地球物理学报  2018, Vol. 61 Issue (2): 423-436   PDF    
高纬日侧电离层离子上行的地磁活动依赖性研究
周康俊1,2, 蔡红涛1,2, 李影1,2, 胡坤1,2, 黄定娟1,2, 张琬1,2, 马淑英1,2     
1. 武汉大学电子信息学院, 武汉 430072;
2. 武汉大学空间环境与大地测量教育部重点实验室, 武汉 430072
摘要:本文对比分析了太阳活动高、低年期间高纬日侧顶部电离层离子上行随地磁活动水平的变化特征.按地磁活动水平, 将DMSP卫星在太阳活动高年(2000-2002年, F13和F15)及太阳活动低年(2007-2009年, F13;2007-2010年, F15)期间的SSIES离子漂移速度观测数据分为三组:地磁平静期(Kp < 3), 中等地磁扰动期(3 ≤ Kp < 5)和强地磁活动期(Kp ≥ 5), 分别统计分析了高纬日侧顶部电离层离子上行特征的时空分布.对比分析发现:(1)太阳活动低年期间, 高纬日侧电离层离子上行发生率以及上行速度峰值均是太阳活动高年的2倍多, 而离子上行通量峰值只有高年的1/6-1/4;(2)在相同太阳活动条件下, 地磁活动水平对日侧电离层离子上行发生率峰值的影响并不明显, 但对离子上行发生率的空间分布有着显著的控制作用:电离层离子上行高发区随地磁活动向低纬度扩展, 并在强地磁活动期间呈现饱和的趋势; (3)日侧顶部电离层等离子体似乎存在两个效率相当的上行区域, 一个位于极尖/极隙区纬度附近, 离子可沿开放磁力线上行进入磁尾; 另一个位于晨侧亚极光区附近, 离子沿闭合磁力线上行, 有可能进入日侧等离子体层边界层.
关键词: 电离层离子上行      地磁活动      高纬电离层      太阳活动     
Geomagnetic activity dependences of high-latitude dayside ionospheric ion upflows
ZHOU KangJun1,2, CAI HongTao1,2, LI Ying1,2, HU Kun1,2, HUANG DingJuan1,2, ZHANG Wan1,2, MA ShuYing1,2     
1. School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430072, China;
2. Key Laboratory of Geospace Environment and Geodesy, CNEM, Wuhan University, Wuhan 430072, China
Abstract: Characteristics of high-latitude dayside ionospheric bulk ion upflows varying with various geomagnetic activity levels during solar maximum/minimum are investigated in this paper.According to the Kp index, DMSP satellites observations during solar maximum(2000-2002, F13 and F15) and minimum(2007-2009, F13;2007-2010, F15) are binned into three groups:geomagnetic quiet(Kp < 3), moderate disturbances(3 ≤ Kp < 5) and strong geomagnetic activity(Kp ≥ 5), then spatial and temporal distributions of ion upflows at dayside ionosphere are analyzed, respectively.Analysis shows that the bulk ion upflows occurrence and speed at dayside ionosphere during solar minimum are more than 2 times larger than those during solar maximum, whilst ion upward fluxes during solar maximum are 4~6 times higher than that during solar minimum.The occurrence of dayside ionospheric bulk ion upflows show no remarkable responses to variations of geomagnetic activity under the same solar activity condition, whilst the upward ions spatial distributions exhibit strong dependences on it.Regions of up-flowing ions being frequently observed usually move equatorwards with the increase of geomagnetic activities, and it tends to be saturated during periods of strong geomagnetic disturbances.Observations of the DMSP fleets reveal that there seems to be two regions at the dayside ionosphere with comparable efficiency of bulk up-flowing ions.One of them lies at the cusp/cleft regions, where ionospheric ions move upwards along open field lines towards magnetic tail.The other one is situated in dawn-side sub-auroral region, where ionospheric ions up-flow along closed field lines, possible reach boundary layers of dayside plasmasphere.
Key words: Ionospheric ion up-flow    Geomagnetic activity    High-latitude ionosphere    Solar activity    
0 引言

Shelley等(1972)首次发现磁层中存在源自电离层的O+离子以来, 人们对电离层离子上行源区及其地球空间中获能与传输过程等问题开展了广泛的研究.近几十年来, 地面雷达和一系列卫星观测证实, 在极区电离层中存在着多种离子上行过程, 这些来自电离层的上行离子是磁层等离子体的重要来源(Frank et al., 1977; André et al., 1998;Moore et al., 1999; Ogawa et al., 2010).

