—09:00 MLT内,L=~4.5~5.9,下频带磁层合声波的平均幅度最强;在L=~3.5~4,下频带磁层合声波的平均幅度最弱.下频带合声波的分布还与地磁纬度有关.当地磁活动变强的时候,在21:00—03:00 MLT内,下频带合声波主要分布在|MLAT|<15°,平均场强幅度最强的区域集中于|MLAT|<10°;当03:00—09:00 MLT时,下频带合声波主要分布在|MLAT|<20°,强的合声波主要发生在|MLAT|<15°的区域;在09:00—15:00 MLT,下频带合声波在|MLAT|>15°的平均场强幅度最强.

3.2 下频带合声波发生率的全球分布

合声波的发生率定义为给定条件内的数据点数与总的有效数据点数之比,以百分数的形式给出,该参量可以反映特定的合声波在地球磁层空间中出现的频率.图 4给出了下频带合声波在不同地磁活动条件下的发生率随L-shell和磁地方时的全球统计分析结果.本文只对强度Bw>~10 pT合声波的发生率进行统计,并把平均场强幅度分为三类:中等幅度 (10 pT≤Bw<30 pT)、强幅度 (30 pT≤Bw<100 pT) 和极强幅度 (Bw≥100 pT).前三行的9张图给出下频带磁层合声波发生率的全球分布,第四行的3张图是按照地磁活动条件给出的每个网格内的下频带磁层合声波总样本数.右侧上方的色条表示发生率,下方的色条表示样本点数.统计结果表明,下频带磁层合声波的发生率与地磁活动水平呈正相关的特性.在磁平静时期,中等幅度的下频带合声波的发生率约为4%;在中等磁扰期间,中等幅度的下频带合声波的发生率约为10%;而在强磁扰期间,中等幅度的下频带合声波的发生率约为16%.同样的地磁活动条件下,中等幅度的合声波的发生率最大,极强幅度的合声波的发生率最小.下频带合声波的发生率在不同的L-shell上的分布存在差异.在中等磁扰期,中等幅度的下频带磁层合声波在L~3~6均有发生,强幅度的下频带合声波发生在L~4.5~6,极强幅度的下频带合声波发生在L~5~6;在强磁扰期,中等幅度及强幅度的下频带磁层合声波在L~3~6均有分布,而极强幅度的下频带合声波只分布在L~4.5~6.下频带合声波的发生率随磁地方时的变化很显著.在磁静期,中等幅度的下频带合声波分布在晨侧至夜侧 (07:00—00:00 MLT),强幅度的下频带合声波分布在夜侧 (22:00—00:00MLT),极强幅度的合声波发生率很低;在中等磁扰期,中等幅度的下频带合声波分布在夜侧至昏侧 (00:00—17:00 MLT),强幅度的下频带合声波分布在夜侧至晨侧 (01:00—06:00 MLT) 及日侧 (10:00—16:00 MLT),极强幅度的下频带合声波分布在夜侧至晨侧 (01:00—05:00 MLT);在强磁扰期,中等幅度的下频带磁层合声波在夜侧至午侧 (21:00—15:00 MLT) 均有分布,在06:00—11:00 MLT发生率最大,强幅度的下频带合声波分布在夜侧至晨侧 (23:00—10:00 MLT),在04:00—07:00 MLT发生率最大,极强幅度的下频带合声波在夜侧至晨侧 (23:00—07:00 MLT) 发生率最大约为6%.

图 4 同强度的下频带合声波发生率随地磁活动指数变化的分布 Fig. 4 Occurrence rates of lower-band chorus with different wave intensity as a function of magnetic activity level

