暴時行星際穿透電場與電離層效應的衛星觀測

周云良 徐 良 馬淑英 顏偉男

(武漢大學電子信息學院,湖北武漢430079)

1.引 言

電離層電場,包括行星際電場向低緯電離層的直接穿透以及擾動的熱層風發電機電場對低緯電離層電動力學過程起著非常重要的作用。許多重要的低緯電離層現象,如電離層赤道噴泉效應和電離異常、赤道電集流、赤道擴展F等現象,都和電離層電場密切相關[1-2]。磁暴期間,電離層電場發生劇烈擾動[3-5],將顯著影響電離層等離子體分布、使電離層抬升或降低、并促進或抑制赤道異常和等離子體不穩定性的發展[6-7]。Greenspan et al.[8]和Basu et al.[7]的結果表明:磁暴主相期間,東向穿透電場顯著抬升赤道F層等離子體,并延磁力線擴散到中緯電離層,導致赤道F層幾乎消失。此外,許多中等磁暴產生的赤道電離層閃爍以及在大磁暴期間中緯電離層出現的大范圍總電子含量(TEC)增強[9]也與穿透電場有密切聯系,但是電場直接穿透和擾動風發電機電場在這些現象中的相對貢獻還不是非常清楚。

電離層電場有兩個主要來源,即磁層頂發電機和電離層發電機。磁層頂發電機源于太陽風-磁層相互作用,在磁層頂產生晨-昏向電壓降,由于“磁凍結”效應,該電壓降可以沿磁力線映射到高緯電離層,形成高緯電離層電場。在平靜時期,位于等離子體片內邊界的II區場向電流會產生橫越內磁層的昏-晨向電場,在穩態磁層對流條件下,該電場幾乎抵消磁層對流電場,使其無法對中低緯電離層電場產生影響。在磁暴期間,隨著行星際磁場南向翻轉,I區場向電流突然增強,而II區場向電流則受環電流區粒子注入的控制,緩慢增加,這一時間上的延遲導致了II區場向電流對I區場向電流的屏蔽不足,使得高緯電場可以直接穿透到中低緯電離層,通常稱之為穿透電場[4]。電離層發電機主要由中性風驅動,是低緯電離層電場的主要來源。磁暴期間,極區增強的電離層對流電場和電導率引起焦耳加熱增強,使熱層大氣加熱膨脹上升并形成強的朝赤道風,引起低緯電離層中的風發電機電場增強[10]。擾動風發電機電場相對于暴時極區的能量輸入通常有數小時的滯后,而暴時行星際電場向低緯電離層的穿透幾乎沒有時間延遲,因此穿透電場對磁暴主相初期的低緯電離層響應起著至關重要的作用。

自1968年Nishida首次表明行星際電場能穿透到赤道電離層后[11],行星際電場穿透及其電離層效應一直是人們關注的一個重要課題。通過觀測數據和數值模擬,人們對行星際電場穿透及其電離層效應進行了廣泛的研究[12-15],并在關于行星際電場穿透觀測證據的尋找以及物理過程的模擬方面取得了重大進展。而最近幾年來,關于行星際電場穿透的研究焦點主要集中在穿透效率、穿透持續時間、以及穿透與地方時之間的依賴關系等問題上。Huang et al.[16]等人在定義穿透效率為赤道電離層電場變化與行星際電場變化的比值基礎上,利用Jicamaca非相干散射雷達向日面觀測數據,利用73個磁暴事件做統計分析發現行星際電場穿透持續時間為幾個小時,穿透效率為9.6%;Burke[17]利用Volland-Stern模式預測2002年4月磁暴期間的穿透電場,并得到穿透效率為11.9%;魏勇等人[18]利用數值模擬的方法研究發現在不考慮極蓋電勢飽和的情況下,赤道電場增量與行星際電場增量呈線性關系;在恒定重聯線長度L的限定下,穿透效率具有明顯的地方時依賴性;Kelley and Dao[19]利用2003年11月磁暴期間Jicamarca觀測數據研究發現,在地方時21點到04點之間行星際電場與穿透電場呈現反相關特性,而在其他地方時扇區行星際電場與穿透電場呈現正相關特性。

利用Geotail衛星和華衛一號(ROCSAT-1)衛星觀測數據,首先分析了2000年7月15-16日超強磁暴期間行星際穿透電場的特征,包括穿透效率、穿透持續時間、以及穿透與地方時之間的依賴關系;然后,聯合利用ROCSAT-1衛星、美國國防氣象衛星計劃(DMSP)衛星和全球定位系統/電離層總電子含量(GPS/TEC)等觀測數據,簡單描述了此次超強磁暴期間低緯電離層響應。

