極隙區緯度Pc1-2波的統計分布特征

邱奕婷 劉勇華 趙浩峰

（1南京信息工程大學，江蘇 南京210044；2中國極地研究中心，上海200136）

0 引言

相較于中低緯度，在高緯地區尤其是在極隙區附近，超低頻（ULF）波，也稱地磁脈動或地磁微脈動，非?；钴S。這些波動事件的發生往往與當時的磁層活動情況，如極區磁暴、亞暴、極光、磁層內帶電粒子的能量通量變化，以及太陽風特性和太陽活動等一系列相關現象有密切關系。研究極區超低頻波現象可以獲得極區空間電磁環境的大量信息，對進一步研究磁層物理和極地空間環境有重要價值。

超低頻波的一個重要分支是Pc1-2波（0.1—5 Hz）。這是一種電磁離子回旋波，由離子回旋不穩定性激發，其頻率接近離子回旋頻率［1-2］。在地面，尤其是在高緯極隙區觀測到的Pc1-2波具有豐富形態，根據是否出現重復的珠型結構可將Pc1-2波分為結構型和非結構型兩種［3-5］。有研究顯示，結構型Pc1-2波常在中低緯出現，而非結構型Pc1-2波則主要出現在高緯地區［3，6-9］。

盡管在地球磁層的閉合磁力線上觀測到許多Pc1-2波，它們由從磁尾向日對流的環電流或等離子體片離子驅動，但一些高緯觀測臺站的觀測結果顯示 Pc1-2波或與極隙區有關［4，10-13］。Bolshakova等［14］利用在63°—85°地磁緯度范圍的 6個地面臺站的數據進行統計，結果表明當極隙區的赤道向邊界非常接近觀測點的時候，Pc1-2波的發生率有最大值。此時的場線是穿過磁鞘和極隙區的，于是他們推測Pc1-2波在日側的磁鞘區域產生。

雖然國外一些學者對Pc1-2波的季節、磁地方時、頻率和振幅變化已經做過相關研究，如Kuwashima等統計了1977—1979年南極低緯和高緯兩個臺站Memambetsu和Syowa的Pc1波事件，發現在高緯臺站Pc1波集中發生在日側，且在磁中午（～13 MLT）向后1 h左右有最大值，它最常被觀測到的時候為春秋季，Syowa站Pc1波的平均頻率峰值在0.3—0.4 Hz左右，但是文中并沒有涉及振幅隨磁地方時和季節的變化情況。Anderson等對1990年南極點站（South Pole）和麥克默多站 （McMurdo）以及1988年麥克默多站和Sondrestromfjord的磁流體（HM）哨聲（Pc1-2波的一種）數據進行了研究，結果顯示這3個高緯臺站的磁流體哨聲也明顯地發生在日側靠近磁中午的時候，不過由于數據的不完整或缺失，他們從可用的數據中統計發現磁流體哨聲發生率在2、3月份有最大值，同時他們也并沒有研究Pc1-2波的頻率和振幅變化情況［15-16］。

中國南極中山站（69.37°S，76.38°E）的建立為我們研究高緯地區地磁與高空大氣物理創造了極好的條件，它與澳大利亞南極戴維斯站（68.58°S，77.97°E）的直線距離約120 km，同位于磁層極隙區緯度，兩站均安裝了相同的感應式磁力計，可組成短基線研究空間ULF波，數據記錄在磁盤，精度可達1 ms［17］。

目前，國內關于中山站Pc1-2波的傳播特性的相關研究，尤其是頻率和振幅方面的研究非常少。這里我們利用動態譜和互譜分析方法，分析南極中山站和戴維斯站觀測的感應式磁力計數據，研究Pc1-2波的特性包括其頻次、振幅和頻率等波參數的時空變化特征，可以進一步深入了解極隙區緯度Pc1-2波的傳播特性。

