1 引言

极盖等离子体云块(Polar cap patch)是极区空间 天气重要的现象之一，是2~10倍于背景等离子体密度的位于极盖区的空间区域，以300~1000 m·s^-1 的速度运动，尺度从几百到上千公里(Bust et al., 2007).等离子体云块可使超视距无线电通讯和星地链路中断，直接影响近地飞行器和低轨卫星正常运行及地面通讯，其形成过程是当前重要的研究课题.

Weber等(1984)首次在全天空气辉成像仪上观测到极盖等离子体云块，自此越来越多的观测手段被用来研究等离子体云块的形成、发展和消亡(Hosokawa，2011; Moen，2007)，这些手段包括相干散射高频雷达、非相干散射雷达、测高仪、卫星以及其他光学观测仪器等.对于极盖等离子体云块形成机制，一直以来存在争议，还没有形成统一定论.而形成等离子云块的等离子体源，有两种观点，一种认为来自亚极光带的太阳远紫外辐射(Solar EUV radiation)(Foster，1993)，另一种是极隙区软电子沉降(Walker，1999).通过对多种观测数据分析，一些物理过程被提出用来解释等离子体云块的产生机制.Anderson等(1988)认为突然增强的跨极盖电势，使得对流范围扩大，对流赤道向边界向低纬延伸，这样会把磁低纬F层光致电离的高密度等离子体带入极隙区附近，进而对流输送进极盖，当极盖边界缩回原位时，就会“切割”等离子体云块.这种机制的发生依赖于对流边界附近高电子密度梯度的存在.通过对三次等离子体云块形成过程的相干散射雷达观测，Milan等(2002)认为受IMF控制的对流形态的变化是等离子体云块形成的主导机制.Rodger等(1994)通过对两个极盖等离子体云块形成事件的分析，发现等离子体云块形成于磁层极隙区在电离层投影区域附近，并伴随FCEs(Flow Channel Events)发生和IMF By快速变化.Rodger等(1994)发现FCEs是一条经向延伸(＞900 km)的窄带(100 km)区域，该区域等离子体速度明显强于背景，峰值速度可达3 km·s^-1，出现在极隙区的电离层投影区域，南半球(北半球)更易在B_y＜0(B_y＞0)情况下产生.

太阳风可以通过日侧磁层顶向地球磁层输运或转换质量、动量和能量，而磁场重联是这一输运或转换过程中最为重要的物理过程之一.当行星际磁场南向(IMF B_z＜0)，在向日侧磁层顶与地磁场联接，太阳风携带的等离子体可沿着磁力线直接进入磁层；当行星际磁场北向(IMF B_z＞0)时，在背日侧磁层顶与地磁场联接(Dungey，1961).Zhang等(2013a)首次直接观测到2011年9月强磁暴期间，极区电离层等离子体云块形成、进入极盖、跨极盖、出极盖以及向日回流的完整演化过程，并揭示了磁场重联在等离子体云块形成和演化过程中的调制作用.Valladares等(1996)数值模拟了磁中午附近等离子体云块进入极盖的过程，未对源区进一步明确，着重分析了焦耳热对O⁺变化的影响.本文针对一个典型的日侧磁场重联事件，考虑伴随磁场重联的强电场和低能电子沉降，数值模拟重联事件发生期间局地F层电子密度的变化，对强电场“切割”高密度光致电离层等离子体的过程进行分析.

采用Zhang等(2003)的极区电离层一维自洽模型，在综合考虑沉降粒子电离、光化学过程、输运过程的基础上(刘俊明等，2009；刘顺林等，2005；张北辰等，2001)，通过求解连续性方程、动量方程以及能量方程，得到电离层等离子体各参量.考虑的离子包括O⁺，O₂⁺，NO⁺，N₂⁺，中性成分包括O、O₂、NO、N₂.模型着重考虑强电场作用下Farley-Buneman不稳定性和电急流区焦耳热、摩擦热等引起的电离层各种热效应(Zhang et al., 2004).