2.磁暴事件描述和數據

由于太陽耀斑和日冕物質拋射(CME),以及在此之后發生的行星際激波和磁云的作用,2000年7月15-16日發生了一次超強磁暴[20]。圖1給出了此次超強磁暴期間Dst指數隨時間的變化。從圖1可以看出,磁暴的急始出現在 2000年7月 15日16∶00UT,同日22∶00UT左右Dst指數急劇下降到-289nT,并于16日01∶00UT左右達到主相極大,Dst指數最小值為-301nT,隨后磁暴進入恢復相。

圖1 2000年7月15～18日期間Dst指數隨時間的變化

文中用于分析行星際電場的太陽風和行星際磁場數據來自Geotail衛星的測量,在 2000年7月15～16日磁暴期間,Geotail衛星恰巧位于近地太陽風中(X≈25RE)。利用行星際磁場和太陽風數據,根據E=-V×B可計算得到行星際電場。

此外,文中用于計算赤道F區緯向電場的數據來自ROCSAT-1衛星IPEI(Ionospheric Plasma and Electrodynamics Probe Instrument)儀器測量的等離子體漂移[21]。其中,ROCSAT-1衛星軌道為圓形軌道,軌道范圍是地理北緯35°～南緯35°;軌道高度約為600 km,軌道周期約為97分鐘,每天繞地球飛行約15次[22]。利用ROCSAT-1衛星測量數據,將暴時垂直于磁場的等離子體向上漂移減去平靜時的背景,可計算得到磁暴期間垂直于磁場的等離子體漂移變化,由此可得到赤道區緯向電場的變化,其中平靜時背景垂直漂移利用統計分析的方法計算得到。

3.分析結果

3.1 行星際電場穿透到低緯電離層

圖2(a)所示為Geotail衛星測量行星際磁場Bz分量和太陽風速度數據,圖2(b)所示為利用Geotail衛星測量的行星際磁場和太陽風觀測數據計算得到的行星際電場隨時間的變化。從圖中可以清楚地看出,在2000年7月15日19∶00UT后,行星際磁場變為南向,并急劇下降,在 20∶00UT附近下降到-60nT;同時,由圖2(b)可見行星際電場晨昏分量迅速增強,最大達到60 mV/m。

圖3所示為2000年7月超強磁暴主相期間赤道區頂部電離層離子向上漂移速度的暴時變化(即緯向電場的暴時變化,δV⊥)在幾個連續的軌道上隨地方時的變化。由圖3(a)可以清楚地看出,在行星際電場晨昏分量迅速增強的時段,ROCSAT-1衛星在低緯電離層幾乎即時地觀測到垂直于磁場的離子向上漂移速度增強達300 m/s以上,相當于約7～8 mV/m的東向電場(即120 m/s對應于3 mV/m[23])。

為了能發現行星際電場晨昏分量與等離子體垂直漂移的關系,我們將離子向上漂移速度的暴時變化按地方時和緯度進行了分組。將地方時從0到24小時分成了48組,間隔為0.5小時;將地理緯度分成了 3 組,分別為 30°S ～ 10°S 、10°S ～ 10°N 和10°N～30°N。然后,我們將一個軌道上落在相同網格的數據進行平均。由于ROCSAT-1衛星每天繞地球約15次,經過這樣處理后,可以得到每個網格上離子向上漂移速度的暴時變化的時間(軌道)序列。此外,也可計算得到行星際電場隨時間變化的序列(以軌道數表征時間,軌道周期約97分鐘)。圖4和圖5所示為2000年7月15～16日超強磁暴期間行星際電場晨昏分量Ey和離子向上漂移速度的暴時變化δV⊥在正午和黃昏扇區隨軌道數(Norbit)的變化。

圖3 2000年7月15日頂部電離層600 km高度ROCSAT-1觀測到的幾個連續軌道上離子向上漂移速度的暴時變化隨地方時LT的變化

從圖4可知,在正午扇區第12～14軌道期間(對應于7月15號 18∶00UT～21∶00UT)離子向上漂移的暴時變化與晨昏向行星際電場的變化趨勢一致,表征行星際電場穿透到低緯電離層,且持續時間達3個多小時;行星際晨昏電場增強60 mV/m引起低緯電離層離子向上漂移速度增大300 m/s以上,其穿透效率約為13%。圖5表明,在黃昏扇區第13～15軌道期間(即 7月15號19∶30UT～22∶30UT)也存在行星際電場穿透,穿透效率約為19%,比正午扇區穿透效率略高。

圖6所示為磁暴主相期間10∶30～13∶30LT扇區內行星際晨昏電場與低緯電離層離子向上漂移速度的暴時變化δV⊥的散點圖。由圖6可見,行星際晨昏電場與電離層東向電場之間存在很好的相關性,相關系數約為80%。此外,由圖6中擬合出來的直線的斜率,根據文獻[23]中提到的低緯地區120 m/s漂移約等于3 mV/m的電場,可推算出穿透效率約為13.5%。