太阳活动对电离层离子上行特征影响显著.Ogawa等(2009, 2010)通过ESR雷达数据发现:白天的离子上行发生率随太阳风密度和太阳风速度增加而增加, 但当太阳风速度超过650 m·s-1时, 上行发生率开始下降, 最大的发生率在磁正午扇区.通过分析1984—2008年的EISCAT雷达数据, 发现太阳活动水平与离子上行通量呈正相关, 与上行速度和上行事件数呈负相关; 离子开始上行的高度在高太阳活动期间约为450 km, 在低太阳活动期间在300~500 km间变化.

地磁活动对电离层离子上行也有着重要影响.Davies等(1997, 1999)发现离子摩擦加热的发生频率随Kp指数而增加, 并表现出明显的晨昏不对称性和半年不对称性.Loranc等(1991)发现电离层离子上行与地磁活动存在正相关.Endo等(2000)通过EISCAT VHF雷达数据发现:电离层离子上行事件在夜侧比日侧更容易观测到; 离子上行的发生率与Kp指数存在正相关.Liu等(2001)通过对ESICAT和ESR雷达的数据分析, 发现夜间地磁扰动期高纬电离层F层离子上行发生率是地磁平静期的3倍; 离子开始上行的高度也降低至200~250 km.磁暴期间的极区电离层离子上行特征也一直是人们关注的焦点之一.霍亮等(2006)对DMSP F13卫星2000—2004年平静期和磁暴期离子漂移速度进行了对比分析, 发现磁暴期间强上行事件的发生率约为平静期的2倍, 且离子上行速度昏侧大于晨侧.Coley和Heelis(2009)通过分析DMSP F13和F15卫星数据发现:地磁磁暴开始之后, 离子上行通量增大; 在磁暴期间, 当太阳风速度变大和太阳风密度很高的时候, 容易出现强上行通量事件.Ogawa等(2013)分析了磁暴与夜间极区电离层离子上行的关系, 发现磁暴开始出现后, 出现离子上行和电子增温.磁暴主相期间, 整个极光区的离子上行速度和通量都有所增加; 恢复相期间, 极光区的离子上行速度减小, 但离子上行仍然在高纬凸起的边界发生.

Foster等(1998)Wahlund等(1992)发现电离层F层离子上行与电子和离子增温存在关联.Ogawa等(2003)研究了极区电离层离子上行, 发现软粒子沉降是驱动顶部电离层离子上行的主要能量来源.Burchill等(2010)发现离子上行与沉降的磁鞘电子能量通量有显著关系, 由此认为软电子沉降引发的平行电场加速电离层离子上行.Coley等(2003, 2006)利用DMSP数据研究了高纬离子上行, 发现在高纬顶部电离层O+离子上行通量与O+数密度的关系更紧密; 离子上行通量在极光区与IMF Bz呈负相关, 而在极盖区内却呈现正相关.Strangeway等(2005)利用FAST卫星研究了4000 km高度的电离层离子上行, 估算出离子通量与沉降电子密度和坡印廷通量的相关系数分别是0.855和0.721.Shen等(2016)认为, 在大约1000 km高度, 双极电场是电离层离子的上行主要驱动源.周康俊等(2014)对2001—2005年58个磁暴事件开展统计分析, 证实了电子增温在驱动暴时顶部电离层离子上行过程中的重要作用.

之前的大多数研究工作并没有严格地分离太阳活动和地磁活动各自对电离层离子上行特征的影响.本文利用DMSP F13和F15卫星的观测数据, 试图尽可能将二者影响区分开, 对比太阳活动和地磁活动对电离层离子上行特征影响的异同.

