日侧伴随电子加速的离子上行事件的分布特征_余尧.pdf

第 卷 第期 年月地球物理学报 ，余尧，胡泽骏，蔡红涛 日侧伴随电子加速的离子上行事件的分布特征地球物理学报，（）：，：，.（），（）：，：日侧伴随电子加速的离子上行事件的分布特征余尧，胡泽骏，蔡红涛武汉大学电子信息学院，武汉 中国极地研究中心，自然资源部极地科学重点实验室，上海 浙江大学海洋研究院，浙江舟山 摘要本文基于 年月和月 卫星的观测数据，研究了日侧伴随电子加速的顶部电离层离子整体上行事件的分布特征结果表明，离子上行主要发生在磁纬 范围内，加速电子磁层源区对应低纬边界层和等离子体片边界层；冬季上行存在明显的“晨昏不对称性”，主要发生在晨侧（），夏季上行主要发生在磁正午（），以磁正午为中心近似呈对称分布，并且冬季离子上行发生率显著高于夏季；离子上行发生率在中等地磁活动时期显著增强，上行区域随着地磁活动的增强向低纬度方向扩展；行星际磁场时，对应等离子体片边界层 和 区域内上行发生率增加，行星际磁场的方向会导致上行高发区以磁正午为中心发生反转，行星际磁场南向时，上行发生率增强；冬季离子上行平均速度高于夏季关键词电子加速；离子上行；地磁活动；行星际磁场 ：中图分类号 收稿日期 ，收修定稿基金项目上海科委项目（），国家自然科学基金（，），国家重点研发计划（），中国科学院空间科学先导专项（），空间环境地基综合监测网项目，应用气象研究所项目共同资助第一作者简介余尧，男，年生，武汉大学，博士研究生，研究方向为极光物理 ：通讯作者胡泽骏，男，年生，中国极地研究中心（中国极地研究所）研究员，研究方向为极光物理，极区太阳风磁层电离层耦合，极区空间环境空间天气 ：，（）（），（）（）（），（）（），（），地 球 物 理 学 报（）卷 （），；引言地球磁层的最基本问题之一是磁层等离子体的来源 最初的研究认为磁层等离子体的来源只有太阳风，直到 等和 等在磁层中发现了源于电离层的 离子，此后对电离层离子上行源区和传输过程等问题 展 开了 广泛 的 研 究（，；，）卫星观测证实，在极区电离层中存在多种离子外流和离子获能过 程，外 流 离 子 的 成 分 有 较 轻 的 低 能 热 离 子（，），也 有 高 能 的 轻 离 子 和 重 离 子（，），在电离层磁层耦合中起着重要作用（，；，）电离层平均离子能量约为 ，不足以让重离子（如）逃逸出电离层 要达到逃逸速度，和 在顶部电离层高度必须分别被加速到 和 （，）离子上行过程可以分为两类：整体离子上行和离子获能过程 整体离子上行表现为所有离子获得一个整体上行速度，能量最高达到几 个 ，包 括 主 要 由 构 成 的 极 风（）和主要由 构成的极光带高速整体上行离子流 在离子获能过程中，部分上行离子获能，成为超热或能量更高的离子，包括离子束、离子锥、横向加速离子和上涌离子流（，）在电离层高度，离子的上行速度随高度的增加而增加（，），表明离子由电离层进入磁层必然要经过加速上行过程 离子上行的主要加速机制包括：）太阳极紫外辐射和高能粒子沉降使大气成分电离，产生在引力作用下能向上运动的二次电子，向上运动的电子通过电子与离子之间存在的双极电场使离子向上运动（，；，；，；，；，；，）；）坡印廷（）通量导致的离子中性摩擦加热使离子温度升高，升高的离子温度会产生垂直压力梯度，使离子沿极区 层电离层的垂直磁场线向上运动（，；，；，；，；，；，）；）对流速度剪切激发等离子体不稳定性，产生的横向离子加热（，；，）；）电场强度的剧烈变化引起等离子体不稳定性，产生快速增长的等离子体波（，）；）环电流离子沉降（，；，）其中软电子沉降和坡印廷通量对 和 的加速效率并不相同（，）从能量输运的角度来看，电子沉降与离子上行的能量传输方向正好相反 然而，电子沉降与离子上行却又有着紧密的联系，尤其是日侧电子沉降 日侧离子上行事件的主要驱动因素之一是极隙区的软电子沉降，软电子（）进入极隙区，电离中性粒子，产生加热电子，电子通过双极电场与离子一起向上运动（，）地面光学观测显示，极向运动的 