2015, Vol. 30
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 辽宁石油化工大学, 辽宁 113001
2. Graduate University, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Liao Ning Shihua University, Liaoning 113001, China
自从Davis和Sugiura(Davis and Sugiura， 1996)1966年提出极光电集流AL/AU指数以来，这些指数被广泛的应用于磁暴、亚暴，以及二者之间相互关系等众多的空间天气研究中.通常认为AU指数表示东向电集流强度，AL指数表示西向电集流强度，而AE指数表示极光带总电流强度.电集流中心则为电集流强度最大点所在的位置(Rostoker，1972).传统的极光电集流指数AL和AU是由位于北半球的12个(最初Davis等提出该指数时所使用的台站数为6个)纬度范围为60.67°～70.78°地磁台站观测的H分量计算所得(徐文耀，2009a).由于这些观测台站纬度范围的限制，以及经度方向分布的不均匀，Davis在提出极光电集流指数时就指出，在追踪极光电集流的动态过程中AL和AU指数存在着一定的不确定性.Ahn等人(2000)对20年极光电集流指数历史资料UT变化的研究也指出，AE台站在经度方向的不均匀将影响监测极光电集流的准确性.其他的一些研究结果表明，随着磁扰强度的增强，极光电集流将向赤道方向迁移(Ahn et al., 2005b)，当电流中心移出AE台站所处的纬度时，传统的电集流指数将无法准确反映极光电集流的变化(Rostoker，1972; Ahn et al., 2005a).
近年来随着技术的发展，更多台站的观测资料加入到极光电集流研究中.Newell等人(Newell and Gjerloev， 2011a)根据分布在北半球地磁纬度50°～90°的100多个地磁台H分量观测资料，按照与传统极光电集流指数(AL，AU，AE)相同的计算方法，构建了SML、SMU、SME指数，从而形成了包括极光电集流强度、所出现的纬度和时间这样一个较完整的极光电集流指数资料集.利用这一资料集，并结合其它地基观测资料，研究者重新考察了以往发生的亚暴与极光电集流的相关性(Newell and Gjerloev， 2011b)，分别研究了SML和SMU指数的日变化和季节变化(王源等，2014)，电集流中心纬度随极光电集流强度变化特征(万秉东等，2013)，得到了一系列有意义的研究结果(Kamide and Akasofu， 1974; 徐文耀，1992; 资民筠和沈长寿，1994; 陈耿雄等，1995; 徐文耀，2009b).
由于在太阳风-磁层-电离层能量耦合链中，太阳风作为磁层能量的源头，其表征行星际条件的太阳风参数变化控制着近地空间的电磁环境，与磁暴/亚暴等空间事件的发生和演化密切相关(Murayama and Hakamada， 1975; Rostoker et al., 1980; Akasofu，1981; Murayama，1982; Baumjohann and Paschmann， 1987).因此研究极光电集流中心纬度随太阳风参数的变化特征，对认识了解磁层能量的输入和耗散，以及空间环境监测和预报具有重要的意义.
本文使用1998到2006年间的SuperMAG、OMNI和EPI数据，首先分析电集流中心随不同强度级别行星际磁场分量(IMF Bz)的分布情况，然后综合讨论电集流中心纬度与行星际磁场分量(IMF Bz)和太阳风速度(Vsw)的关系，最后对电集流中心与极光沉降粒子半球能量估算量值(EPI)的相关性进行讨论. 1 电集流中心纬度随太阳风参数的变化
OMNI资料来自NASA网站(ftp://spdf.gsfc.nasa.gov/pub/data/omni/)，是NASA为了研究太阳风-磁层的能量耦合、日球层等离子体的长期变化和行星际空间中粒子运动特征等空间物理问题，将多种卫星观测资料归算至1AU处，并和一些重要的地面观测数据进行整合，所得到的具有多种时间分辨率(1分钟到27天)的多套数据集合.当行星际磁场南向时，太阳风能量进入磁层的主要机制是磁重联过程(Dungey，1961)，此时IMF Bz对能量的输入起决定作用，而在行星际磁场北向时，似粘滞作用、K-H不稳定性是太阳风能量传输进入磁层的主要机制，与Vsw密切相关，因此本文中我们集中讨论电集流中心纬度的分布与IMF Bz和Vsw的变化情况，所使用资料的时间分辨率为1分钟.基于Allen对东西向电集流分布特征的研究结果(Allen and Kroehl， 1975)，我们在讨论东向电集流时选用13-02磁地方时的数据，而西向电集流则选用20-09磁地方时的数据. 1.1 电集流中心随IMF Bz变化的分布
图 1所示为不同Bz等级下，西向电集流出现频次随磁地方时和地磁纬度的分布.其中，IMF Bz按－12<Bz<－9 nT、－9<Bz<－6 nT、－6<Bz<－3 nT、－3<Bz<0 nT、0<Bz<3 nT、3<Bz<6 nT、6<Bz<9 nT、9<Bz<12 nT分成8个等级.图中的每个圆圈表示以圆心为中心，跨越5分钟磁地方时，和4度磁纬区域内西向电集流出现的次数，圆圈越大表示电集流在该区域出现的次数越多.每个图中十字符号分别表示相应Bz等级下，西向电集流的磁地方时和磁纬度的标准差，而其中心则为西向电集流出现的平均纬度和平均磁地方时.可以看出，在-3 nT<Bz<6 nT时，西向电集流出现的频次最多，且在磁当地时的20-08时，磁纬60°～80°区间基本呈均匀分布.这表明在行星际磁场南向较小或为北向时，西向电集流中心主要出现在较高纬度上，其平均纬度大致位于69°附近.而当南向行星际磁场增大时，西向电集流集中分布在磁当地时的22-07时，磁纬59°～71°区间，且其平均纬度随南向Bz的增大呈下降趋势.