为了进一步分析下频带合声波发生率随磁纬度的变化,本文将磁纬度细分为|MLAT|<5°、5°≤|MLAT|<10°、10°≤|MLAT|<15°和15°≤|MLAT|<20°四个范围,然后对每一个磁纬度区间的数据分别进行发生率的统计分析.图 5给出了下频带合声波的发生率随磁纬度的分布,前3行的12张图给出下频带合声波发生率的全球分布,第4行的4张图是对应四个磁纬度范围内的下频带合声波样本的个数.分析统计结果,可以看到中等幅度的下频带磁层合声波的发生率最高,极强幅度的下频带磁层合声波的发生率最低.下频带合声波的发生率随磁地方时MLT的变化有显著差异.对于中等强度的下频带合声波,在赤道附近,即|MLAT|<5°的区域,夜侧至昏侧 (23:00—17:00 MLT) 的时段发生率最大,约为10%;在5°≤|MLAT|<10°,同样在位于夜侧至午侧 (02:00—12:00 MLT) 的时段发生率最大,约为16%,相比赤道附近区域有所增加;在10°≤|MLAT|<15°,晨侧至午侧 (05:00—14:00 MLT) 的时段发生率最大,约为16%;在15°≤|MLAT|<20°,在晨侧至午侧 (06:00—13:00 MLT) 的发生率最大,约为16%.对于强幅度的下频带合声波,其最大发生率可达5%~6%,但是发生的时段与地磁纬度有关.在|MLAT|<5°的赤道附近区域,在23:00—05:00 MLT期间发生率最大;在5°≤|MLAT|<10°,02:00—08:00 MLT时段发生率最大;在10°≤|MLAT|<15°,晨侧至午侧,也就是04:00—13:00 MLT之间发生率最大;而在15°≤|MLAT|<20°,06:00—13:00 MLT时段内发生率最大.对于极强幅度的下频带合声波,在|MLAT|<5°有分布,但是发生率很低.

图 5 下频带合声波发生率在不同磁纬度的分布 Fig. 5 Occurrence rates of lower-band chorus with different wave intensity as a function of magnetic latitude
4 讨论与结论

利用多颗卫星 (包括CRRES、Polar、CLUSTER、THEMIS) 的观测数据,前人对地球磁层哨声模合声波的时空分布特性进行了详细分析 (Li et al., 2009a, 2009b, 2010; Meredith et al., 2001, 2003a, 2003b).但是,由于卫星运行轨道的限制,大部分研究结果更多地针对较高L值上 (比如L>~5) 的波动分布情况.对于L<5的区域,合声波的分布情况还有待进一步研究.2012年发射的Van Allen Probes卫星计划由两颗一模一样的卫星组成,至今在L<5的区域内已有足够的数据积累.卫星携带的EMFISIS波动观测仪器能提供高时空分辨率、高频率精度的空间波场数据,将为研究内磁层合声波的全球分布特性与时空变化规律提供一个崭新的契机.本文基于2012年9月至2015年5月Van Allen Probes卫星的高精度EMFISIS波动数据,对内磁层下频带哨声模合声波的全球分布特性进行了详细的统计分析.主要研究结果如下:

(1) 随着地磁活动指数AE*的增大,下频带合声波的平均场强幅度增加,其变化的趋势与地磁活动水平呈现出正相关的特性.下频带合声波的发生率与地磁活动强度具有同样的正相关特性.地磁活动强烈时期会出现幅度大于100 pT的下频带合声波.

(2) 下频带合声波主要发生于午夜至下午的磁地方时区间,其余的磁地方时时段下频带合声波较弱.磁赤道面附近的下频带合声波主要分布在夜侧至黎明的磁地方时区间.随着地磁纬度的增大,下频带合声波向日侧扩展.

(3) 下频带合声波在午夜侧 (21—03 MLT) 主要出现在15°的磁纬范围内,在晨侧 (03—09 MLT) 可以到达15°磁纬甚至更高纬度,在正午/午后侧 (09—15 MLT) 分布的磁纬范围变小,可能是因为受到卫星运动轨道的限制,在昏侧/夜间侧基本上所有观测纬度上的合声波发生概率都很低.

(4) 下频带合声波主要发生于L=~4.5的附近区域.随着地磁活动的增加,下频带合声波所覆盖的L-shell空间区域增大,趋势为向高、低L值区域同时扩展.

本文的研究结果进一步深入了解了地球内磁层下频带合声波全球平均场强分布与不同强度波动的发生概率,一方面将有利于后续开展工作定量研究下频带合声波对辐射带电子的波粒作用散射效应和对辐射带动力学过程的具体贡献,另一方面也将促进对内磁层下频带合声波的激发、增强与传播过程的更细致、全面的理解与分析.

致谢

地磁活动指数数据来自NASA的OMNIWEB网上数据库 (http://omniweb.gsfc.nasa.gov/ow_min.html),Van Allen Probes的EMFISIS波动数据来自University of IOWA研究团队的网上公开数据库 (http://emfisis.physics.uiowa.edu/Flight/).

参考文献
Albert J M, Young S L. 2005. Multidimensional quasi-linear diffusion of radiation belt electrons. Geophys. Res. Lett., 32: L14110. DOI:10.1029/2005GL023191
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