0 引言

电离层离子外流在磁层-电离层耦合过程中起着重要作用。1972年, Shelley等^[1]首次发现在磁层中存在单电荷氧离子(O⁺离子)。由于O⁺离子在太阳风中几乎不存在, 只可能来源于电离层^[2], 因此，该发现使磁层等离子体的太阳起源理论受到挑战。近40年来，由于卫星电位主动控制技术的提高和能量粒子探测仪器的出现, 不断有观测结果显示在地球极区中有多种电离层离子整体外流现象, 证明电离层是磁层等离子体的重要来源^[3~6]。磁暴期间磁层环电流中O⁺离子成分急剧地增强^[7~9], 环电流中这些来自电离层的O⁺在源区分布情况和加速机制是磁暴和磁层动力学研究的重要课题。

大量基于卫星和雷达的观测和模拟研究表明, 在200 km至几个地球半径的高度上, 存在电离层等离子体外流现象^[10~12]。Sharp等^[13]和Andre等^[6]证明, 离子上行机制与高能粒子沉降引起的电子加热和电离增强有关。Ogawa等^[14]和Liu等^[15]认为, 软电子(< 500 eV)沉降可以增强电离层电子密度和电子温度, 从而增强向上的双极性电场。Winser等^[16]证明, 由对流引起的摩擦加热会导致F层和顶部电离层离子温度升高, 增加离子的压力梯度力, 引起离子外流。Cully等^[17]研究了Akebono卫星超热质谱仪(suprathermal mass spectrometer, SMS)数据, 发现离子上行与地磁活动和太阳活动强度有关。Coley等^[18]和Ogawa等^[19]均证明，离子上行与地磁活动、太阳风速和行星际磁场(interplanetary magnetic field, IMF)相关。霍亮等^[20]利用美国国防气象卫星计划(defense meteorological satellite program, DMSP) F13卫星的观测数据, 发现平静期和磁暴期间离子上行强度与发生率随磁地方时(magnetic local time, MLT)分布规律的变化有关。Liu等^[21]发现, 离子上行的发生频率表现出黎明-黄昏的不对称性, 在黄昏时段更为频繁。Collin等^[22]通过Polar卫星观测数据发现，在18:00—24:00 MLT, 1 RE(radius of the earth)高度附近, 离子上行发生频率与季节变化有关, 其中, O⁺离子在夏季的上行发生率小于其在冬季的上行发生率。Keating等^[23]对欧洲非相干散射雷达的观测数据进行研究, 发现外流离子最大通量主要发生在冬季19:00—04:00 MLT。上述研究结果表明, 地磁和季节变化是影响电离层离子上行的重要因素。

本文利用DMSP F13和F15卫星的观测数据，分析磁暴期间南北半球中高纬度电离层离子上行特征。由于季节变化是影响离子上行的重要因素^[22], 本文分别讨论不同季节离子上行发生率、上行速度、上行数密度、上行通量和上行跨度的时空分布规律, 初步探讨在磁暴期间, 离子上行部分特征随季节变化的可能原因。

1 数据来源及分析方法 1.1 数据来源

本文首先以Dst (disturbance storm time)指数最小值小于-50 nT为标准, 选出2000—2016年间的所有磁暴事件, 共294次, 然后选取这些磁暴日期的DMSP观测数据。DMSP卫星位于高度约835 km的近圆形太阳同步轨道上, 倾角为98. 9°, 轨道周期大约为101 min, 每天绕地球飞行约14次, 每天由南向北(升段)和由北向南(降段)分别在固定的地方时(local time, LT)(F13卫星在06:00—18:00 LT, F15卫星在09:00 —21:00 LT)经过赤道面, 其中F15卫星的地方时从2006年开始漂移, 至2016年漂移了约6 h (当地时间)。

本文使用F13卫星在2000—2009年和F15卫星在2000—2016年磁暴(Min. Dst≤-50 nT)期间的观测数据, 分析磁暴期间南北半球±50°磁纬(magnetic latitude, MLat)以上中高纬度电离层离子上行特征。图 1为所选磁暴期间, DMSP F13和F15卫星在南北半球所选纬度区域的运行轨迹覆盖情况。