 | 图 1 不同Bz强度下西向电集流出现频次随磁地方时和地磁纬度的分布Fig. 1 Frequency distribution of west electrojet in magnetic local time and geomagnetic latitude under various Bz strength |
为了更清楚地反映这些特征，图 2和图 3用带菱形符号的实线分别给出了行星际磁场按1 nT分级时，西向电集流中心出现平均时间和平均纬度随行星际磁场的变化.由此可以看出，西向电集流中心分布在02-04MLT之间，当Bz>0时，电集流中心在02-03MLT之间，而在Bz南向时，随Bz强度的增大，西向电集流中心向晨侧迁移.由于南向磁场的增大意味着太阳风输入磁层的能量增大，所以该结果表明，此情况下西向电集流中心更可能出现在偏离磁子夜的扇区.对于纬度变化，当Bz为南向且逐渐增大时，西向电集流中心所处纬度从69°到65.5°线性下降，在Bz转为北向时，西向电集流中心的纬度基本保持在69°左右.显然，太阳风通过磁重联注入磁层能量的多寡对西向电集流中心的纬度分布有显著的影响.通过磁重联注入磁层能量越多，极光带地磁场扰动程度越强，西向电集流中心出现的磁纬越低.
 | 图 2 电集流中心磁地方时随IMF Bz强度改变的分布(—◇—:SML;…◇…:SMU)Fig. 2 The distribution of auroral electrojet local magnetic time under various Bz strength |
对于东向电集流，我们也采用与上面相同的方法进行处理，分别分析了不同Bz等级下，东向电集流出现频次随磁地方时和磁纬度的分布，东向电集流中心出现平均时间和平均纬度随行星际磁场的变化(图 2，3中带菱形符号的虚线).从这些结果上看，东向电集流的变化情况与西向电集流的变化存在一定的异同.首先在电集流出现的频次上，东向和西向类似，在-3 nT<Bz<6nT时，东向电集流出现的频次最多，且在磁纬60°～80°区间基本呈均匀分布，但其中心分布在15-00MLT的扇区，而且随着南向磁场的增大，相比西向电集流中心向晨侧迁移，东向电集流中心则向正午方向迁移(图 2中带菱形的虚线).其次，东向电集流中心随南向磁场增强向低纬迁移的特征与西向电集流相似(图 3中带菱形的虚线)，但在Bz～-6 nT附近，相比于西向电集流出现的纬度，东向电集流从较大南向时处于低纬变为处于高纬.由于南向磁场增大时，通过磁重联过程输入磁层的能量增大，地磁亚暴频繁发生，而与高纬区地磁场激烈扰动相联系的西向电集流是与分布在较高纬度上的I区场向电流构成回路的电离层电流，东向电集流是与分布在较低纬度上的II区场向电流构成回路的电流，因此东向电集流中心出现在低于西向电集流的纬度上.另外，当Bz>0时，东向电集流中心显示向低纬迁移的形态，考虑到行星际磁场北向时，似粘性机制是太阳风能量输入磁层的主要机制(Axford and Hines， 1961; Luo et al., 2013)，此情况下，太阳风速度应该是造成该情形的主要原因.
 | 图 3 电集流中心纬度随IMF Bz强度改变的分布(—◇—:SML;…◇…:SMU)Fig. 3 The distribution of auroral electrojet center latitude under various Bz strength |
详细分析卫星观测得到的太阳风资料可以发现，太阳风速度变化有时伴随着南向磁场，有时伴随北向磁场.因此，为了研究磁重联和似粘性作用各自对电集流中心纬度分布的影响，应该同时考虑Vsw和IMF Bz两个参数的贡献.