1 数据资料及上行事件的判定 1.1 卫星数据

本文利用DMSP卫星在太阳高年(2000—2002, F13/15)和太阳低年(2007—2009, F13;2007—2010, F15)期间的观测数据开展研究工作.所选数据时间段为:F13卫星2000年1月到2002年12月, 2007年1月到2009年11月; F15卫星2000年1月到2002年12月, 2007年1月到2010年12月.DMSP卫星轨道为近圆形太阳同步轨道, 轨道倾角为98°, 飞行高度约830 km.DMSP卫星绕地球运行一圈大约为101 min, 升段和降段分别在固定的磁地方时(F13约为0600—1800 MLT, F15约为0900—2100 MLT)经过赤道面(Hairston and Heelis, 1993).F13和F15卫星在2000—2002年间的轨道位置基本保持不变; 2007—2010年期间, F15卫星轨道在MLat-MLT坐标系下沿顺时针方向偏转了约30°, 这样更有利于开展对极区日侧电离层的观测研究.

DMSP卫星携带的SSIES仪器, 能够提供等离子体的整体漂移速度分量(能量范围32 eV~1000 keV)、等离子体的密度、离子种类比例(H+、He+、O+)、离子和电子的温度等信息; 这些数据每4 s进行一次采样.每一组数据都有质量标记并分为四个类别, 本文分析工作只采用标记为可信的数据(霍亮等, 2006).由于地理南北极与地磁南北极的位置差异, 导致DMSP F13, F15卫星只在北半球有较好的日侧覆盖.因此, 本文只讨论北半球的观测结果.

1.2 离子上行事件判断

在电离层顶部, 离子主要沿磁力线运动.利用IGRF-11磁场模型与坐标转换(由卫星局地坐标系转换到地理坐标系), 可以得到离子沿DMSP卫星所在磁力线方向的速度.南半球离子上行速度为正, 北半球速度为负.本文重点分析北半球的观测数据, 为处理方便将上行速度转换为正.

对离子上行事件的判断通常有两种方法:速度判断法和通量判断法.考虑到通量受离子速度和密度的双层调制, 本文根据离子上行速度的大小进行判断.通过地面非相关散射雷达的观测, Ogawa等(2009)将100 m·s-1设定为离子上行速度的门限值, 并且至少三个连续高度上的离子上行速度都大于门限值时才判定为一个离子上行事件.在顶部电离层高度, 离子向上的漂移速度大部分低于200 m·s-1, 离子要达到此速度, 需要受到额外的加速(Endo等, 2000).本文中我们把离子上行的速度门限值选定为200 m·s-1.

图 1给出了根据DMSP卫星观测数据判定离子上行事件的一个示例.在2000年12月31日21:40—22:00 UT期间, DMSP F15卫星飞越北半球极区.上下面板分别表示, 32 eV~1000 keV离子能谱、离子沿磁力线的整体漂移速度.本文只使用可信数据, 将速度大于200 m·s-1的点判定为离子上行事件.并提取其相应特征, 包括事件发生的地理位置、对应地方时、离子上行速度、上行通量等要素, 用于后期统计分析.

图 1 根据DMSP卫星观测数据判定离子上行事件的一个示例 在2000年12月31日21:40—22:00 UT期间, F15卫星飞越北半球极区.上下面板分别表示32 eV~1000 keV离子能谱、离子沿磁力线的整体漂移速度. Fig. 1 An Illustration of ion up-flow events identified from DMSP observations During the period of 21:40—22:00 UT on December 31, 2000, spacecraft F15 was crossing the Arctic.The top and bottom panels illustrate the 32 eV~1000 keV ion energy-time spectrogram and the velocities of bulk ion flows along magnetic field lines.
1.3 数据分组及网格划分

本文中, 根据太阳F10.7辐射水平, 我们重点对比考察了太阳活动高年(2000—2002年)和太阳活动低年(2007—2010年)期间日侧极区电离层离子上行对地磁活动水平的相应特征.

根据每天Kp的最大值, 本文把地磁活动水平分为三个等级:地磁平静期(Kp<3), 中等地磁扰动期(3≤Kp<5)和强地磁活动期(Kp≥5).这样分组之后, 我们可最大限度地将太阳活动水平及地磁活动水平分别对高纬电离层离子上行的影响剥离开, 进而详细对比各自对日侧离子上行源区特征的控制.为获得极区顶部电离层离子上行特征参量的时空分布情况, 本文在MLat×MLT坐标平面里进行网格划分.MLat范围从北纬50°到90°, 划分为20组, 间隔为2°; MLT为00到24, 分为48组, 间隔为0.5 h.图 2给出了本文感兴趣时间内DMSP卫星在北半球可信观测数据的分布情况.最外圈的磁纬为50°(下同).不难看出, 在日侧DMSP卫星轨道覆盖范围内绝大部分网格内, 均有足够数量的可信观测数据用于统计分析.

