2020, Vol. 63
2. 中国极地研究中心, 上海 200136;
3. 武汉大学, 武汉 430071
, ZHANG BeiChen2
, ZHU YaGuang1, LIU Yang2,3, REN LiNa1, HAN Jin1, CHEN LiBo1, PAN WeiDong1, CHEN LiangJie1, REN DaiXiang1
2. Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China;
3. Wuhan University, Wuhan 430071, China
等离子体云块(Polar cap patches)是存在于极盖区F层电离层的尺度在100~1000 km、密度2~10倍于背景电离层的等离子体区域(Pedersen et al., 1998).作为极区灾害性空间天气，等离子体云块给高频无线电通信、超视距雷达及极轨卫星通信造成很大影响(Schunk and Sojka, 1996; Van Der Meeren et al., 2014)，其形成过程是当前极区电离层领域研究的热点.
舌状电离结构(Tongue of Ionization, TOI)是从日侧极光区开始延伸、经过极隙区进入极盖的大尺度舌状高密度等离子体结构(Sato and Rourke, 1964). TOI被认为是对流输运日侧高密度等离子体而产生(Knudsen，1974；Foster et al., 2004)，是极区电离层常见的大尺度等离子体结构，同等离子体云块形成密切相关.Sato(1959)第一次从国际极地年NmF2月均值的统计数据分析中明确提出TOI的概念.研究显示，暴时电离密度增强(Storm Enhanced Density, SED)是TOI形成的等离子体源(Foster et al., 2005).因此，TOI经常在磁暴期间被观测到(Foster and Doupnik, 1984; Moen et al., 2008).SED是磁暴期间形成于午后扇区的中纬和亚极光带沿经度方向的带状等离子体密度增强(Foster, 1993)，是等离子体层羽状结构(Plume)在磁赤道平面的电离层映射(Foster and Vo, 2002).Yang等(2016)对太阳活动高年冬季每小时TEC进行平均处理，得到完整的极区电离层等离子体基本分布形态，发现日侧高密度光电离等离子体能被输送进入极隙区、通过极盖最终到达晨侧，呈现明显的晨昏不对称性.
对于产生等离子体云块的等离子体源，主要存在两种观点：(1)TOI断裂产生等离子体云块；(2)软电子沉降或软电子沉降与对流共同作用产生等离子体云块(Tsunoda, 1988; MacDougall and Jayachandran, 2007).很多物理过程被提出用来解释TOI断裂形成等离子体云块的发生机制，如行星际磁场IMF控制的极隙区等离子体流重新定向(Milan et al., 2002)，对流电场作用下的喷射流(Rodger et al., 1994)，强电场作用下本地等离子体密度减小(Valladares et al., 1994)，突然增强的磁重联形成的极盖扩张(Anderson et al., 1988；Lockwood and Carlson, 1992)等.杨升高等(2014)利用耦合极区电离层模型，模拟研究了电场和软电子沉降共同作用下F层等离子体密度的演化过程.结果表明，当局部对流电场增强持续足够长时间，就会形成低密度区域，实现对TOI结构的“化学切割”.尽管这些形成机制涉及的物理过程有所不同，但大都强调对流电场控制的等离子体对流在等离子体云块形成中的作用不可或缺.
对于等离子体云块的形成，尚未有定论，仍需进一步研究.本文利用极区全域GPS/TEC观测数据，对等离子体云块形成过程进行案例研究，重点讨论TOI断裂为等离子体云块的发生机制.
1 数据及方法GPS星座在离地面20200 km的高度，周期约12 h，轨道倾角约55°，覆盖范围从低纬到L~4(±60°纬度)(Foster et al., 2005).双频GPS接收机系统能提供监测电离层对GPS信号效应的方法，如从卫星到接收机路径上的电离层电子密度总含量.双频接收机L1/L2同时测量两种信号的相对相位时延，这样便可得到精确的倾斜电子密度总含量(STEC).再通过一定方法将STEC转化为垂直电子密度总含量(VTEC)(安家春等，2014；Bhawre et al., 2011).
