磁層亞暴過(guò)程及其對(duì)極區(qū)電離層的影響.pdf

1、磁層亞暴是太陽(yáng)風(fēng)-磁層-電離層耦合系統(tǒng)中最頻繁的擾動(dòng)形式,是近地空間最重要的能量輸入、耦合和耗散過(guò)程。極區(qū)電離層通過(guò)磁力線與磁層聯(lián)接在一起。磁層亞暴期間,很大一部分來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)的能量在極區(qū)電離層以焦耳熱的形式耗散,伴隨極區(qū)電離層電動(dòng)力學(xué)特征的劇烈變化。研究極區(qū)電離層尤其是暴時(shí)電動(dòng)力學(xué)特征是磁層-電離層耦合研究的重要內(nèi)容。本文主要利用極區(qū)電離層模型以及地磁反演方法,研究磁層亞暴期間極區(qū)電離層的電動(dòng)力學(xué)參量的響應(yīng)。同時(shí)通過(guò)對(duì)特殊的亞暴事件的分

2、析對(duì)亞暴的觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行了一定探討。
　　 首先,利用自洽的極區(qū)電離層模型,結(jié)合沉降粒子分布模型,模擬了不同能譜條件下的極區(qū)電離層高度積分電導(dǎo)率和F層電子濃度的差異。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),沉降電子平均能量較高時(shí)(如0.8keV、1.0keV、2.0keV、4.0keV、8.0keV時(shí)),麥克斯韋分布得到的F層電子濃度較高；而沉降電子平均能量較低時(shí)(如0.3keV、0.4keV時(shí)),修正麥克斯韋分布得到的F層電子濃度高。平均能量大于3.5k

3、eV時(shí),麥克斯韋分布得到的裴德森電導(dǎo)率高于修正麥克斯韋分布的結(jié)果；平均能量小于3.5keV時(shí),修正麥克斯韋分布的結(jié)果高。對(duì)于霍爾電導(dǎo)率,始終都是修正麥克斯韋分布得到的結(jié)果高。不同能譜分布得到的電導(dǎo)率的差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電導(dǎo)率的本身的值。在能通量一定的情況下,平均能量是影響電導(dǎo)率大小的決定因素。而能譜對(duì)F層電子密度影響較大,隨著平均能量的增加,能譜對(duì)電子濃度的影響越顯著。
　　 其次,結(jié)合太陽(yáng)風(fēng)、行星際磁場(chǎng)的條件,從IMAGE衛(wèi)星200

4、2年觀測(cè)到的亞暴事件選擇出了15個(gè)自發(fā)型亞暴事件和35個(gè)觸發(fā)型亞暴事件。利用KRM地磁反演方法,結(jié)合101個(gè)北半球地面地磁臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù),反演了各個(gè)事件期間極區(qū)電離層的電動(dòng)力學(xué)參量(包括電流矢量、等效電流函數(shù)和電勢(shì))分布。然后統(tǒng)計(jì)研究了自發(fā)型亞暴和觸發(fā)型亞暴期間極區(qū)電離層的電動(dòng)力學(xué)特征。研究發(fā)現(xiàn),在一階近似的前提下,觸發(fā)性亞暴和自發(fā)型亞暴期間極區(qū)電離層的電動(dòng)力學(xué)特征沒(méi)有本質(zhì)差別:生長(zhǎng)相期間,雙渦電流體系出現(xiàn)并逐漸增強(qiáng)；膨脹相初始之后,午

5、夜區(qū)域西向電急流急劇增強(qiáng):從生長(zhǎng)相一直到最大相,越極蓋電勢(shì)差持續(xù)增強(qiáng)。但是,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明自發(fā)型亞暴在生長(zhǎng)相時(shí)的越極蓋電勢(shì)差要遠(yuǎn)大于觸發(fā)型亞暴,即自發(fā)型亞暴有較強(qiáng)的生長(zhǎng)相,而觸發(fā)型亞暴在膨脹相期間的越極蓋電勢(shì)差的增強(qiáng)更為明顯。自發(fā)型亞暴恢復(fù)相期間,越極蓋電勢(shì)差仍然很強(qiáng),相對(duì)最大相時(shí)沒(méi)有明顯的減弱。而對(duì)于觸發(fā)型亞暴,恢復(fù)相期間的越極蓋電勢(shì)差相對(duì)于最大相時(shí)有明顯的降低。對(duì)于自發(fā)型亞暴,由于其恢復(fù)相期間較強(qiáng)的直接驅(qū)動(dòng)過(guò)程,其恢復(fù)相期間晨昏兩側(cè)的

6、電流仍然很強(qiáng)。由于兩類亞暴恢復(fù)相期間卸載過(guò)程逐漸減弱,所以兩類亞暴恢復(fù)相期間午夜側(cè)的電流都明顯減弱。
　　 最后,研究了2004年12月13日0650 UT時(shí)的亞暴事件。在該亞暴事件膨脹相初始過(guò)程中,行星際磁場(chǎng)保持穩(wěn)定北向,太陽(yáng)風(fēng)其他參數(shù)也非常穩(wěn)定。IMGAE衛(wèi)星分別于0648UT和0652UT在22.5 MLT和01 MLT先后觀測(cè)到了兩個(gè)極光點(diǎn)亮。加拿大地面臺(tái)站也同時(shí)在東西間隔2個(gè)MLT的位置上觀測(cè)到了西向電急流的急劇增強(qiáng)。

7、GOES10衛(wèi)星也觀測(cè)到了明顯的高能粒子注入和磁場(chǎng)偶極化。認(rèn)為該亞暴事件是發(fā)生在行星際磁場(chǎng)北向時(shí)的自發(fā)型的亞暴事件,而且該亞暴事件具有兩個(gè)亞暴起始。認(rèn)為兩個(gè)亞暴起始可能是由于磁層內(nèi)部的不穩(wěn)定性過(guò)程在經(jīng)向的傳播引起的。該亞暴事件期間AL指數(shù)達(dá)到了-300nT,極光活動(dòng)區(qū)域覆蓋了近4個(gè)MLT。結(jié)合太陽(yáng)風(fēng)、行星際磁場(chǎng)的條件,認(rèn)為該亞暴事件的主要能量來(lái)源是行星際磁場(chǎng)南向時(shí)存儲(chǔ)在磁尾的能量。行星際磁場(chǎng)By方向的重聯(lián)也可能為該亞暴事件提供一定的能量

8、。同時(shí),利用KRM地磁反演算法,反演了該亞暴事件期間極區(qū)電離層的電動(dòng)力學(xué)參量的演化特征。結(jié)果表明,在該亞暴膨脹相起始后,午夜之前西向電急流急劇增強(qiáng),且等效電流體系表現(xiàn)為夜側(cè)的雙渦結(jié)構(gòu),同時(shí)伴隨夜側(cè)增強(qiáng)的南向電場(chǎng)。南向行星際磁場(chǎng)期間晨昏側(cè)的雙渦結(jié)構(gòu)不復(fù)存在。由于極弱的直接驅(qū)動(dòng)過(guò)程,卸載過(guò)程引起的電離層效應(yīng)得到清楚的展示。卸載過(guò)程在膨脹相期間起絕對(duì)主導(dǎo)性作用。同時(shí),夜側(cè)電導(dǎo)率的增強(qiáng)是電急流區(qū)域電流急劇增強(qiáng)的主要原因。
　　 磁場(chǎng)亞暴