图 2 太阳活动低年(左)和高年(右)期间DMSP F13和F15卫星在北半球各网格内的可信观测数据分布 Fig. 2 Numbers of the DMSP F13, F15 observations within the grids in the Northern Hemisphere during solar minimum(left) and maximum(right)

在计算离子上行发生率时, 为了保证统计结果的可信度, 我们对各网格内卫星的观测数据量下限设置了一个阈值.如果某一网格内的卫星观测可信数据数点少于100个, 那么该网格的数据不参与统计计算.本文聚焦于极区日侧电离层离子上行, 因此, 在后续章节仅给出DMSP卫星在日侧的观测结果.

按照地磁活动分组, 分别对太阳活动高、低年期间DMSP观测数据进行统计分析, 获得不同地磁活动水平条件下极区日侧顶部电离层离子上行特征参量的时空分布图.

2 极区日侧电离层离子上行结果 2.1 离子上行发生率的时空分布

某网格内离子上行发生率的定义如下:

即卫星观测到某网格内离子上行事件的数据点数与总观测数据点数的比值, 这与Ogawa等(2009, 2010)定义相一致.

图 3分别给出了太阳活动高低年期间DMSP卫星在北半球观测到的离子上行事件发生率在不同地磁活动和太阳活动条件下随MLat和MLT的时空分布随地磁活动水平的变化.图中同时给出了利用Feldstein极光椭圆模型(Feldstein et al., 1969)计算出各地磁活动水平条件下极光椭圆区赤道向/极向边界(红色实线).Feldstein极光椭圆模型的输入参量为Kp指数与磁地方时, 输出参量为相应的赤道向/极向边界的磁纬度.在太阳活动高年(图 3右列), 极区日侧离子上行高发区主要集中在正午极光椭圆区附近, 上行发生率约20%.地磁平静期, 离子上行高发区分布在较广泛的时间扇区里, 可从上午1000 MLT延伸至午后1800 MLT; 随着地磁活动水平的上升, 离子上行高发区逐渐向低纬度扩展, 时间分布上向磁正午集中.在太阳活动低年(图 3左列), 离子上行高发区从极尖/极隙区一直延伸至06:00 MLT, 峰值达30%;随着地磁活动水平的增加, 该高发区整体向低纬度扩展的趋势明显.在地磁平静期, 离子上行发生率在晨侧亚极光区附近出现一个次峰, 峰值达20%;在中等和强地磁活动期间, 该次峰峰值降低至10%左右.在相同太阳活动条件下, 地磁活动水平对日侧离子上行发生率峰值的影响不明显.

图 3 太阳活动高年(右列)/低年(左列)期间DMSP卫星在北半球观测到日侧电离层离子上行发生率的时空分布 Fig. 3 Temporal-spatial distributions of ionospheric ion up-flow occurrence at the Northern Hemisphere dayside during solar maximum(right column)/solar minimum(left column) derived from DMSP satellite observations

在相同地磁活动水平条件下, DMSP卫星在北半球日侧太阳活动高年期间观测到的离子上行率明显低于太阳活动低年, 后者峰值是前者的1.5倍; 离子上行发生率的时空分布也表现出明显差异.低太阳活动期间, 极区顶部电离层晨侧的离子上行活动非常活跃, 峰值可达20%~30%;尤其是在地磁平静期, 在晨侧亚极光区纬度(64°~68° MLat)上还出现了一个不可忽视的离子上行次高发区, 峰值发生率高达15%.在太阳活动高年期间, 晨侧这部分离子上行几乎被完全抑制(不超过5%).