本文使用的数据来自DMSP卫星携带的SSIES (special sensor ions，electrons，and scintillation, 离子电子传感器和闪烁计)仪器。其中, 离子漂移计(ion drift meter, IDM)测量离子垂直速度V_z和水平速度V_y；阻滞势分析仪(retarding potential analyzer, RPA)提供离子密度、离子温度、离子沿卫星运动方向的速度V_x和等离子体的组成数据, 采样频率为0. 25 Hz。

1.2 分析方法

2000—2005年, 每一组数据都有质量标记并分为4个类别, 本文采用标记为一类和二类的数据^[20]。2006年以后使用的是SSIES仪器的EDR格式的数据包, 数据质量是可靠的。在使用DMSP卫星数据时, Coley等^[24]利用V_z的正负值判定是否为离子上行事件。霍亮等^[20]将至少持续4个有效数据点且上行速度最大值大于200 m·s^-1的事件记为一个离子上行事件。本文将包含至少连续4个上行速度不低于200 m·s^-1的数据点的事件, 判定为一个离子上行事件。

为了研究离子上行强度随季节变化的时空分布情况, 本文采用与文献[10]和[22]相同的分类方法, 将北半球4—9月作为夏季, 10月—次年3月作为冬季, 南半球4—9月作为冬季, 10月—次年3月作为夏季, 并对MLat-MLT坐标平面进行网格划分, 将MLat从纬度50°到90°划分为20组, 间隔为2°；MLT分为48组, 间隔为0. 5 h。如果卫星穿过某一网格的次数少于50次, 为保证结果的可靠性, 该网格内的数据不参与统计分析。

2 磁暴期间离子上行时空分布的统计结果 2.1 离子上行发生率的时空分布

将某一网格内离子上行发生率R定义如下:, 其中, N_up表示某一网格内DMSP卫星观测到的离子上行次数, N_all表示观测时间内卫星经过的总次数。若上行事件跨越2个及以上网格, 将离子上行速度最大位置所在网格区域判定为离子上行事件所在网格区域, 这与Ogawa等^[19]和周康俊等^[25]的定义一致。

图 2所示为磁暴期间, 南北半球不同季节离子上行发生率随MLT和MLat的分布。由图 2(a)和2(c)可知, 在北半球, 离子上行主要发生在65°~75° MLat，有3个稳定的离子上行源区:磁黎明前(04:00—06:00 MLT), 磁正午前后(11:00—14:00 MLT)和磁黄昏后(18:00—20:00 MLT)。在北半球夏季, 磁黎明前和磁正午前后离子上行最大发生率为13%, 磁黄昏后离子上行最大发生率为10%；在北半球冬季, 磁黎明前和磁正午前后离子上行最大发生率为16%, 磁黄昏后离子上行最大发生率为14%。经统计分析可知, 在北半球的离子上行源区, 夏季离子上行发生率小于冬季。Ogawa等^[19]利用位于北半球75. 2° MLat的ESR雷达在500 km高度进行观测，发现03:00—05:00 MLT、11:00— 14:00 MLT和21:00—24:00 MLT离子上行发生率均高于附近磁地方时, 其中, 03:00—05:00 MLT和11:00—14:00 MLT离子上行发生率高于附近磁地方时的结论与本文结果相似, 但由于Ogawa等^[19]将磁平静期的离子数据也统计在结果内, 故部分离子上行最大发生率的磁地方时区域(21:00— 24:00 MLT)与本文结果(18:00—20:00 MLT)不完全一致。

由图 2(b)和2(d)可知, 在南半球, 离子上行主要发生在-60°~-80° MLat, 有2个稳定的离子上行源区:磁下午(13:00—16:00 MLT)和夜侧极光椭圆带附近。在南半球夏季, 磁下午离子上行最大发生率可达18%, 夜侧极光椭圆带离子上行最大发生率为12%；在南半球冬季, 磁下午离子上行最大发生率可达20%以上, 夜侧极光椭圆带离子上行最大发生率为14%, 且与南半球夏季相比, 夜侧极光椭圆带离子上行区域更大。经统计分析可知, 在南半球的离子上行源区, 夏季离子上行发生率小于冬季。