本文使用的GPS/TEC数据来自Madrigal数据库(http://www.eiscat.se/madrigal/).Madrigal是一个管理历史及实时高层大气科学数据的数据库，可提供多手段、多格式数据.数据库提供的GPS/TEC是全球观测的5 min分辨率随经纬度变化的TEC.为得到等离子体云块的TEC图像，对北半球5 min间隔的TEC数据进行如下处理：地理经纬度转换为磁地方时/地磁纬度(MLT/MLAT)，将MLT/MLAT×15极坐标等距映射至笛卡尔坐标，在笛卡尔坐标系下，运用中值滤波方法(选定窗口内取中值)处理得到空间上较为平滑的TEC图像(Thomas et al., 2013).图 1是北半球5 min GPS/TEC观测数据在MLT/MLAT坐标系下的典型覆盖.利用中值滤波方法对TEC数据进行处理，可以灵活选取窗口，适当的窗口既保证了数据真实性，又使得数据有足够的空间分布.图 2是对图 1经中值滤波之后的TEC分布，相比而言，图 2的空间分布更加平滑，从中可以看出大尺度等离子体结构特征.
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图 1 Madrigal数据库提供的北半球2012年1月1日00:02—00:07UTGPS/TEC观测在MLT/MLAT坐标系下的典型覆盖(色标表示TEC大小) Fig. 1 The classical coverage of polar GPS TEC in MLT/MLAT coordinate system in northern hemisphere with 5 min resolution (from 00:02UT to 00:07UT on 1 Jan, 2012) provided by Madrigal database (The color denotes TEC magnitude) |
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图 2 对图 1经中值滤波处理的空间平滑TEC分布 Fig. 2 TEC distribution from space smoothing corresponding to that in Fig. 1 with median filtering |
SuperDARN(Super Dual Auroral Radar Network)是超级双子极光雷达观测网的简称，发展于20世纪80年代中期，观测视场(Field of View，FOV)覆盖了南北半球大部分极区和中纬度地区.SuperDARN利用高频雷达回波的多普勒漂移测量获得极区电离层的对流场，可实时监测极区电离层对流，已成为监测极区对流的主要探测手段.因部分区域观测数据不足，需结合对流模型，得到等离子对流速度、晨昏电位差等信息，形成极区全域等离子体对流图像，本文所用对流图像来自网站(http://vt.superdarn.org).
2 结果分析 2.1 随对流移动的低密度区域切割TOI形成等离子体云块
图 3是一次磁暴恢复相期间观测的等离子体云块形成过程的TEC图像，观测数据时间范围是2014年2月22日08:52—13:32UT，TEC数据分辨率为5 min, 方位角表示磁地方时MLT，从六点钟方向开始，沿逆时针依次为0~23 MLT，矢径是地磁纬度MLAT，为了显示等离子体云块形成过程中的精细结构，将地磁纬度范围设为60°~90°.图 4是2014年2月22日磁暴恢复相期间行星际磁场IMF(a)、太阳风动压和磁重联电场(b)、磁暴指数Dst(c)、太阳风速度(d)以及极光电极流指数(e)随世界时UT的变化.重联电场通过计算得到：Ekl=VswBtsin2(θIMF/2)，Vsw是太阳风速度，
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图 3 2014年2月22日等离子体云块形成过程在地磁坐标系(MLT/MLAT)下的TEC观测 Fig. 3 TEC observations of polar cap patches formation on 22 February 2014 in MLT/MLAT coordinate system |