1 數據及分析方法

我們選取南極中山站和戴維斯站2004年3、6、9和12月共4個月觀測的感應式磁力計數據（數據分別來自中國第20次南極科學考察隊和澳大利亞南極考察隊）分析Pc1-2波現象。文中數據處理包括數據的格式轉化和譜分析。兩站的感應式磁力計輸出為二進制文件，包括南北（H）和東西（D）兩個分量，可通過軟件編程將其轉換為ASCII碼文件。完成格式轉換后，采用256點漢寧窗函數，對數據進行動態譜分析來選擇Pc1-2波事件（圖1），當動態譜圖中0.1—5 Hz頻帶信號明顯增強且持續30 min以上時，就初步判斷為有效Pc1-2波事件發生了，且所選事件為兩站同時發生的事件。事實上，對比兩站的Pc1-2波事件之后我們發現Pc1-2波在兩站都能被同時觀測到。然后對相應的時間段數據進行互譜分析，將頻率設定在0.1—5 Hz，當最大振幅大于3倍的背景平均振幅值，且最大振幅大于0.01 nT2Hz時，就獲得一個有效的波事件。

圖1 中山站（a）和戴維斯站（b）2004年3月9日10：45—14：45 UT的Pc1-2波動態譜：H分量（上幀）和D分量（下幀）Fig.1.The dynamic spectrum of Pc1-2 waves during 10：45—14：45 UT，9 March，2004 at Zhongshan Station（a）and Davis Station（b）：H component（upper panel）and D component（lower panel）

圖1是2004年3月9日10：45—14：45 UT南極中山站和戴維斯站觀測的Pc1-2波的動態譜。從圖中可以看出在該事件中波的頻率范圍在0.1—0.35 Hz之間，屬于Pc1-2波，且該事件持續了近4小時左右。觀察所有波事件的動態譜（文中以3月9日的波事件為例）可發現圖中動態譜并沒有表現出“珠型”結構，也印證了在高緯地區出現的主要為非結構型Pc1-2波。

圖2為以 2004年 3月9日10：45—10：51 UT為例的兩站波事件原始數據記錄和相應的經濾波處理后的波形。從圖中也可看出，兩站的數據波形非常相似，濾波后波形周期在4—6 s左右，處在Pc1-2波的頻段范圍（0.2—10 s）。

圖2 中山站（a）和戴維斯站（b）感應式磁力計數據：H分量原始記錄（第1幀，從上到下）、濾波后的H分量（第2幀）、D分量原始記錄（第3幀）和濾波后的D分量（第4幀）Fig.2.The data from the inductionmagnetometer at Zhongshan Station（a）and Davis Station（b）：The original data（the first panel）and the filtered data（the second panel）on H component，the original data（the third panel）and the filtered data（the forth panel）on D component

我們選擇互譜振幅最大值對應頻率為在兩站傳播的波動的最相關頻率即中心頻率，對應的互譜相位為該頻率波動在兩站之間傳播的相位差［18］。

最后，統計事件的頻率和振幅的季節變化和磁地方時變化特征，將各天相同時段內的波事件的中心頻率和最大互譜振幅求平均值并按磁地方時排列，就得到了在兩站傳播的Pc1-2波的頻率和振幅日變化。將每個月內波事件的中心頻率和振幅求平均值并按季節順序排列則得到了Pc1-2波的頻率和振幅季節變化。

2 結果和分析

對南極中山站和戴維斯站2004年3、6、9和12月的感應式磁力計數據做上述處理后，共篩選獲得2 932個Pc1-2波事件，并獲得Pc1-2波的發生頻次、中心頻率和振幅的季節和磁地方時變化特征。

2.1 Pc1-2波頻次的季節和磁地方時變化

圖3（a）為這4個月的Pc1-2波事件的發生頻次統計，從圖中明顯可以看出在中山站-戴維斯站地區Pc1-2波發生頻次表現出顯著的季節變化。其中，在3月和9月觀測的波事件較多，分別觀測到1 506和768個事件，各占51.4%和26.2%；12月次之，為 546個，占 18.6%；6月最少，為 112個，占3.8%。