为更直观地得到单位轨道离子上行事件发生次数随MLT的变化特征, 分别将南北半球网格内同一磁地方时的离子上行事件发生率进行积分。图 3所示为磁暴期间DMSP卫星在南北半球不同季节观测到的单位轨道离子上行事件发生次数随MLT的分布。

由图 3(a)和3(c)可知, 磁暴期间, 在北半球夏季，磁黎明前(04:00—06:00 MLT)，磁正午前(10:00—12:00 MLT)和磁黄昏后(19:00—21:00 MLT)单位轨道离子上行发生次数最大，约为1. 5。在北半球冬季，磁黄昏后(19:00—21:00 MLT)单位轨道离子上行发生次数最大, 约为2。由于图 2网格中同一磁地方时不同磁纬度区间内离子上行发生率不同，图 3是由图 2在50° ~90° MLat和-50°~-90° MLat区间内, 将同一磁地方时离子上行事件发生率进行积分得到, 因此, 图 3与图 2中离子上行发生率最大值随磁地方时的分布不完全一致。

由图 3(b)和3(d)可知, 在南半球夏季, 磁下午(15:00—16:00 MLT)单位轨道离子上行发生次数最大, 约为2. 2。在13:00 MLT, 单位轨道离子上行发生次数最小, 约为0. 2, 这与卫星轨道覆盖范围有关。在南半球冬季, 磁下午(15:00—16:00 MLT)单位轨道离子上行发生次数最大, 约为2. 4。南半球中高纬地区全部地方时均可观察到离子上行事件, 在磁正午后至磁午夜上行发生次数最大。

2.2 离子上行速度的时空分布

图 4所示为磁暴期间DMSP卫星观测到的北半球和南半球离子上行速度在不同季节的时空分布情况。离子上行速度V定义为该网格内全部离子上行事件最大速度V_z的均值。经统计分析并结合图 4(a)和4(c)可知, 在北半球夏季, 平均离子上行速度是502 m·s^-1；在北半球冬季, 平均离子上行速度是613 m·s^-1。其中, 北半球夏季和冬季约75%的离子上行速度分别集中在300 ~700 m·s^-1和500 ~800 m·s^-1。北半球冬季高速(≥600 m·s^-1)上行离子多发生在磁晨侧(04:00—09:00 MLT)和磁下午(13:00—19:00 MLT)附近, 最大离子上行速度高达900 m·s^-1以上。

从图 4(b)和4(d)可知, 在南半球夏季, 平均离子上行速度是593 m·s^-1；在南半球冬季, 平均离子上行速度是709 m·s^-1。其中, 南半球夏季和冬季约75%的离子上行速度分别集中在400 ~800 m·s^-1和600 ~900 m·s^-1。且南半球冬季磁正午后至磁午夜之间, 离子上行速度值最大, 集中在700 ~900 m·s^-1。由此可知, 无论是北半球还是南半球, 冬季平均离子上行速度显著高于夏季平均离子上行速度。

2.3 离子上行数密度的时空分布

图 5所示为磁暴期间DMSP卫星观测到的南北半球离子上行数密度在不同季节的时空分布情况。离子上行数密度n_i=n_VZi, 表示第i(i=1, 2, …, N)个网格内全部离子上行事件最大速度V_Zi对应的离子数密度的均值。由图 5(a)和5(c)可知, 北半球离子上行数密度高值区主要集中在日侧极尖区, 约为1.0×10^4.8 cm^-3。在北半球夏季, 平均离子上行数密度为1.0×10^4.5 cm^-3, 其中, 约80%离子上行数密度集中在1.0×10^4.2 cm^-3至1.0×10^4.8 cm^-3之间。在北半球冬季, 平均离子上行数密度为1.0×10^4.1 cm^-3, 其中, 约80%离子上行数密度集中在1.0×10^3.5 cm^-3至1.0×10^4.6 cm^-3之间。可知, 北半球夏季平均离子上行数密度大于其冬季平均离子上行数密度。