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图 4 2014年2月22日磁暴恢复相期间(a)行星际磁场IMF、(b)太阳风动压和磁重联电场、(c)磁暴指数Dst、(d)太阳风速度以及(e)极光电极流指数AE、AU和AL随UT变化，虚线之间对应等离子体云块形成时段 Fig. 4 Interplanetary magnetic field (a), solar wind dynamic pressure and magnetic reconnection electric field (b), magnetic storm index Dst (c), solar wind velocity (d) and auroral electro jet index (e) variations with UT on 22 February 2014. The period between the two dotted lines corresponds to that of polar cap patches formation in Fig. 3 |
结合图 3和图 5，可以看出，08:52UT日侧光电离高密度等离子体在增强的对流(对流范围扩大)输运作用下，由磁中午晨侧进入极盖，形成纬向分布的带状等离子体结构TOI(08:52—08:57 UT)，在随后的5 h，观测到三次极隙区晨侧随对流运动的低密度区对TOI切割、产生等离子体云块的完整过程.对流作用下的低密度区域(红色箭头)在10:02—10:07 UT(如图 3 10:02—10:07子图)开始第一次切割TOI，伴随极盖缩小(如图 5 10:04—10:06子图ΛHM)，对流速度增大(如图 5 10:04—10:06子图带圆点实线)，在10:17—10:22 UT完成切割，形成等离子体云块(黑色椭圆区)，云块在对流作用下约1 h，朝夜侧运动到达极盖(10:52—10:57 UT)，同时其密度因复合作用而逐渐减小最终消亡；11:22—11:27 UT形成第二个TOI，其密度较第一个小，11:47—11:52 UT低密度区域进行第二次切割(11:47—11:52 UT子图)，12:07—12:12 UT形成等离子体云块(黑色椭圆区域)，该过程伴随极盖扩张(如图 5 11:44—11:46子图ΛHM)，对流速度减小(如图 5 11:44—11:46子图带圆点实线)；第三次切割发生在13:17—13:22 UT，在13:27—13:32 UT完成切割，该切割过程伴随极盖缩小(如图 5 13:18—13:20子图ΛHM)，对流速度逐渐增大(如图 5 13:18—13:20子图带圆点实线).而在此期间，磁暴指数Dst在-40 nT到-20 nT之间逐渐增大，说明该时间段处于磁暴恢复相，太阳风活动较为平静(动压和速度较小)，行星际磁场IMF Bz保持平稳南向，极光电极流指数AE小于300 nT.
Zhang等(2013)研究了两种类型(高密度区和低密度区)的极向运动等离子体密度增强(PMPCEs)，认为低密度区是粒子沉降和极隙区对流通道事件(Flow Channel Events)作用的结果，高密度区是低密度区域切割TOI形成.2014年2月22日等离子体云块形成案例，提供了三次低密度区域切割TOI的精细过程观测，其中，两次伴随极盖缩小(对流范围变小)，对流速度增大，一次伴随极盖扩张(对流范围增大)，对流速度减小.说明对流速度变化在低密度切割TOI形成等离子体云块过程中发挥重要作用.
2.2 对流速度方向变化处切割TOI形成等离子体云块图 6是2014年2月24日23:47UT至2月25日00:27 UT期间TOI断裂形成等离子体云块的TEC观测图像.图 7是2014年2月24日21:00 UT至2月25日04:00 UT期间(a)行星际磁场IMF、(b)太阳风动压和磁重联电场、(c)磁暴指数Sym-H、(d)太阳风速度以及(e)极光电极流指数AE、AU和AL随UT变化.两条垂直虚线之间对应图 6等离子体云块形成时段.图 8是同图 6每个子图相对应的等离子体对流图像.