圖3（b）給出了這4個月的Pc1-2波事件的磁地方時變化統計。在南極中山站和戴維斯站，磁地方時MLT≈UT＋2 h。從圖中可以看出，在中山站和戴維斯站，Pc1-2波一般分布在0400—1500 UT這個范圍，且主要分布在午前（0800—1000 UT）靠近磁中午附近，有部分事件分布在晨側 （0400—0700 UT）和午后 （1100—1500 UT）。

2.2 Pc1-2波頻率的季節和磁地方時變化

圖4為Pc1-2波的平均中心頻率的季節變化和磁地方時變化分布。從這些結果可以看出，Pc1-2波在6月（南極冬季）的平均中心頻率最大，且在午后靠近磁中午附近的平均中心頻率比午前的大。

Y1的模型回歸方程為：Y1=-21405.4+2460.99x1+1021.11x2+227.592x3-193.636x12-7.40594x22-0.868309x32-157.577x1x2+5.18425x1x3-3.37819x2x3。

2.3 Pc1-2波振幅的季節和磁地方時變化

圖5為Pc1-2波的振幅季節變化和磁地方時變化分布。從這些結果可以看出，Pc1-2波的平均振幅在6月份最小，在10 MLT（0800 UT）出現最大值。

圖3 2004年Pc1-2波事件發生頻次的季節變化（左幀）和磁地方時變化（右幀）Fig.3.The variation of the Pc1-2 waves occurrencewith respect to the season（leftpanel）and themagnetic local time（rightpanel）in 2004

圖4 Pc1-2波的平均中心頻率季節變化（左幀）和磁地方時變化（右幀）分布Fig.4.The season（the left panel）and themagnetic local time（the right panel）variation of the average center frequency of the Pc1-2 waves

圖5 Pc1-2波的振幅季節變化（左幀）和磁地方時變化（右幀）分布Fig.5.The season（the left panel）and themagnetic local time（the right panel）variation of the amplitude of the Pc1-2 waves

3 討論

我們選取南極中山站和戴維斯站在2004年3、6、9和12月同時觀測的感應式磁力計數據，分別考察極隙區緯度Pc1-2波在南極秋、冬、春、夏四季的活動特征，獲得了南極中山站-戴維斯站地區Pc1-2波發生頻次、波頻率和振幅的季節和地方時變化。

圖3左幀示出的Pc1-2波的季節分布特征，有兩個明顯的特點，一是南極冬季（6月）Pc1-2波的發生率很低，僅為3.8%，二是春秋季發生率高，分別達51.4%和26.2%，兩者相加達77.6%。這些結果與Kuwashima等［18］的結論一致，他們通過地面觀測也得出Pc1-2波事件在高緯地區春秋季出現頻率較高，認為出現這種現象的原因可能與電離層電導率的變化有關，6月份南極缺少光照，電離程度低，電離層電導率小，不利于Pc1-2波的傳播［15］，故Pc1-2波事件在6月份較少。Natsuo Sato等［19］對非結構型Pc1-2波在極光帶地磁共軛臺站的季節和日變化發生率特性也進行過研究，結果顯示在地面臺站觀測到的非結構型Pc1-2波強烈地受到電離層頂日光效應的控制。在南北半球，光照可能會引起波從磁層通過電離層向地面傳播的不對稱性，在日光照射的半球，由于電離層電子密度的增加，會產生沿地磁場線的電子密度梯度，且在夏季電子密度梯度增加，從而為Pc1-2波的產生和傳播創造條件。但是，這只能解釋南極冬季比夏季觀測的Pc1-2波少，而不能解釋南極春秋季具有最高的Pc1-2波發生率，因為一般來說春秋季電離層的電導率會明顯小于夏季。Pc1-2波主要發生在春秋季，這與地磁擾動在春秋季明顯增加的特點一致，說明Pc1-2波的發生與磁層磁場擾動程度具有一定的相關性。一般認為，地磁擾動水平在春秋季增強，是由于地磁偶極軸對黃道面傾斜，磁層磁場與太陽風磁場的夾角隨地球公轉而變化，結果在春秋季節更加容易觸發太陽風磁層之間的磁重聯，導致磁層磁場擾動增加，此即所謂Russell-McPherron效應［20］。而地磁活動的半年變化與地球磁偶極軸傾角 （dipole tilt angle）有關，Ables等［21-22］對 2008年斯科特站 （Scott Base）和凱西站（Casey）的Pc1-2波數據進行了研究，他們的圖1所示結果也說明了Pc1-2波在春秋季有最大發生率，且出現的時間在由地球磁偶極軸傾角引起的行星際磁場（IMF）的最大地磁效應附近，也就是Russell-McPherron效應的表現，地球磁偶極軸傾角在春秋季比在冬夏季要小，這再一次說明了日側磁重聯對Pc1-2波產生機制的重要性。Feygin和Kerttula等［23-24］對 Pc1-2波的研究中也指出，Pc1波的動態變化很可能是由與地磁活動的發展相關的波動源區位置的徑向發展造成的。