2.2 离子上行速度均值的时空分布

DMSP卫星在顶部电离层高度观测到较高的离子上行速度, 在一定程度上可作为上行离子在电离层高度内获能加速的一个表征.图 4给出了北半球观测到的离子上行速度均值(网格内均值, 下同)在不同地磁活动和太阳活动条件下随MLat和MLT的时空分布.图中同时也给出了模型预测的极光椭圆区的两侧边界.为保证统计结果的可信度, 每个网格区域内至少包括20个离子上行事件, 否则不参与统计.在实际计算过程中, 地磁平静期和中等地磁活动期, 绝大多数网格内包含的上行事件数一般在200以上; 强地磁活动期间, DMSP卫星观测数据量相对较少, 但在绝大多数网格里能保证包含30以上的上行事件.

图 4 太阳活动高年(右列)/低年(左列)期间DMSP卫星在北半球观测到顶部电离层离子平均上行速度的时空分布(单位:m·s-1) Fig. 4 Temporal-spatial distribution of average up-flowing velocities at the top ionosphere during solar maximum (right column)/solar minimum(left column) of DMSP satellite observations in the Northern Hemisphere(unit:m·s-1)

太阳活动水平对极区日侧电离层离子上行速度有显著影响.DMSP卫星在太阳活动低年(图 4左列)观测到的离子上行速度要明显大于高年(图 4右列).太阳活动低年地磁平静期间, 离子上行速度的峰值出现在极盖区和晨侧亚极光区及更低纬度, 峰值超过1000 m·s-1.随着地磁活动的增强, DMSP卫星在日侧观测到的离子上行速度峰值整体上呈现出逐渐降低的趋势.值得注意的是, 在地磁平静期及中等地磁扰动期间, DMSP卫星在晨侧亚极光区纬度上观测到的离子平均上行速度超过800 m·s-1, 明显高于极尖/极隙区的离子上行速度(~600 m·s-1).

在太阳活动高年(图 4右列), DMSP在日侧70° MLat以上区域观测到离子上行速度多集中在300~500 m·s-1左右, 明显高于本文离子上行事件的判断标准预设的阈值(200 m·s-1).在地磁平静期, 离子上行速度峰值(350 m·s-1)主要出现在极盖区和极光椭圆区赤道向边界; 在强磁活动条件下, 离子上行速度峰值主要出现在70° MLat及以下纬度上.

2.3 离子上行通量均值的时空分布

离子上行通量表征着极区电离层向磁层输送粒子和质量的效率.图 5给出DMSP卫星在北半球观测到的离子上行通量随太阳活动水平和地磁活动水平时空分布.离子上行通量按下式计算:

图 5 太阳活动高年(右列)/低年(左列)期间DMSP卫星在北半球到顶部电离层北半球离子上行平均通量的时空分布(单位:1012 m-2·s-1, 观测) Fig. 5 Temporal-spatial distribution of ion up-flow average flux in the top ionospheric during solar maximum(right column)/solar minimum(left column) observed by DMSP satellite at the Northern Hemisphere(unit:1012 m-2·s-1)

其中, Vup是电离层离子上行速度, Ni是对应的离子数密度.对落在某网格里所有电离层离子上行事件的通量求均值, 得到极区电离层日侧离子上行通量均值的时空分布, 如图 5所示.

图 5中容易看出:在太阳活动高年地磁平静期, 极区离子的上行通量在极尖/极隙区出现峰值; 随着地磁活动的增强, 极区日侧电离层离子上行通量迅速增加, 二者间呈现出明显的正相关(Abe et al., 2001).在空间分布方面, 随着地磁活动的增强, 高的上行离子通量逐渐向低纬和磁正午两侧扩展.在太阳活动低年期间(图 5左列), 尽管DMSP卫星在日侧观测到的离子上行通量整体上要远远低于太阳活动高年的结果, 但上行通量峰值出现位置及其随地磁活动水平的变化趋势呈现出类似的特征:极区日侧电离层的离子上行通量与地磁活动水平呈正相关.

在相同地磁活动水平条件下, DMSP卫星在太阳活动高年观测到离子上行通量要远高于太阳活动低年; 在离子上行高发区, 前者的上行通量峰值是后者的4~6倍.这表明太阳活动水平对极区离子上行通量起着关键的调制作用, 数值上二者呈现显著的正相关.这与地面非相干散射雷达在极尖/极隙区纬度上的观测结果相一致(Ogawa等, 2010).

在地磁平静期, 太阳高年离子平均上行通量比太阳低年高约5×1012 m-2·s-1.随着地磁活动的增强, 该通量差也随之增加.在中等地磁活动期约为8×1012 m-2·s-1, 在强地磁活动期约为16×1012 m-2·s-1.由此表明, 地磁活动会加强太阳活动水平对上行通量的调制作用.