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图 6 2014年2月24日23:47UT至2月25日00:27UT等离子体云块形成的TEC观测 Fig. 6 TEC observations of polar cap patches formation from 23:37 on 24 February 2014 to 00:27 on 25 February 2014 in MLT/MLAT coordinate system |
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图 7 2014年2月24日21:00 UT至2月25日04:00 UT期间(a)行星际磁场IMF、(b)太阳风动压和磁重联电场、(c)磁暴指数Sym-H、(d)太阳风速度以及(e)极光电极流指数AE、AU和AL随UT变化，虚线之间对应等离子体云块形成时段 Fig. 7 Interplanetary Magnetic Field (a), solar wind dynamic pressure and magnetic reconnection electric field (b), magnetic storm index Sym-H (c), solar wind velocity (d) and auroral electro jet index (e) variations with UT from 21:00 on 24 February 2014 to 04:00 on 25 February 2014. The period between the two dotted lines corresponds with that of polar cap patches formation in Fig. 6 |
在北向行星际磁场(IMF Bz>0)作用下(图 7a)，2月24日23:47 UT至25日00:27 UT期间(两垂直虚线间)的对流呈现复杂多涡结构(图 8).该时间段的太阳风和地磁活动较为平静.24日23:47—23:52 UT在极盖观测到明显的舌状电离结构TOI(黑色实线描出的轮廓)，此时极盖区以逆阳对流为主，且对流速度较小(见图 8 23:48—23:50 UT对流图像).由于持续北向行星际磁场(IMF Bz>0)的作用，在极盖磁正午昏侧出现新的对流涡，该对流涡随时间不断增强(图 8).如图 8所示，25日00:04—00:06 UT对流图像中，在极盖区磁正午昏侧出现向阳对流，形成新的对流涡.由于在TOI结构内，逆阳对流和向阳对流并存，局部对流速度方向不一致，随着时间推移，如图 6，于00:02—00:07 UT开始TOI在极盖昏侧逐渐断裂，00:12—00:17 UT完全断裂，形成明显孤立的等离子体云块(黑色椭圆区域)，在向夜侧运动过程中，其尺度和密度逐渐减小.由于TOI结构内部出现对流速度方向不一致，这种不稳定的等离子体对流导致TOI结构在局部断裂，形成等离子体云块.下面给出一个磁暴主相期间TOI结构因局部对流速度空间变化而断裂为等离子体云块的案例.
图 9是2012年4月23日磁暴主相期间(4月23日21:32 UT至22:17 UT)TOI形成并断裂为等离子体云块的TEC图像.图 10是2012年4月23至24日磁暴期间太阳风和地磁活动观测.图 11是与图 9对应的对流图像.从图 10看出，23日18:00 UT南向IMF Bz分量骤降至约-16 nT，引起重联电场增大，地磁活动增强，极光电极流指数AE逐渐增大，磁暴指数Sym-H微弱增大后逐渐减小.在南向IMF Bz作用下，如图 11所示，对流形态总体上呈现典型的双涡结构，日侧光电离高密度等离子体在逆阳对流作用下经极隙区进入极盖(图 9 21:32—21:42 UT TEC)，形成TOI结构，因局部区域(图 11黑色椭圆区域)对流速度方向在空间上的变化(存在空间梯度)，逆阳对流将晨侧低密度TEC(图 9红色箭头)卷入TOI高密度区域，导致低密度区域分别于21:42 UT和22:02 UT两次切割TOI形成等离子体云块(图 9黑色椭圆区域).由此可见，局部等离子体对流速度方向的空间变化可导致TOI断裂形成等离子体云块.
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图 9 2012年4月23日磁暴主相期间等离子体云块形成的TEC观测 Fig. 9 TEC observations of polar cap patches formation during main phase of the storm on 23 April 2012 in MLT/MLAT coordinate system |
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图 10 2012年4月23日15:00 UT至4月24日06:00 UT期间(a)行星际磁场IMF、(b)太阳风动压和磁重联电场、(c)磁暴指数Sym-H、(d)太阳风速度以及(e)极光电极流指数AE、AU和AL随UT变化，两条垂直虚线之间对应图 9中TOI形成并断裂为等离子体云块时段 Fig. 10 Interplanetary Magnetic Field (a), solar wind dynamic pressure and magnetic reconnection electric field (b), magnetic storm index Sym-H (c), solar wind velocity (d) and auroral electro jet index (e) variation with UT between 15:00 on 24 April 2012 and 06:00 on 24 April 2012, the period between the two dotted lines corresponds to that of continuous TOI formation and development into polar cap patches in Fig. 9 |
利用极区全域GPS/TEC观测数据，对等离子体云块形成过程进行案例研究，重点讨论两种TOI断裂形成等离子体云块的发生机制.通过案例分析，得到结论如下：
(1) 等离子体对流在TOI破碎为等离子体云块过程中发挥关键性作用，局部对流形态和速度矢量急剧变化都可能导致TOI结构不稳定，使TOI结构断裂形成等离子体云块.