从图 5(b)和5(d)可知, 南半球离子上行数密度高值区主要分布在夜侧极光椭圆带和磁上午, 约为1.0×10^4.7 cm^-3。在南半球夏季, 平均离子上行数密度为1.0×10^4.3 cm^-3, 其中, 夏季约75%离子上行数密度集中在1.0×10^4.2 cm^-3至1.0×10^4.7 cm^-3之间。在南半球冬季, 平均离子上行数密度为1.0×10^3.9 cm^-3, 其中, 冬季约75%离子上行数密度集中在1.0×10^3.5 cm^-3至1.0×10^4.6 cm^-3之间。由此可知, 南半球夏季平均离子上行数密度大于冬季平均离子上行数密度。对南、北半球不同季节进行比较发现, 夏季离子上行数密度均大于冬季离子上行数密度。

2.4 离子上行通量的时空分布

离子上行通量f定义为第i个网格内全部离子上行事件最大速度V_Zi与其对应的离子上行数密度n_i乘积的均值图 6所示为磁暴期间DMSP卫星观测到的北半球和南半球离子上行通量在不同季节的时空分布情况。

从图 6(a)和6(c)可知, 在北半球, 离子上行通量最大值分布在夏季日侧的极尖区, 可达1.0×10^9.8 cm^-2·s^-1。在北半球夏季, 平均离子上行通量为1.0×10^9.2 cm^-2·s^-1, 其中, 离子上行通量约75%集中在1.0×10^8.8 cm^-2·s^-1至1.0×10^9.6 cm^-2·s^-1之间。在北半球冬季, 平均离子上行通量为1.0×10^8.9 cm^-2·s^-1, 其中, 约75%离子上行通量集中在1.0×10^8.5 cm^-2·s^-1至1.0×10^9.3 cm^-2·s^-1之间。可知, 北半球夏季平均离子上行通量大于其冬季平均离子上行通量。

从图 6(b)和6(d)可知, 在南半球, 离子上行通量主要分布在磁上午和夜侧极光椭圆带附近。在南半球夏季, 平均离子上行通量为1.0×10^9.3 cm^-2·s^-1，其中，离子上行通量约75%集中在1.0×10^8.8 cm^-2·s^-1至1.0×10^9.6 cm^-2·s^-1之间。在南半球冬季, 平均离子上行通量为1.0×10⁹ cm^-2·s^-1, 其中，约75%离子上行通量集中在1.0×10^8.6 cm^-2·s^-1至1.0×10^9.4 cm^-2·s^-1之间。与北半球情况相似, 南半球夏季平均离子上行通量大于其冬季平均离子上行通量, 这说明季节对离子上行通量的影响比较显著。

2.1~2.4节统计结果表明, 在南北半球夏季，离子上行通量和上行数密度均显著高于冬季, 但离子上行发生率和离子上行速度均明显低于冬季。由前文可知, 影响离子上行通量的因素为离子上行速度和离子上行数密度。在北半球夏季日侧极尖区, 离子上行数密度比离子上行速度增加更快, 离子上行数密度对离子上行通量贡献更大。因此, 在南北半球夏季, 虽然离子上行速度较低, 但是在较大的离子上行数密度影响下, 电离层离子上行通量仍然增大。

2.5 离子上行跨度的时空分布

DMSP卫星的轨道倾角为98.9°, 在地球上空飞行时, 主要是纬度发生变化。将DMSP卫星观测数据中某一网格内离子上行纬度跨度取中值, 即可定义为该网格内离子上行的跨度。

图 7所示为磁暴期间DMSP卫星观测到的南北半球离子上行跨度在不同季节的时空分布情况。容易看出, 离子上行跨度对季节的依赖性不显著。从图 7(a)和7(c)可知, 在北半球, 磁上午的离子上行跨度相对较大, 在09:00—12:00 MLT的较低纬度(50°~65° MLat)附近, 离子上行跨度可达5°以上。在北半球较高纬度(＞75° MLat), 离子上行跨度相对较窄, 约为0.5°~1.5°；在较低纬度(50°~70° MLat), 离子上行跨度相对较宽, 约为1.5°~2.5°。

