暴时行星际穿透电场与电离层效应的卫星观测

周云良 徐 良 马淑英 颜伟男

(武汉大学电子信息学院,湖北武汉430079)

1.引 言

电离层电场,包括行星际电场向低纬电离层的直接穿透以及扰动的热层风发电机电场对低纬电离层电动力学过程起着非常重要的作用。许多重要的低纬电离层现象,如电离层赤道喷泉效应和电离异常、赤道电集流、赤道扩展F等现象,都和电离层电场密切相关[1-2]。磁暴期间,电离层电场发生剧烈扰动[3-5],将显著影响电离层等离子体分布、使电离层抬升或降低、并促进或抑制赤道异常和等离子体不稳定性的发展[6-7]。Greenspan et al.[8]和Basu et al.[7]的结果表明:磁暴主相期间,东向穿透电场显著抬升赤道F层等离子体,并延磁力线扩散到中纬电离层,导致赤道F层几乎消失。此外,许多中等磁暴产生的赤道电离层闪烁以及在大磁暴期间中纬电离层出现的大范围总电子含量(TEC)增强[9]也与穿透电场有密切联系,但是电场直接穿透和扰动风发电机电场在这些现象中的相对贡献还不是非常清楚。

电离层电场有两个主要来源,即磁层顶发电机和电离层发电机。磁层顶发电机源于太阳风-磁层相互作用,在磁层顶产生晨-昏向电压降,由于“磁冻结”效应,该电压降可以沿磁力线映射到高纬电离层,形成高纬电离层电场。在平静时期,位于等离子体片内边界的II区场向电流会产生横越内磁层的昏-晨向电场,在稳态磁层对流条件下,该电场几乎抵消磁层对流电场,使其无法对中低纬电离层电场产生影响。在磁暴期间,随着行星际磁场南向翻转,I区场向电流突然增强,而II区场向电流则受环电流区粒子注入的控制,缓慢增加,这一时间上的延迟导致了II区场向电流对I区场向电流的屏蔽不足,使得高纬电场可以直接穿透到中低纬电离层,通常称之为穿透电场[4]。电离层发电机主要由中性风驱动,是低纬电离层电场的主要来源。磁暴期间,极区增强的电离层对流电场和电导率引起焦耳加热增强,使热层大气加热膨胀上升并形成强的朝赤道风,引起低纬电离层中的风发电机电场增强[10]。扰动风发电机电场相对于暴时极区的能量输入通常有数小时的滞后,而暴时行星际电场向低纬电离层的穿透几乎没有时间延迟,因此穿透电场对磁暴主相初期的低纬电离层响应起着至关重要的作用。

自1968年Nishida首次表明行星际电场能穿透到赤道电离层后[11],行星际电场穿透及其电离层效应一直是人们关注的一个重要课题。通过观测数据和数值模拟,人们对行星际电场穿透及其电离层效应进行了广泛的研究[12-15],并在关于行星际电场穿透观测证据的寻找以及物理过程的模拟方面取得了重大进展。而最近几年来,关于行星际电场穿透的研究焦点主要集中在穿透效率、穿透持续时间、以及穿透与地方时之间的依赖关系等问题上。Huang et al.[16]等人在定义穿透效率为赤道电离层电场变化与行星际电场变化的比值基础上,利用Jicamaca非相干散射雷达向日面观测数据,利用73个磁暴事件做统计分析发现行星际电场穿透持续时间为几个小时,穿透效率为9.6%;Burke[17]利用Volland-Stern模式预测2002年4月磁暴期间的穿透电场,并得到穿透效率为11.9%;魏勇等人[18]利用数值模拟的方法研究发现在不考虑极盖电势饱和的情况下,赤道电场增量与行星际电场增量呈线性关系;在恒定重联线长度L的限定下,穿透效率具有明显的地方时依赖性;Kelley and Dao[19]利用2003年11月磁暴期间Jicamarca观测数据研究发现,在地方时21点到04点之间行星际电场与穿透电场呈现反相关特性,而在其他地方时扇区行星际电场与穿透电场呈现正相关特性。

利用Geotail卫星和华卫一号(ROCSAT-1)卫星观测数据,首先分析了2000年7月15-16日超强磁暴期间行星际穿透电场的特征,包括穿透效率、穿透持续时间、以及穿透与地方时之间的依赖关系;然后,联合利用ROCSAT-1卫星、美国国防气象卫星计划(DMSP)卫星和全球定位系统/电离层总电子含量(GPS/TEC)等观测数据,简单描述了此次超强磁暴期间低纬电离层响应。