极 光 形 态（，）与极隙区离子上升流之间存在一对一的关系，这表明软电子沉降的个别事件引发了相应的上行事件（，）沉降粒子能谱和对应的磁层源区相对应，不同磁层源区对应的沉降粒子的能量和数密度不同 不同类型粒子沉降与离子上行之间存在怎样的关系，并不清楚 本文利用 （）卫星的观测数据，对北半球日侧顶部电离层离子整体上行和粒子沉降进行了研究，主要考察和不同磁层源区的粒子沉降相对应的离子上行特征参量的时空分布规律卫星数据和离子上行事件的判定 系列卫星是美国国防部发射的一系列极期余尧等：日侧伴随电子加速的离子上行事件的分布特征轨气象卫星的统称，属于太阳同步轨道卫星，绕地球一周的时间约为 ，轨道高度约为 ，倾角约是 ，每天由南向北（升段）和由北向南（降段）分别在固定的地方时（为 和 ，为 和 ）经过赤道面 本 文 使 用 的 数 据 包 括：）沉 降 粒 子 能 谱 仪（，）可以测量能量范围从 到 的沉降电子和离子在 个能道上（分别为、以及、）的数通量和能通量以及所测粒子卫星星历和地磁坐标，数据每记录一次（，；，；，）而总数通量（）和总能通量（）即是各个能道上值的积分，平均能量（）可表达为 并且根据沉降粒子的能谱特征，可以判断出沉降粒子的磁层源区：极隙区（）离子、电子的总能通量（）分别小于 和 ，电子能量为 和 时电子能通量小于，平均电子能量 ，平均离子能量 （，）；低纬边界层（，）与极隙区类似，离子和电子的总能通量分别小于 和 ，电子能量为 和 时电子能通量小于，平均电子能量 ，平 均 离 子 能 量 （，）；等 离 子 体 幔（）的电子能量低，约为几十到 ，密度在几倍于 到几倍于 之间，粒子的平均能量和总数通量随着地磁纬度的增加而逐渐减小（，）；等离子体片边界层（，）电子、离子总能通量大于 ，电子能 量 在 几 百 到 之 间（，）；中 心 等 离 子 体 片（，）与等离子体片边界层类似，电子、离子总能通量大于 ；电子能量大于 （，）离子电子密度探测仪（，）可以测量等离子体整体漂移速度分量、等离子体密度以及离子电子温度，数据每记录一次（，）离子速度或通量可以作为判定上行事件的标准（，）在 高度，当没有受到额外的加速时，离子向上漂移的速度大多都低于 ，因此 是合理的门限值（，）并且，当纬度很高时，近似于离子沿磁场方向的速度，因此可以直接用代替（，）当离子速度很小而密度很大时，通过离子通量判定此类上行事件的标准明显不太合理，因此本文选用速度判定标准 由于许多典型的离子上行事件都发生在纬度不是很高的区域（），直接用代替这样近似处理会带来一 定 误 差，因 此 本 文 利 用 （）地磁场模型，通过坐标转换计算得到离子沿磁场方向的速度 为了避免单个数据点上行速度很大而附近数据点无上行特征，同时也考虑到 数据中上行速度和离子密度的分辨率分别为和，我们将至少包含连续个速度不小于 的数据点，记为一个上行事件 卫星数据中，离子上行速度和电子沉降结构之间存在不同的对应特征，根据不同的对应关系可以将上行事件分成更细节的类型 其中一种典型的对应关系（记为类型（）为：上行速度存在明显的峰值区间，同时整个峰值区间都对应有明显的单一且连续的电子加速特征结构（记为 类事件），或对应多个且分散的电子加速特征结构（记为 类事件）我们将具有加速特征的沉降电子定义为：在一个时间点的 个能道中，只要任意能道的通量大于 ，则认为该电子能谱具有加速特征 当电子加速结构内的各能级的沉降电子通量相近，并在能谱图中表现为几何连通的结构时，则判定为连续的电子加速特征结构 图给出了 类事件的示例，其中图 为 年月日 期间 卫星经过北半球极区，上半部分为离子垂直漂移速度，横向蓝色虚线为 ，下半部分为电子能谱时间序列图，红色方框内对应时间段 ，观测到的上行速度均大于 ，同时电子能谱表现出单一连续的电子加速特征，依据判定标准，该事件被判定为 类上行事件 同样地，图 红色方框对应时间段 ，为 类上行事件，而图 和 为 