除极尖/极隙区附近区域外, DMSP卫星还在晨侧亚极光区附近观测到可观的电离层离子上行通量.这在下一节将详细讨论.

3 讨论 3.1 日侧电离层离子上行高发纬度带的空间变化特征

图 3所示的日侧电离层离子上行高发区与POLAR卫星(Huddleston et al., 2005; Peterson et al, 2006, 2008)在高高度上的观测结果相吻合.然而, Redmon等(2010)利用DMSP卫星电子沉降数据来划分极光椭圆区边界, 发现离子上行的峰值区域并不完全与极光椭圆区边界重合.Loranc等(1991)Chappell等(2016)发现高纬电离层离子上行的峰值出现在极盖区磁正午前后.

为进一步对比分析太阳活动水平和地磁活动水平对极区电离层上行离子高发区位置的影响, 我们将图 3中日侧(06:00—18:00 MLT)离子上行发生率沿MLT积分, 然后根据各纬度包含的有效数据网格数求均值.计算过程中, 只考虑数据可信的网格, 结果如图 6所示, 同时给出了高斯拟合结果.

图 6 各地磁活动水平条件下DMSP卫星在极区日侧观测到的离子上行发生率纬度分布 Fig. 6 Variations of MLT-averaged ion up-flow occurrences with MLat under the various geomagnetic activities at dayside high-latitude regions

图 6所示结果的一个突出特征是太阳活动低年上行平均发生率的峰值明显高于高年, 在相同地磁活动条件下, 前者峰值比后者约高50%.太阳活动水平对极区日侧电离层离子上行的发生率影响显著, 在相同太阳活动水平下, 地磁活动对离子上行率峰值的影响相对不明显.

地磁活动水平对极区日侧电离层离子上行发生率峰值所在纬度也起着强烈的控制作用:地磁活动会引起离子上行发生率峰值位置向低纬度扩展.在太阳活动高年地磁平静期, 上行高发区中心所在纬度为76.5° MLat, 离子上行率峰值为12.3%;在中等地磁活动期间, 该中心向低纬扩展至75.4° MLat, 峰值小幅上升, 达13.1%;随着地磁活动的进一步增强, 该中心向低纬扩展至73.2°, 峰值小幅回落至9.7%.在太阳活动低年地磁平静期, 日侧电离层上行发生率峰值出现在77.5° MLat, 为17.1%;同时, 在66.5° MLat附近出现一个次峰值, 为12.1%.由图 3可知, 这部分离子上行主要发生在日向晨侧.在中等地磁活动条件下, 离子上行峰值向低纬扩展至74.3° MLat, 峰值为18.8%.在强地磁扰动条件下, 上行发生率峰值出现在74.7° MLat, 为13.9%.

为详细分析地磁活动水平对离子上行纬度分布的影响, 根据图 6中的拟合结果, 定义离子上行发生率降低至峰值70%处所对应地磁纬度分别为离子上行高发纬度带的赤道侧/极侧边界.图 7分别给出了太阳活动高/低年期间北半球日侧顶部电离层离子上行高发纬度带随地磁活动水平的变化.在太阳活动低年地磁活动期间, 主要考察了离子上行发生率的主峰.

图 7 太阳活动高/低年期间北半球日侧顶部电离层离子上行高发纬度带随地磁活动水平的变化 Fig. 7 Variations of the latitude band of high-frequency up-flowing ion with the geomagnetic activity at dayside top ionosphere during solar maximum/minimum

图 7所示, 随着地磁活动水平的提升, 日侧电离层离子上行的高发区向低纬度扩展, 在太阳活动低年期间尤为明显.同时, 离子上行高发区的赤道向边界的纬度逐渐降低, 离子上行高发区的纬度跨度呈增加趋势.在太阳活动低年, 离子上行高发区的极向边界的纬度高于太阳高年.随着地磁活动水平的提升, 上行高发区的纬度跨度呈增加趋势.