2.磁暴事件描述和数据

由于太阳耀斑和日冕物质抛射(CME),以及在此之后发生的行星际激波和磁云的作用,2000年7月15-16日发生了一次超强磁暴[20]。图1给出了此次超强磁暴期间Dst指数随时间的变化。从图1可以看出,磁暴的急始出现在 2000年7月 15日16∶00UT,同日22∶00UT左右Dst指数急剧下降到-289nT,并于16日01∶00UT左右达到主相极大,Dst指数最小值为-301nT,随后磁暴进入恢复相。

图1 2000年7月15～18日期间Dst指数随时间的变化

文中用于分析行星际电场的太阳风和行星际磁场数据来自Geotail卫星的测量,在 2000年7月15～16日磁暴期间,Geotail卫星恰巧位于近地太阳风中(X≈25RE)。利用行星际磁场和太阳风数据,根据E=-V×B可计算得到行星际电场。

此外,文中用于计算赤道F区纬向电场的数据来自ROCSAT-1卫星IPEI(Ionospheric Plasma and Electrodynamics Probe Instrument)仪器测量的等离子体漂移[21]。其中,ROCSAT-1卫星轨道为圆形轨道,轨道范围是地理北纬35°～南纬35°;轨道高度约为600 km,轨道周期约为97分钟,每天绕地球飞行约15次[22]。利用ROCSAT-1卫星测量数据,将暴时垂直于磁场的等离子体向上漂移减去平静时的背景,可计算得到磁暴期间垂直于磁场的等离子体漂移变化,由此可得到赤道区纬向电场的变化,其中平静时背景垂直漂移利用统计分析的方法计算得到。

3.分析结果

3.1 行星际电场穿透到低纬电离层

图2(a)所示为Geotail卫星测量行星际磁场Bz分量和太阳风速度数据,图2(b)所示为利用Geotail卫星测量的行星际磁场和太阳风观测数据计算得到的行星际电场随时间的变化。从图中可以清楚地看出,在2000年7月15日19∶00UT后,行星际磁场变为南向,并急剧下降,在 20∶00UT附近下降到-60nT;同时,由图2(b)可见行星际电场晨昏分量迅速增强,最大达到60 mV/m。

图3所示为2000年7月超强磁暴主相期间赤道区顶部电离层离子向上漂移速度的暴时变化(即纬向电场的暴时变化,δV⊥)在几个连续的轨道上随地方时的变化。由图3(a)可以清楚地看出,在行星际电场晨昏分量迅速增强的时段,ROCSAT-1卫星在低纬电离层几乎即时地观测到垂直于磁场的离子向上漂移速度增强达300 m/s以上,相当于约7～8 mV/m的东向电场(即120 m/s对应于3 mV/m[23])。

为了能发现行星际电场晨昏分量与等离子体垂直漂移的关系,我们将离子向上漂移速度的暴时变化按地方时和纬度进行了分组。将地方时从0到24小时分成了48组,间隔为0.5小时;将地理纬度分成了 3 组,分别为 30°S ～ 10°S 、10°S ～ 10°N 和10°N～30°N。然后,我们将一个轨道上落在相同网格的数据进行平均。由于ROCSAT-1卫星每天绕地球约15次,经过这样处理后,可以得到每个网格上离子向上漂移速度的暴时变化的时间(轨道)序列。此外,也可计算得到行星际电场随时间变化的序列(以轨道数表征时间,轨道周期约97分钟)。图4和图5所示为2000年7月15～16日超强磁暴期间行星际电场晨昏分量Ey和离子向上漂移速度的暴时变化δV⊥在正午和黄昏扇区随轨道数(Norbit)的变化。

图3 2000年7月15日顶部电离层600 km高度ROCSAT-1观测到的几个连续轨道上离子向上漂移速度的暴时变化随地方时LT的变化

从图4可知,在正午扇区第12～14轨道期间(对应于7月15号 18∶00UT～21∶00UT)离子向上漂移的暴时变化与晨昏向行星际电场的变化趋势一致,表征行星际电场穿透到低纬电离层,且持续时间达3个多小时;行星际晨昏电场增强60 mV/m引起低纬电离层离子向上漂移速度增大300 m/s以上,其穿透效率约为13%。图5表明,在黄昏扇区第13～15轨道期间(即 7月15号19∶30UT～22∶30UT)也存在行星际电场穿透,穿透效率约为19%,比正午扇区穿透效率略高。