类上行事件，电子能谱均表现出多个分散的电子加速特征日侧离子上行的统计结果 离子上行事件数统计本 文选择 卫星轨道位于北半球日地 球 物 理 学 报（）卷图类事件离子垂直漂移速度和电子加速特征的对应关系（）类上行事件；（）类上行事件横向蓝色虚线为门限值 ，红色方框表示一次典型的上行事件，黑色箭头和 表示上行事件类型 （）（）（）；（），（）侧 之间的观测数据，对发 生在 年月和月共 个 类离子上行事件进行了统计研究 图给出了离子上行事件的分布，对应不同磁层源区，从左往右分别为极雨（，）、等离子体幔（）、极隙区（）、低纬边界层（）、等离子体片边界层（）和中心等离子体片（）可以看出，月（冬季）的离子上行事件数显著高于月（夏季）的上行事件数 不同磁层源区的离子上行也存在季节差异 离子上行主要发生在和 、相连的区域，其中月有部分上行事件 发 生 在 和 相 连 区 域，少 量 发 生 在 和 、相连区域，月统计结果相反，部分上行事件发生在和 、相连区域，少量发生在和 相连区域 离子上行事件的分布为了研究离子上行事件的分布特征，将 （）坐标平面的日侧扇区（）进行网格划分，网格大小为 当 卫星轨道经过某一网格时，该网格的穿行次数加对于跨越个及以上网格的上行事件，上行事件经过的每个网格的穿行次数均加 我们将单位轨道发生率定义为 ，图不同磁层源区对应的离子上行事件的分布从左往右依次为月 类事件、月 类事件、月 类事件、月 类事件，括号中为各组的总事件数，轴表示各磁层源区的上行事件在各组数据中的占比 ，其中 为所选网格内 观测到的上行事件次数，为网格内 卫星轨道经过次数图为月月、类离子上行事件的事期余尧等：日侧伴随电子加速的离子上行事件的分布特征件数分布（图 ）和平均轨道发生率的整体时空分布（图 ），灰色区域为 卫星轨道覆盖范围，空白处无数据，下同 离子上行主要发生在 范围内，其中月和月的单位轨道发生率（）分别为 、，其他纬度范围的单位轨道发生率总和为 、，具体数值见表；月上行事件存在明显的“晨昏不对称性”，晨侧的单位轨道发生率为 ，午前和午后分别为 和 ，而昏侧仅有 ，且最大发生率出现在 附近，其中 类事件能延伸至午后 ；月上行事件的“晨昏不对称性”不如月明显，晨侧的单位轨道发生率为 ，午前和午后分别为 和 ，昏侧为 ，几乎以磁正午为中心呈对称分布，主要分布在磁正午 扇区内图月月、类离子上行事件和单位轨道发生率的整体时空分布（）上行事件数（）分布；（）单位轨道发生率（）分布 、为各 区间，、为各 区间，灰色区域为卫星轨道覆盖范围，空白处无数据，下同 （）（）；（）（），地 球 物 理 学 报（）卷表不同磁地方时和地磁纬度的单位轨道发生率 注：晨侧（）为 ，昏侧（）为 ，午前（）为 ，午后（）为 ，区间 表示地磁纬度范围为 ，以此类推，下同为保证统计结果的有效性，根据图给出的事件数及其比例，统计数据包括：类事件对应磁层源区分别为月 、和 ，月 、和 ；类事件对应磁层源区为 和 图给出了不同地磁活动条件下对应不同沉降源区的 类离子上行事件在 坐标平面平均轨道发生率的分布，分别为地磁活动平静期（）、中等地磁活动（）和地磁扰动期（），图 给出了行星际磁场（，）各分量（，）不同方向时 类离子上行事件平均轨道发生率的分布，上两行为月统计数据，下两行为月统计数据图不同地磁活动水平期间类离子上行事件的时空分布（月）（）类上行事件单位轨道发生率（）分布；（）类上行事件单位轨道发生率（）分布 （）；（）期余尧等：日侧伴随电子加速的离子上行事件的分布特征图不同地磁活动水平期间 类离子上行事件的时空分布（月）（）类上行事件单位轨道发生率（）分布；（）类上行事件单位轨道发生率（）分布 （）；（）图中，对应 和 的上行事件主要发生在清晨和黄昏侧，对应 、和 的上行事件主要发生在磁正午附近 在地磁活动平静期，上行主要分布在磁纬度 ，中等地磁活动期主要分布在 范围内，在地磁扰动期则为 ，同时在 范围内上行发生率存在明显增强 表明随着地磁活动增强，主要上