另一方面，根據圖3右幀所示結果，Pc1-2波發生率在磁中午附近呈現峰值，這可能是由于在磁中午兩站正處于軟電子沉降區，電離層的電導率大，有利于Pc1-2波的傳播，從而使Pc1-2波在靠近磁中午附近發生較多［25］。我們注意到，在中山站地區觀測的Pc1-2波，主要發生在日側，在夜側基本消失。這可能與我們選取波事件的要求有關，即波動持續30 min及以上，從而使得我們獲得的Pc1-2波事件非常典型。這可能排除了夜側與磁暴、亞暴活動有關的Pc1-2波事件。這些長時間持續發生的Pc1-2波主要發生在日側，尤其是磁中午附近，表明其源區在磁中午附近。中山站地處極隙區緯度，L～14，靠近磁層頂。在白天，由于太陽風的壓縮，外磁層沿磁力線的磁場強度分布已經不同于內磁層，其極小值已經遠離赤道，在南北半球高緯區域形成了兩個磁場極小值區域。該結構可以捕獲能量離子，從而形成Pc1-2波的激發源區［26］，其中心位置就在磁中午附近。同時，日側磁層容易受到太陽風的壓縮，這會增加被壓縮區域等離子體的溫度各項異性，從而增加 Pc1-2波發生的機會［27］。

圖4和圖5顯示，中山站-戴維斯站地區Pc1-2波的平均頻率在冬季（6月）最大，而其平均振幅在冬季最小，這又是由于受到了電離層電導率的影響。如上所述，這些Pc1-2波起源于磁層尤其是磁中午附近。當它們向下傳播到電離層時，將發生模式轉換并繼續在電離層峰值電子濃度附近形成的波導中水平傳播［28-29］。受電離層波導結構的影響，Pc1-2波在電離層中傳播時將受到最低截止頻率限制，即波頻率低于一定值時，Pc1-2波不能在電離層中傳播［30］。而且，研究表明，該最低截止頻率與電離層電子濃度成反比［31］。在南極中山站-戴維斯站地區，冬季處于極夜，缺少太陽光照射，電離層電子濃度低，電導率低，因而Pc1-2波的截止頻率高，所以觀測到的Pc1-2波平均頻率高。

Kim等［32］對高緯電離層波導中Pc1-2波的傳播特性進行了統計研究，他們指出Pc1-2波的頻率變化在很大程度上依賴于電離層電導率，且波的能量衰減隨著頻率的增加而增加，因為波的能量衰減跟碰撞頻率有關。這也就解釋了在冬季Pc1-2波頻率增加（圖 4）而振幅減?。▓D 5）。同時，Yahnin等［33］在北半球Sodankyla的地面觀測中也指出Pc1波的頻率在夏季有最小值，這與本文圖4的結論也是一致的，即在南半球中山站和戴維斯站Pc1-2波的頻率在冬季有最大值。這是因為相對于較低頻率，較高頻率的波其波長變小，從而會更易受到波導的限制，因此波的傳播對波導邊界的尺度更敏感，而波導的物理尺度是受電離層的日照條件影響的。因此，冬季受日照影響小，Pc1-2波傳播的頻率要高于夏季的Pc1-2波頻率。