极尖/极隙区是日侧电离层离子上行的主要区域, 该区域内的软电子沉降对驱动离子上行起重要作用(Burchill et al., 2009, 2010; Skjæveland et al., 2015).在地磁平静期, 极尖/极隙区位于76° MLat, 纬度跨度约1°左右; 随着地磁活动的增强, 极尖/极隙区位置向低纬度扩展, 纬度跨度有时可达5°(Meng, 1983).Wing等(2005)研究发现, 随着行星际磁场IMF By强度的增加, 极尖/极隙区的赤道向边界向低纬扩展, 且纬度跨度也随之增加.本文极区日侧电离层离子上行高发纬度带随地磁活动水平的变化特征, 与极尖/极隙区的变化特征相一致.

3.2 晨侧亚极光区离子上行

为考察电离层离子上行高发纬度带内离子上行速度及上行通量, 与图 6类似, 我们沿MLT对离子上行速度和通量积分后分别求均值.图 8图 9分别给出了太阳活动高/低年期间DMSP卫星观测离子上行平均通量和上行平均速度的处理结果.图中同时用实线标识出了图 7所示的极区日侧电离层离子上行纬度带赤道侧和极向边界所在纬度.

图 8 各地磁活动水平条件下DMSP卫星在极区日侧观测到离子上行通量的纬度分布 (图中实线表示离子上行高发纬度带的赤道向和极向边界) Fig. 8 The same as Fig. 6, but for up-flowing ion fluxes(The solid lines represent the ion the boundaries of the latitude band of high-frequency up-flowing ion indicated in Fig. 7)
图 9 各地磁活动水平条件下DMSP卫星在极区日侧观测到离子上行速度的纬度分布 图中实线表示离子上行高发纬度带的赤道向/极向边界. Fig. 9 The same as Fig. 5, but for ion up-flowing velocities The solid lines represent the ion the boundaries of the latitude band of high-frequency up-flowing ion indicated in Fig. 7.

图 8容易看出, 太阳活动高年离子上行通量明显高于太阳活动低年, 上行通量与地磁活动强度呈正相关.在地磁平静和中等地磁活动期间, 在极区日侧电离层出现2个高上行通量纬度区域.其中的一个极值位于极尖/极隙区纬度, 这与其他卫星观测结果(党戈等, 2007)相一致, 也是广为接受的电离层离子上行的主要区域之一(Coley and Heelis, 2009).在这个区域, 电离层离子日侧沿开放磁力线上行, 进入磁尾.

该区域内的离子上行通量极值所在位置与离子上行的高发纬度带存在较高的重叠度, 且不受太阳活动水平的影响, 这表明二者间存在紧密的联系.值得注意的是, 该离子上行通量极值所在位置与离子上行速度峰值所在位置间通常存在较大的偏离(图 9), 尤其是在太阳活动低年期间.这说明对电离层离子上行通量起决定性贡献的不是离子上行速度, 而是离子数密度(Coley et al., 2006).地面雷达长期观测表明, 在极光椭圆区F层高度, 太阳高年白天电子密度峰值是低年的2~5倍(Cai et al., 2007).

另一个电离层离子上行高通量纬度区域出现在亚极光区(图 8).在太阳活动低年, 该上行通量峰值与极尖/极隙区的峰值相当; 而随着地磁活动的增强, 亚极光区离子上行通量峰值无明显变化.在太阳活动高年地磁平静期, 在亚极光区同样观测到离子上行通量一个次峰值; 随着地磁活动的增强, 日侧极区电离层离子上行通量整体急剧上升, 该峰值变得相对不明显.结合图 5可知, 亚极光区的离子上行通量极值主要发生在晨侧扇区.

图 10给出了DMSP F13/15卫星在日侧观测到的电离层离子上行事件数.不难发现, 虽然晨侧低纬度区域的离子上行发生率并不高, 一般不超过5%(图 3), 但太阳活动高、低年期间DMSP卫星在该区域均观测到数目可观的离子上行事件(图 10).这表明, 尽管图 5中DMSP卫星在晨侧亚极光区所覆盖的网格数有限, 但每个网格内的上行通量均值是可信的.