圖7所示為午夜前扇區第13～15軌道期間(即 7月15號19∶30UT～22∶30UT)增強的行星際晨昏電場引起低緯電離層離子向下漂移,這與文獻[19]中的結論一致。從圖7可以看出,離子漂移速度相比平靜期變化達500 m/s,其穿透效率約為30%。

圖7 午夜前扇區行星際晨昏電場(虛線)與低緯電離層離子向上漂移暴時變化(實線)隨軌道的變化。

3.2 電離層響應

磁暴期間,低緯電離層發生劇烈變化。下面我們根據ROCSAT-1衛星、DMSP衛星和GPS/TEC觀測數據,簡要描述2000年7月超強磁暴期間低緯電離層響應。

首先,利用ROCSAT-1/IPEI觀測數據,分析了離子密度的暴時變化(δNi)。圖8所示為赤道異常的初始上漲。在2000年7月15日20∶30～20∶40UT磁暴主相早期,由于增強的穿透電場作用,600 km附近急劇增長的離子密度形成了雙峰結構,其谷位于美洲扇區赤道附近;雙峰位置分別位于(17.5°N,298°E)和 (7.5°S,329°E),且雙峰位置處離子密度的變化幅度分別為 1.2×1012m-3和1.8×1012m-3.

圖8 赤道異常的初始上漲,圖中曲線分別表示 δN i(實線)、LT(虛線)和磁緯θm(點劃線)隨UT的變化

圖9 所示為主相期間(2000年7月15日22∶00UT附近)ROCSAT-1/IPEI在美洲扇區測量到的離子密度的急劇上漲,由圖可以看出赤道異常明顯增強,北半球峰的位置向高緯擴展,其緯度為 21.2°N,離子密度變化幅度為 2.3×1012m-3,增長幅度約為390%。圖10所示為2000年7月15日22∶16UT時刻GPS/TEC觀測結果,顯示美洲扇區黃昏附近的中緯度電離層發生SED現象,GPS/TEC觀測結果證明了磁暴主相期間北半球離子密度峰向高緯的擴展。

圖9 磁暴主相期間在美洲扇區由ROCSAT-1/IPEI觀測的離子密度的急劇增長,其他與圖8相同

另外,我們也分析了2000年7月超強磁暴期間DMSP F-15衛星所觀測的離子密度數據。圖11所示為在夜晚扇區幾個連續軌道上由DMSP衛星觀測的磁暴主相期間低緯頂部電離層離子密度(Ni),其中DMSP衛星所處地方時為21∶45LT,過赤道經度為318°E,高度為850 km。圖11可清楚地看出緯度范圍大大擴展的電子密度深度耗空的赤道區等離子體槽。

圖11 在夜晚扇區幾個連續軌道上由DMSP衛星觀測的磁暴主相期間低緯頂部電離層離子密度。其中幾個軌道對應的時間為20∶39～ 21∶02UT(細實線),22∶19～ 22∶43UT(虛線),23∶59～00∶28UT(粗實線)

4.結 論

2000年 7月 15～16日超強磁暴(min.Dst＜-300 nT)期間,Geotail衛星位于近地太陽風中,由Geotail衛星觀測的太陽風和行星際數據計算得到,磁暴主相期間晨昏向行星際電場增強達60 mV/m,與此同時,ROCSAT-1衛星在低緯電離層中幾乎即時地觀測到垂直于磁場的離子向上漂移速度達300 m/s以上(約相當于7～8 mV/m的東向電場),表征行星際電場穿透至低緯電離層。其中,在正午和黃昏扇區穿透電場為東向,引起低緯電離層離子向上漂移,穿透效率約為13～19%;而在午夜前扇區,穿透電場極性相反,使離子向下漂移,穿透效率高達30%。分析表明,此次磁暴期間,行星際電場穿透持續時間達3小時以上。

磁暴期間,低緯電離層發生劇烈變化。ROCSAT-1衛星觀測到暴時離子密度變化呈現較復雜的圖像,主相期間,ROCSAT-1/IPEI在美洲扇區測量到的離子密度的急劇上漲,赤道異常明顯增強,北半球峰的位置向高緯擴展到21.2°N,其離子密度變化幅度為2.3×1012m-3,增長幅度約為390%。同時,GPS/TEC觀測顯示美洲扇區黃昏附近的中緯度電離層發生SED現象,DMSP衛星觀測到緯度范圍大大擴展的電子密度深度耗空的赤道區等離子體槽。

[1] KELLEY M C.The Earth's ionosphere Plasma Physics and Electrodynamics[C]//Academic Press,Inc.San Diego,Calif.,1989.