4 結論

本文利用南極中山站和戴維斯站的感應式磁力計測得的2004年3、6、9、12月的數據，對極隙區緯度Pc1-2波事件進行了統計分析，經篩選，共得到2 932個事件。主要結果如下：

（1）在中山站和戴維斯站，Pc1-2波事件出現在3、9月較多，分別有1 506和768個，各占51.4%和26.2%；12月次之，為 546個，占 18.6%；6月最少，為112個，占3.8%；

（2）Pc1-2波主要出現在午前（0800—1000 UT）靠近磁中午附近，有部分事件出現在晨側和午后；

（3）Pc1-2波在6月（南極冬季）的平均中心頻率最大，且在午后靠近磁中午附近的平均中心頻率比午前的大；

（4）Pc1-2波的平均振幅在6月份最小，在10 MLT（0800 UT）出現最大值。

這些結果表明，極隙區緯度的Pc1-2波在很大程度上受極區季節變化和電離層電導率的影響。

1 Cornwall JM.Cyclotron instabilities and electromagnetic emission in the ultra-low frequency and very low frequency ranges.Journal of Geophysical Research，1965，70（1）：61—69.

2 Fraser B J，Nguyen T S.Is the plasma pause a preferred source region of electromagnetic ion cyclotron waves in themagnetosphere.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2001，63（11）：1225—1247.

3 Fukunishi H，Toya T，Koike K，etal.Classification of hydromagnetic emissions based on frequency-time spectra.Journal of Geophysical Research，1981，86（A11）：9029—9039.

4 Menk FW，Fraser B J，Hansen H J，etal.Identification of themagnetospheric cusp and cleftusing Pc 1-2 ULF pulsations.Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics，1992，54（7-8）：1021—1042.

5 Menk FW，Fraser B J，Hansen H J，et al.Multistation observations of Pc1-2 ULF pulsations in the vicinity of the polar cusp.Journal of Geomagnetism and Geoelectricity，1993，45（10）：1159—1173.

6 Fraser-Smith A C.Some statistics on Pc1 geomagneticmicropulsation occurrence atmiddle latitudes：inverse relation with sunspot cycle and semi-annual period.Journal of Geophysical Research，1970，75（25）：4735—4745.

7 Saito T.Geomagnetic pulsations.Space Science Reviews，1969，10（3）：319—412.

8 Gendrin R E，Troitskaya V A.Preliminary results of amicropulsation experimentat conjugate points.Radio Science，1965，69（8）：1107—1116.

9 Mursula K，Kangas J，Pikkarainen T.Properties of structured and unstructured Pc1 pulsations at high latitudes：variation over the 21st solar cycle.SolarWind Sources of Magnetospheric Ultra-Low-Frequency Waves，Geophysical Monograph Series，1994，81：409—415.

10 Kangas J，Guglielmi A，Pokhotelov O.Morphology and physics of short-period magnetic pulsations-a review.Space Science Reviews，1998，83（3-4）：435—512.

11 Fraser B J，Loto’aniu TM，Singer H J.Electromagnetic ioncyclotron waves in themagnetosphere／／Takahashi K，Chi P J，Denton R E，et al.Magnetospheric ULFWaves：Synthesis and New Directions.Geophysical Monograph Series.Washington：AGU，2006，169：195—212.

12 Dyrud L P，Engebretson M J，Posch JL，et al.Ground observations and possible source regions of two types of Pc 1-2 micropulsations at very high latitudes.Journal of Geophysical Research，1997，102（A12）：27011—27027.

13 Engebretson M J，Moen J，Posch JL，etal.Searching for ULF signatures of the cusp：observations from search coilmagnetometers and auroral imagers in Svalbard.Journal of Geophysical Research，2009，114（A6）：A06217.