从图 7(b)和7(d)可知, 在南半球, 磁下午的离子上行跨度相对较大, 可达4°以上。在南半球夜晚极光椭圆区附近, 离子上行跨度相对较窄, 为0.5°~1.5°；在较低纬度(50°~65° MLat), 离子上行跨度相对较宽, 为1.5°~2.5°。

3 讨论

由于季节是影响离子上行的重要因素, 本文利用DMSP卫星数据分析磁暴期间不同季节中高纬度电离层离子上行特征。2.1和2.2节给出了磁暴期间, 南北半球不同季节离子上行发生率和上行速度随MLT和MLat变化的分布特征。结果表明, 冬季离子上行发生率和上行速度均高于夏季。我们可以用前人的研究结果解释该现象。基于DMSP卫星9年的观测数据, Newell等^{[26, 27]}发现当极区电离层没有阳光照射时, 电子沉降事件在冬季的发生率是夏季的3倍。电子沉降可以增强电离层电子密度和电子温度, 使向上的双极性电场增强, 因此, 离子上行速度和发生率显著增大^{[14, 15]}。另外, Collin等^[22]发现冬季离子上行发生率高于夏季这一随季节变化的现象也与太阳辐射强度有关。Davies等^[28]证明, 冬季电离层离子摩擦加热发生频率大于夏季, 而摩擦加热会导致F层和顶部电离层离子温度升高, 增加离子的压力梯度力, 引起离子上行^[16]。因此, 冬季离子上行发生率和上行速度均高于夏季。

2.3和2.4节分别给出了磁暴期间离子上行数密度和上行通量随季节变化的统计特征。结果表明, 夏季离子上行通量和上行数密度显著高于冬季。Cohen等^[29]也发现夏季电离层离子密度显著高于冬季。Coley等^[30]认为由于离子上行通量等于离子上行数密度乘以离子上行速度, 离子上行数密度对上行通量的贡献比上行速度更大, 故虽然夏季电离层离子上行速度小于冬季, 但由于夏季电离层离子数密度显著大于冬季, 夏季离子上行通量仍显著高于冬季。

2.5节的结果表明, 磁暴期间离子上行跨度对季节的依赖性不显著。在北半球, 离子上行跨度在09:00 MLT至磁正午扇区的较低纬度附近最大, 可达5°以上。在南半球, 离子上行跨度在14:00 MLT至16:00 MLT扇区最大，可达4°以上。这与Meng ^[31]和周康俊等^[25]观测结果的变化特征一致。Meng ^[31]和Wing等^[32]研究发现, 较低纬度的离子上行跨度大于较高纬度的离子上行跨度, 与发生离子上行期间地磁活动强度和行星际磁场变化相关, 是多种机制共同作用的结果。

4 结论

本文利用DMSP F13和F15卫星在2000— 2016年294个磁暴(Min. Dst≤-50 nT)期间的观测数据, 统计分析了磁暴期间中高纬度电离层离子上行的特征, 得到以下研究结果:

1) 在北半球, 有3个稳定的离子上行源区:磁黎明前, 磁正午前后和磁黄昏后；在南半球, 有2个稳定的离子上行源区:磁下午和几乎整个夜侧极光椭圆区。

2) 南北半球上行事件对季节的响应特征基本一致。冬季离子上行发生率和离子上行速度均高于夏季, 这与不同季节的电子沉降事件发生率和离子摩擦加热发生率有关；夏季离子上行数密度和离子上行通量高于冬季, 这是因为离子上行高通量事件主要由高离子上行密度引起, 离子上行速度对其影响较小, 即离子上行数密度的增加是造成离子上行通量增大的主要原因。

3) 磁暴期间, 离子上行跨度对季节的依赖性不显著。无论是北半球还是南半球, 较低纬度的离子上行跨度均大于较高纬度的离子上行跨度。

本文结果表明, 磁暴期间离子上行部分特征与季节变化有关, 如冬季离子上行发生率和上行速度均高于夏季, 且上行区域更大；夏季离子上行数密度和上行通量高于冬季。并且对研究结果给出了合理的解释和讨论。本文的统计研究, 加深了对磁暴期间不同季节离子上行特征及其上行机制的认识, 为磁暴期间不同季节的上行离子建模提供了参考依据。