[2] FEJERB G.Low latitude storm time ionospheric electrodynamics[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics,2002,64(12):1401-1408.

[3] RICHMOND A D,LU G.Upper-atmospheric effects of magnetic storms:a brief tutorial[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics,2000,62(12):1115-1127.

[4] HUANG CS,SAZYKIN S,SPIRO R,et al.Storm-time penetration electric fields and their effects[J].EOS,2006,87(13):131.doi:10.1029/2006EO130005

[5] HUANG C S.Global characteristics of ionospheric electric fields and disturbances during the first hours of magnetic storms[J].Advances in Space Research,2008,41(4):527-538.

[6] RICHMOND A D.Modeling equatorial ionospheric electric fields[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics,1995,57(10):1103-1115.

[7] BASU S,GROVESK M,YEH H C,et al,Response of the equatorial ionosphere in the South Atlantic region to the great magnetic storm of July 15,2000[J].Geophys.Res.Lett.,2001,28(18):3577-3580.

[8] GREENSPAN M E,RASMUSSEN C E,BURKE W J,et al.Equatorial density depletions observed at 840km during the great magnetic storm of march 1989[J].Journal of Geophysical Research,1991,96(A8):13931-13942.

[9] COSTER A,FOSTER J C,ERICKSON P.Monitoring the ionosphere with SPS:Space Weather[C]//PS World,2003,14:40.

[10] FULLER-ROWELL T J,CODRESCU M V,ROBLE R G,et al.How does the thermosphere ionosphere react to a geomagnetic storm[C]//Magnetic storms,Geophys.Monograph.Washington DC:A-merican Geophysical Union,1998:203-225.

[11] NISHIDA A.Coherenceof geomagnetic DP2 fluctuations with interplanetary magnetic variations[J].Journal of Geophysical Research,1968,73(17):5549-5559.

[12] FEJER B G,KELLEY M C,SENIOR C,et al.Low-and mid-latitude ionospheric electric fields during the January 1984 GISMOScampaign[J].J.Geophys.Res.,1990,95(A 3):2367-2377.

[13] HUANG C-S,FOSTER J C.Variations of midlatitude ionospheric plasma density in response to an interplanetary shock[J].Geophys.Res.Lett.,2001,28(23):4425-4428.

[14] HUBA JD,JOYCE G,SAZYKIN S,et al.Simulation study of penetration electric field effects on the low-to mid-latitude ionosphere[J].Geophys.Res.Lett.,2005,32(24):L23101.doi:10.1029/2005GL024162.

[15] Maruyama N,Richmond A D,Fuller-Rowell T J,et al.Interaction between direct penetration and disturbance dynamo electric fields in the storm-time equatorial ionosphere[J].Geophys.Res.Lett.,2005,32(17),L17105.doi:10.1029/2005GL023763.

[16] HUANG CS.SAZYKIN S,CHAU J L.Penetration electric fields:Efficiency and characteristic time scale[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics,2007,69(10-11):1135-1146.

[17] BURKE W J.Penetration electric fields:a Volland-Stern approach[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics,2007,69(10-11):1114-1126.

[18] 魏 勇,洪明華,萬衛星,等.行星際-赤道電場穿透效率的數值模擬研究[J].地球物理學報,2008,51(5):1279-1284.

WEI Yong,HONG Minghua,WAN Weixing,et al.A modeling study of interplanetary-equatorial electric field penetration efficiency[J].Chinese J.Geophys.,2008,51(5):1279-1284.(in Chinese)

[19] KELLEY M C and DAO E.On the local time dependence of the penetration of solar-induced electric fields to the magnetic equator[J].Ann.Geophys.,2009,27(8):3027-3030.

[20] SMITH C W,NESSN F,BURLAGA L F,et al.ACE observations of the Bastilleday 2000 interplanetary disturbances,Solar Physics,2001,204(1/2):229-254.

[21] YEH H C,SU SY,YEH Y C,et al.Scientific Mission of the IPEI Payload Onboard ROCSAT-1[D].TAO,Supplementary Issue,March 1999:19-42.

[22] FEJER B G,JENSEN J W and SU S-Y.Quiet time equatorial F region vertical plasmadrift model derived from ROCSAT-1 observations[J].J.Geophys.Res.,2008,113(A5):A05304.doi:10.1029/2007JA 012801.

[23] KELLEY M C,ILMA R R,and CROWLEY G.On the origin of pre-reversal enhancement of the zonal equatorial electric field[J].Ann.Geophys.,2009,27(5):2053-2056.

[24] KELLEY M C and VLASOV N V.Aquan-titative explanation for the phenomenon known as storm-enhanced density[J].Geophys.Res.Letters,2004,31:L19809.doi:10.1029/2004 GL020875.