图 4和图 5分别是西向和东向电集流中心纬度随Vsw和IMF Bz分布的等值线图.可以看出，无论是西向或东向电集流，在行星际磁场南向时，电集流中心都随Bz的增大向低纬迁移，而且当太阳风速度增大时，出现的纬度更低.这说明除了在磁重联过程中输入磁层能量的增大将影响电集流中心纬度的变化外，太阳风速度的变化也是造成电集流中心纬度向低纬移动的重要原因.事实上，太阳风速度增强意味着太阳风动压的增强，此时磁层顶将更靠近地球，地磁场扰动增强，极光卵向赤道方向移动(Feldstein and Starkov， 1967)，于是极光电集流中心出现在较低的纬度上.对于行星际磁场北向的情况，虽然在Vsw<500 km/s太阳风速度较小时，西向电集流中心出现在69°～70°的较高纬度附近，而东向电集流中心出现在66°～67°附近，但随着太阳风速度增大，因通过似粘性过程输入磁层能量的增大，电集流中心纬度也呈现向低纬移动的趋势.这意味着当行星际磁场北向时，太阳风速度需要达到一定的量级，似粘性作用引起电集流中心(特别是西向电集流)的纬度变化才会凸显出来.
 | 图 4 西向电集流中心纬度随Vsw和IMF Bz变化的分布Fig. 4 The distribution of west auroral electrojet center latitude under various Vsw and Bz strength |
 | 图 5 东向电集流中心纬度随Vsw和IMF Bz分量的分布Fig. 5 The distribution of east auroral electrojet center latitude under various Vsw and Bz strength |
由极光沉降粒子与大气成份相互作用所产生的极光与极光电集流密切相关，是太阳风-磁层-电离层耦合在地球高纬区的一个重要现象(刘晓灿等，2008).1978年以来，美国国家海洋大气局利用连续发射的多颗TIROS/NOAA卫星所携带的全能量探测器监测极光沉降粒子带入大气的能量.在对观测资料经模型计算和标准化矫正后，形成了半球极光沉降粒子注入能量估算值(记为EPI)的资料集.由于极光的发生率和强度与太阳活动以及行星际条件密切相关，因此EPI实质上表征了受太阳风参数控制的输入地球的极光能量.考虑到SuperMAG资料由分布在北半球的台站观测获得，而EPI量值主要分布在0~240 GW之间，选用1998-2006年北半球EPI中能量范围小于等于240 GW的数据，结合相应时刻的SuperMAG数据，我们进一步分析了电集流中心纬度随EPI变化的分布特征.
图 6所示为电集流中心随EPI的变化，曲线中符号指代与前面相同，EPI按照10 GW分级.由该图可知，随着EPI强度的增大，西向和东向电集流中心均向低纬迁移，但在160 GW<EPI<210 GW区间，电集流中心朝低纬度移动的速率减小，此时，西向电集流基本位于64.8°附近，而东向电集流中心则在63.5°附近.当EPI进一步增强时，东西向电集流中心纬度又出现急速降低的趋势.通常情况下EPI>210 GW的高能量事件较少出现，该特征还有待积累更多的观测数据以与确认.对比以往对西向电集流中心纬度随极光电集流强度变化特征的研究[10]，可以发现本文中得到的西向电集流中心随EPI的变化特征与前人的结果基本一致，这说明虽然EPI表征的是极光沉降粒子能量，而极光电集流指数表征的是极光电集流的活动水平，但二者均能较好的反映极光电集流中心纬度的变化.另一个特征是当EPI>60 GW时，西向电集流相对于东向电集流出现纬度的变化特征与Bz南向的情形相一致.从输入磁层能量的角度，EPI的增大与南向行星际磁场的增强相对应，这种一致性是可以理解的.
 | 图 6 电集流中心随EPI大小改变的变化(—◇—:SML;…◇…:SMU)Fig. 6 The distribution of auroral electrojet center latitude under various EPI strength |
本文使用1998-2006年的SuperMAG、OMNI和EPI资料分析了西向和东向电集流中心纬度随行星际磁场Bz分量、太阳风速度和极光沉降粒子半球能量估算量值的变化特征，得到以下主要结论：
(1)在行星际磁场南向时，随磁场强度增大，西向电集流中心向晨侧迁移的同时所处磁纬度从69°到65.5°线性下降；东向电集流中心则向正午方向迁移的同时也会朝低纬度移动.
(2)磁重联输入磁层能量大小的变化会影响西向和东向电集流中心纬度的相对变化，当输入能量较大时，西向电集流中心出现在比东向更高的纬度，反之则出现在较低的纬度.
(3)虽然在行星际磁场北向时，西向电集流中心纬度整体上基本保持不变，东向电集流中心纬度甚至出现向低纬移动的趋势，但由于此情形下，输入磁层能量主要由似粘性机制控制，因此太阳风速度对电集流中心的纬度变化特征有显著的影响.当太阳风速度7lt;500 km/s时，东向和西向电集流中心纬度变化不明显，但随着太阳风速度增大，电集流中心纬度也呈现向低纬移动的趋势.
(4)尽管EPI表征的是极光沉降粒子能量，而极光电集流指数表征的是极光电集流的活动水平，但二者均能较好的反映极光电集流中心纬度的变化特征.
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