14 Bolshakova O V，Troitskaya V A，Ivanov K G.High-latitude Pc1-2 geomagnetic pulsations and their connection with location of the dayside polar cusp.Planetary and Space Science，1980，28（1）：1—7.

15 Kuwashima M，Toya T，Kawamura M，etal.Comparative study ofmagnetic Pc1 pulsations between low latitudes and high latitudes：statistical study.National Institute Polar Research Memoirs，1981，18：101—117.

16 Anderson H M，Engebretson M J，Arnoldy R L，etal.Statistical study of hydromagnetic chorus events at very high latitudes.Journal of Geophysical Research，1995，100（A3）：3681—3692.

17 Fraser B J，McNabb PW，Menk FW，et al.A personal computer inductionmagnetometer system for recording geomagnetic pulsation.ANARE Re-search Notes，1991.

18 劉勇華，劉瑞源，楊少峰，等.極隙區Pc3頻段脈動的傳播特性.極地研究，2000，12（2）：121—128.

19 Sato N，Saemundsson T.Unstructured Pc1-2 pulsations observed at geomagnetically conjugate stations in the auroral zone.Journal of Geomagnetism and Geoelectricity，1990，42（5）：653—662.

20 Russell C T，McPherron R L.Semiannual variation of geomagnetic activity.Journal of Geophysical Research，1973，78（1）：92—108.

21 Nowada M，Shue JH，Russell C T.Effects of dipole tiltangle on geomagnetic activity.Planetary and Space Science，2009，57（11）：1254—1259.

22 Ables S，Sciffer M，Fraser B J，etal.A study of polar cap Pc1-2：source locations and wave propagation／／Proceedings of the9th Australian Space Science Conference.2010：105—114.

23 Feygin F Z，Kleimenova N G，Pokhotelov O A，et al.Nonstationary pearl pulsations as a signature ofmagnetospheric disturbances.Annales Geophysicae，2000，18（5）：517—522.

24 Kerttula R，Mursula K，Pikkarainen T，et al.Effect ofmagnetic storm intensity on Pc1 activity at high and mid-latitudes.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2001，63（5）：503—511.

25 劉順林，賀龍松，劉瑞源.南極中山站冬季電離層的平均特性.極地研究，1997，9（3）：192—197.

26 Liu Y H，Fraser B J，Menk FW.Pc2 EMIC waves generated high off the equator in the dayside outermagnetosphere.Geophysical Research Letters，2012，39（17）：L17102，doi：10.1029／2012GL053082.

27 Anderson B J，Hamilton D C.Electromagnetic ion cyclotron waves stimulated by modestmagnetospheric compressions.Journal of Geophysical Research，1993，98（A7）：11369—11382.

28 Tepley L，Landshoff R K.Waveguide theory for ionospheric propagation of hydromagnetic emissions.Journal of Geophysical Research，1966，71（5）：1499—1504.

29 Lysak R L.Propagation of Alfvén waves through the ionosphere：dependence on ionospheric parameters.Journal of Geophysical Research，1999，104（A5）：10017—10030.

30 Greifinger C，Greifinger P S.Theory of hydromagnetic propagation in the ionospheric waveguide.Journal of Geophysical Research，1968，73（23）：7473—7490.

31 Manchester R N.An Investigation of the Propagation of Hydromagnetic Emissions away from Their Generation Latitude to Both High and Low Latitudes.Australia：University of Newcastle，NSW，1968：116.

32 Kim H，Lessard M R，Engebretson M J，etal.Statistical study of Pc1-2 wave propagation characteristics in the high-latitude ionospheric waveguide.Journal of Geophysical Research，2011，116（A7）：A07227，doi：10.1029／2010JA016355.

33 Yahnin A G，Yahnina T A，Demekhov A G，et al.Seasonal variations in the frequency of Pc1 geomagnetic pulsations and variations in the latitude of localized proton precipitations.Geomagnetizm and Aeronomiya，2004，44（3）：282—287.