图 10 DMSP F13/15卫星在中等地磁活动(3≤Kp < 5)期间在日侧观测到电离层离子上行事件数的时空分布 Fig. 10 Number of ion up-flow events observed by the DMSP F13/15 fleets at dayside high-latitude regions during periods of moderate geomagnetic activates

亚极光纬度电离层离子上行事件也曾被地面雷达和卫星等多次观测到.美国磨石山非相关散射雷达(不变量纬度55°)曾观测到中纬度电离层离子上行事例(Yeh and Foster, 1990).磁暴期间, 欧洲非相干散射雷达(Liu et al., 2001)、DMSP卫星(霍亮等, 2006), 以及FAST卫星(党戈等, 2007)也都曾在晨侧观测到电离层离子上行发生率和强度增强.地磁平静期, FAST卫星在晨侧(06:00—10:00 MLT)60° Mlat附近4000 km以下高度观测到电离层离子上行能通量的次峰值(Zhao et al., 2016); POLAR卫星同样在晨测不变量纬度55°附近5000至7000 km高度区间观测到显著的离子上行通量(Peterson et al, 2006, 2008); DE-1卫星在3RE高度以下观测到的日侧O+离子上行通量表现出显著的从正午向晨侧偏移的特征(Lockwood et al., 1985; Pollock et al., 1990; Giles et al., 1994), 并且IMF By分量指向引起极尖区位置的偏移无法解释该现象(Redmon et al., 2012).模拟研究揭示大磁暴期间, 不是黄昏侧电离层, 而是来自黎明前后扇区电离层O+离子对暴时环电流有最大贡献(Cash et al., 2010).

由于DMSP F13/15卫星轨道的限制, 本文虽缺乏日侧午后扇区完整有效的覆盖, 但卫星在晨侧亚极光区观测到的离子上行通量, 无论是纬度均值(图 9)还是时空分布(图 5, 尤其是太阳活动高年)都是显著的.虽然该区域的上行机制尚不明确, 但大量地面雷达和卫星观测结果都表明, 晨侧亚极光区的确存在相当数量电离层上行离子通量.这些上行的离子沿闭合磁力线上行, 可能进入日侧等离子层边界层.

3.3 日侧离子上行速度

图 4图 9可以看出, 在相同的地磁活动条件下, 太阳低年的离子上行速度明显高于太阳高年.大量的区域在太阳活动低年离子上行的速度超过900 m·s-1, 而太阳活动高年却基本不高于500 m·s-1.

图 11给出了太阳活动高年(右列)和低年(左列)期间DMSP卫星在极区日侧观测到离子上行速度(V)和离子数密度(Ni)的纬度分布.容易看出, 太阳活动低年的离子上行速度明显高于太阳活动高年, 而离子数密度明显低于太阳活动高年.Liu等(2001)认为, 太阳活动高年离子数密度较高, 使得单个离子获得平均能量较低, 并且离子与中性成分碰撞损失更多的能量, 导致太阳活动高年的离子上行速度明显低于太阳活动低年.

图 11 太阳活动高年(右列)/低年(左列)期间DMSP卫星在极区日侧观测到离子上行速度(V)和离子数密度(Ni)的纬度分布 Fig. 11 Variations of MLT-averaged ion up-flowing velocities(V) and the plasma density in number(Ni) with MLat during solar maximum(right column)/solar minimum(left column) at dayside high-latitude regions
4 结论

本文利用DMSP F13(2000—2002)和F15(2007—2010)卫星的观测数据, 对极区顶部电离层在太阳活动高、低年期间不同的地磁活动水平条件下的离子上行特征进行统计分析.分析结果显示:

(1) 太阳活动水平对极区日侧电离层离子上行特征参量都起着关键的控制作用:与电离层离子上行发生率、上行速度呈负相关; 与上行通量呈现正相关, 地磁活动会加强太阳活动水平对上行通量的调制作用.

(2) 在相同太阳活动条件下, 地磁活动水平对电离层离子上行发生率的影响并不明显, 但对其空间分布有着显著的影响:电离层离子上行高发区随地磁活动向低纬度扩展, 且高发区的纬度跨度呈增大趋势.

(3) DMSP卫星观测到的离子上行通量表明, 除极尖/极隙区之外, 高纬电离层还存在相当数量的离子从晨侧亚极光区上行, 沿闭合磁力线进入日侧等离子体边界层.

致谢

感谢美国宇航局戈德太空飞行中心和达拉斯德克萨斯大学空间中心提供的DMSP F13和F15卫星数据.

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