磁重联过程表现在极区电离层的一个重要特征就是局地对流电场的增强.本文模拟日侧磁场重联引起的局部增强电场作用下电离层F层等离子体参量的变化(Zhang et al., 2004).通过分析2004年 3月13日北半球极区TEC分布，观测到TOI(Tongue of Ionization)结构，在0710-0715UT时刻发生日侧磁重联(Zhang et al., 2013b)，高频雷达观测到晨侧局地对流电场增强，如图 1.图 2是2004年3月13日0600-0700UT行星际磁场IMF三分量随时间的变化，可以看出，在0715UT(延时后时间)附近以及之前，IMF有持续南向(负的B_z)和向阳分量(正的B_x)，并有晨向分量(负的B_y)，这都是形成日侧磁重联非常有利的条件(Crooker，1979).

图 1

Fig. 1

图 1 2013年3月13日GPS TEC观测到的北半球典型TOI(Zhang et al., 2013b) Fig. 1 Typical TOI structure in the Northern Hemisphere on 2004 Mar. 13 observed by GPS TEC(Zhang et al., 2013b)

图 2

Fig. 2

图 2 2004年3月13日0600-0700UT行星际磁场IMF三分量Bx(a)、By(b)和Bz(c)的时间变化(延时7 min) Fig. 2 IMF Bx(a)、By(b) and Bz(c)variation with UT during 0600-0700UT on 2004 Mar.13(lagged 7 min)

数值模拟考虑对流电场增强区域的电子密度、 温度变化，选取模拟区域地理位置为69.6°N，19.2°E，对流增强区软电子沉降平均能量为0.5 keV，能通量为0.5 erg·cm^-2s^-1.与2004年3月13日相对应，Ap指数选为15，F_10.7和F_10.7A分别为102.6×10^-22(W·m^-2)·Hz^-1.理论模拟改变对流电场大小，20~100 mV·m^-1. 时间步长为10 s.

图 3是仅考虑光致电离过程的电离层等离子体密度、温度高度剖面，模型将其作为初始值，计算在其他物理过程如电子沉降、对流电场等作用下的电离层参量随时间演化.

图 3

Fig. 3

图 3 光致电离条件下电离层(a)等离子体密度、(b)电子和离子温度(Te、Ti)廓线 Fig. 3 Altitude profiles of(a)plasma densities，(b)electron and ion temperature in the presence of the photoionization

图 4中三曲线分别代表光致电离(实线)、光致电离+软电子沉降(虚线)和光致电离+软电子沉降 +80 mV·m^-1电场(点划线)作用下250 km高度电子密度的演化图，横轴是以s为单位的演化时间，纵轴是对应的电离层250 km高度的电子密度，时间分辨率10 s，空间分辨率4 km.从图中明显看出，粒子沉降能显著增大F层电子数密度.当日侧重联引起的局地增强电场即使存在软电子额外电离源的情况下，仍能使局地电子密度小于周围背景电子密度，起到“切割”高密度等离子体结构的作用.所需时间为几十分钟量级.

图 4

Fig. 4

图 4 不同物理过程作用下250km高度电子密度的时间演化 Fig. 4 The electron density evolution at the height of 250 km in the presence of the three conditions

图 5a是80 mV·m^-1电场并软电子沉降共同作用下电子密度高度剖面随时间的演化，色标值对应某高度、时间的电子密度.可见在电场作用下，F层电子密度随时间减小.为直观电场作用下电子密度高度剖面的时间演化，取每100 s间隔电子密度高度剖面显示于图 5b中，箭头指向时间演化方向，在箭头所指方向，F层峰高逐渐向上抬升，F1层变得愈加明显.

图 5

Fig. 5

图 5 电子密度剖面的时间演化(a)及100 s间隔的电子密度剖面演化(b) Fig. 5 Evolution of the electron density profiles(a) and Evolution of the electron density profiles(b)

图 6是在80 mV·m^-1电场并软电子沉降共同作用下1 h后电离层等离子体参量的高度剖面.同仅考虑光致电离作用下各参量 高度剖面(图 3)相比，强电场作用下焦耳加热明显，离子温度在150 km 左右显著增大，F层电子温度增大.可以看出，F1层明显，主要因为分子离子密度在此高度增大造成.