图6所示为磁暴主相期间10∶30～13∶30LT扇区内行星际晨昏电场与低纬电离层离子向上漂移速度的暴时变化δV⊥的散点图。由图6可见,行星际晨昏电场与电离层东向电场之间存在很好的相关性,相关系数约为80%。此外,由图6中拟合出来的直线的斜率,根据文献[23]中提到的低纬地区120 m/s漂移约等于3 mV/m的电场,可推算出穿透效率约为13.5%。

图7所示为午夜前扇区第13～15轨道期间(即 7月15号19∶30UT～22∶30UT)增强的行星际晨昏电场引起低纬电离层离子向下漂移,这与文献[19]中的结论一致。从图7可以看出,离子漂移速度相比平静期变化达500 m/s,其穿透效率约为30%。

图7 午夜前扇区行星际晨昏电场(虚线)与低纬电离层离子向上漂移暴时变化(实线)随轨道的变化。

3.2 电离层响应

磁暴期间,低纬电离层发生剧烈变化。下面我们根据ROCSAT-1卫星、DMSP卫星和GPS/TEC观测数据,简要描述2000年7月超强磁暴期间低纬电离层响应。

首先,利用ROCSAT-1/IPEI观测数据,分析了离子密度的暴时变化(δNi)。图8所示为赤道异常的初始上涨。在2000年7月15日20∶30～20∶40UT磁暴主相早期,由于增强的穿透电场作用,600 km附近急剧增长的离子密度形成了双峰结构,其谷位于美洲扇区赤道附近;双峰位置分别位于(17.5°N,298°E)和 (7.5°S,329°E),且双峰位置处离子密度的变化幅度分别为 1.2×1012m-3和1.8×1012m-3.

图8 赤道异常的初始上涨,图中曲线分别表示 δN i(实线)、LT(虚线)和磁纬θm(点划线)随UT的变化

图9 所示为主相期间(2000年7月15日22∶00UT附近)ROCSAT-1/IPEI在美洲扇区测量到的离子密度的急剧上涨,由图可以看出赤道异常明显增强,北半球峰的位置向高纬扩展,其纬度为 21.2°N,离子密度变化幅度为 2.3×1012m-3,增长幅度约为390%。图10所示为2000年7月15日22∶16UT时刻GPS/TEC观测结果,显示美洲扇区黄昏附近的中纬度电离层发生SED现象,GPS/TEC观测结果证明了磁暴主相期间北半球离子密度峰向高纬的扩展。

图9 磁暴主相期间在美洲扇区由ROCSAT-1/IPEI观测的离子密度的急剧增长,其他与图8相同

另外,我们也分析了2000年7月超强磁暴期间DMSP F-15卫星所观测的离子密度数据。图11所示为在夜晚扇区几个连续轨道上由DMSP卫星观测的磁暴主相期间低纬顶部电离层离子密度(Ni),其中DMSP卫星所处地方时为21∶45LT,过赤道经度为318°E,高度为850 km。图11可清楚地看出纬度范围大大扩展的电子密度深度耗空的赤道区等离子体槽。

图11 在夜晚扇区几个连续轨道上由DMSP卫星观测的磁暴主相期间低纬顶部电离层离子密度。其中几个轨道对应的时间为20∶39～ 21∶02UT(细实线),22∶19～ 22∶43UT(虚线),23∶59～00∶28UT(粗实线)

4.结 论

2000年 7月 15～16日超强磁暴(min.Dst＜-300 nT)期间,Geotail卫星位于近地太阳风中,由Geotail卫星观测的太阳风和行星际数据计算得到,磁暴主相期间晨昏向行星际电场增强达60 mV/m,与此同时,ROCSAT-1卫星在低纬电离层中几乎即时地观测到垂直于磁场的离子向上漂移速度达300 m/s以上(约相当于7～8 mV/m的东向电场),表征行星际电场穿透至低纬电离层。其中,在正午和黄昏扇区穿透电场为东向,引起低纬电离层离子向上漂移,穿透效率约为13～19%;而在午夜前扇区,穿透电场极性相反,使离子向下漂移,穿透效率高达30%。分析表明,此次磁暴期间,行星际电场穿透持续时间达3小时以上。

磁暴期间,低纬电离层发生剧烈变化。ROCSAT-1卫星观测到暴时离子密度变化呈现较复杂的图像,主相期间,ROCSAT-1/IPEI在美洲扇区测量到的离子密度的急剧上涨,赤道异常明显增强,北半球峰的位置向高纬扩展到21.2°N,其离子密度变化幅度为2.3×1012m-3,增长幅度约为390%。同时,GPS/TEC观测显示美洲扇区黄昏附近的中纬度电离层发生SED现象,DMSP卫星观测到纬度范围大大扩展的电子密度深度耗空的赤道区等离子体槽。

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