(2) 随对流运动的低密度等离子体区域可直接对TOI结构进行物理切割，造成TOI断裂为等离子体云块，该过程可能伴随极盖扩张或缩小，而对流形态或局部对流速度的变化在低密度切割TOI形成等离子体云块过程中发挥重要作用.
(3) 在北向行星际磁场(IMF Bz>0)持续作用下，对流涡呈现复杂结构，新对流涡的出现，使得TOI结构局部逆阳和向阳速度并存，可导致TOI结构周围低密度卷入，形成等离子体云块.
2014年2月22日等离子体云块形成事件中，极隙区附近低密度等离子体区域在晨昏向对流作用下对TOI结构进行三次物理切割，造成TOI结构在极盖区断裂，形成明显的等离子体云块，与Zhang等(2013)的结论一致.当极盖边界(对流赤道向边界)发生变化时(扩张或缩小)，向日侧对流速度的变化，使极隙区附近低密度等离子体更容易被卷入高密度的TOI结构中，“切割”高密度等离子体形成等离子体云块，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及对流电场的变化(增大或减小).Rodger等(1994)通过对两个极盖等离子体云块形成事件分析，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.FCEs是一条经向延伸(＞900 km)的窄带(100 km)区域，该区域等离子体峰值速度可达3 km·s-1，出现在极隙区的电离层投影区域，进一步说明对流电场增强，以及与相应的等离子体对流联系的上游低密度等离子体在等离子体云块形成过程中的重要作用.
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.2014年2月24日—25日TOI断裂为等离子体云块过程一定程度上验证了此观点.2014年2月24日—25日等离子体云块的形成与局地对流速度矢量的时间变化和空间变化有关.在北向行星际磁场(IMF Bz＞0)持续作用下，对流涡呈现复杂结构，新对流涡的出现，使得TOI结构局部逆阳和向阳速度并存，对流速度矢量时空变化剧烈，导致周围低密度卷入、TOI结构内部等离子体复合率有所差异，形成孤立等离子体云块.而2012年4月23日TOI断裂形成等离子体云块的案例，进一步说明了局部对流速度方向变化在TOI断裂形成等离子体云块中的作用.北向(正)IMF Bz条件下TOI形成并断裂为等离子体云块的案例(2014年2月24—25日)，说明TOI、等离子体云块形成并不只限于南向(负)IMF Bz条件，这进一步验证了Middleton等(2005)的结论.
由于地磁场和行星际磁场重联过程的存在，高纬极区电离层极大地受到来自外磁层和太阳风的影响(Saunders et al., 1992)，通过磁重联，极区F层电离层直接同行星际介质相接触.极区电离层等离子体流受行星际磁场IMF驱动，强烈依赖于IMF的大小和方向(Lockwood and Freeman, 1989).在南向行星际磁场IMF(Bz＜0)条件下，即IMF Bz分量方向与地球向日侧磁力线方向相异时，发生在磁层顶低纬区域的磁重联使得等离子体对流图象呈现典型“双涡”结构.在IMF北向条件下(Bz＞0)，等离子体对流表现出来的对流图象十分复杂，呈现多涡结构.Zhang等(2013)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.本文的三个案例表明，磁重联控制的极区电离层等离子体对流形态或TOI结构局部速度矢量变化，会将周围低密度等离子体卷入，导致TOI断裂形成等离子体云块.对流形态变化伴随的极盖扩张和回缩在等离子云块形成中也发挥重要作用，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层光电离的高浓度等离子体带入极隙区附近，进而对流输运进极盖，当极盖边界缩回原位时，就会“切割”等离子体云块.
由于可能造成TOI断裂形成等离子体云块的过程很多，仍需更多案例研究和统计分析结合，进一步揭示等离子体云块形成机理.
致谢 TEC数据来自Madrigal数据库，对流图像来自SuperDARN数据网站(http://superdarn.jhuapl.edu/)，太阳风、地磁数据来自OMINI网站(https://omniweb.gsfc.nasa.gov/).
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