图 6

Fig. 6

图 6 80 mV·m-1电场并软电子沉降作用下等离子体密度(a)、温度(b)剖面 Fig. 6 Altitude profiles of plasma densities(a)、temperature(b)in the presence of 80 mV electric field and soft electron precipitation

图 7是不同强度电场作用下，1小时后N_mF₂随电场的变化.图中虚线为仅在光致电离作用下的N_mF₂.由图可见电场>53 mV·m^-1(对应等离子体对流速度为930 m·s^-1)局地电子密度减小；当电场>80 mV·m^-1(对应等离子体对流速度为1403 m·s^-1)时，电子密度减小为背景的1/2，可有效“切割”光致电离层等离子体结构，使之形成独立等离子体结构.

图 7

Fig. 7

图 7 NmF2随电场变化 Fig. 7 NmF2 variation with electric field

本文考虑磁场重联引起的局地电场增强和软电子沉降过程，数值模拟了一个典型日侧磁重联事件(2004年3月13日0710UT)期间局地(69.6°N，19.2°E)F层等离子体参量变化.结果显示，由日侧磁场重联引起的极区电离层局地对流电场的增强在大于一定量值的条件下能有效降低局地等离子体密度，形成“切割”效应，有利于极盖等离子体云块的形成.

为进一步理解电场对F层等离子密度的“切割”效应，图 8给出80 mV电场并软电子沉降作用1 h后等离子体密度、温度与光电离初始值之差，如图 8a显示，O⁺密度在250 km高度减小幅度达到最大值，是F层等离子体密度减小的主要贡献者，NO⁺密度的增大是F1层明显增强的主要原因.磁场重联引起的局部电场增强使得等离子体对流增强，焦耳加热明显，电子温度增大.由于摩擦加热，离子温度快速增加，促使化学反应O⁺+N₂→NO⁺ + N的反应速率增大，导致O⁺同分子离子的复合率 增加和O⁺上行通量增加(Balmforth， et al.， 1999)，这些过程造成F层O⁺浓度的减小和低电离层分子离子浓度的增加.

图 8

Fig. 8

图 8 80 mV电场并软电子沉降作用下1 h等离子密度(a)；温度(b)与光电离初始值之差 Fig. 8 The difference between plasma parameters in the role of 80 mV electric field and soft precipitation and initial plasma parameters

Anderson等(1988)认为形成等离子体云块的电离源是来自较低纬度的太阳极紫外辐射，因此在模型中未考虑粒子沉降电离，且忽略中性风的作用，通过改变对流模式中的跨极盖电场和极盖半径大小，得出不断变化的对流模式是形成极盖等离子云 块的原因.Sojka等(1993)利用PL(Phillips Laboratory)和TDIM(Time-Dependent Ionospheric Model)两个独立的电离层物理模型，模拟了极盖等离子云块的形成过程：在IMF B_z南向分量时，伴随着对流增强，电离层舌状电离物(TOI，Tougue of Ionization)从极隙延伸至极盖区，在此过程中形成等离子体云块.受IMF B_y分量控制的随时间变化的对流形态决定TOI从日侧(B_y>0)或夜侧(B_y<0)进入极盖.该模拟分别在PL和TDIM模型中考虑了Hairston and Heelis(1990)的半球经验对流模式和Heppner and Maynard(1987)对流模式，但未涉及复杂的等离子体源和汇，认为TOI就是形成等离子云块的源.Valladares(1996)的模拟结果同本文基本一致，快速运动的等离子体流(plasma jet)使得焦耳加热增强，增强的焦耳加热促使离子温度升高，从而增加了O⁺的复合率，使得F层等离子体总密度减小.而 本文考虑光电离和软电子沉降共同作用下，认为磁 场重联引起局部电场增强，通过改变电场大小，发现当局地电场大于80 mV(对应等离子体对流速度约1.4 km·s^-1)，可发生有效切割，形成等离子云块，这同等离子体云块形成时等离子体速度增强峰值3 km·s^-1的观测事实相符.

致谢 本文用到的IMF数据来自网站：http://www.srl.caltech.edu/ACE/ASC/，在此表示感谢.