磁暴期間OI 135.6 nm氣輝經緯及高度分布的變化特征*

李春來 呂建永 李婧媛

(南京信息工程大學大氣物理學院空間天氣研究所 南京 210044)

0 引言

地球大氣直接或間接吸收太陽能量后會被激發到較高的能級，從高能級躍遷至低能級時釋放出的微弱光輻射即為氣輝。對氣輝輻射特性的研究有助于推進對中高層大氣各種光化學和動力學過程的深入理解[1]。根據輻射波長的不同，氣輝可分為多種，例如紫外氣輝、可見氣輝、紅外氣輝等。按照國際通用的紫外波段劃分標準[2]，波長為100～200 nm的氣輝為遠紫外氣輝。遠紫外氣輝的輻射特性幾乎不受地表及邊界層大氣復雜背景的影響，被視為是中間層、低熱層和電離層物理化學過程及動力學過程信息的重要來源，已成為分析日地空間結構能量傳輸和轉換以及中高層大氣和電離層參量日常監測的重要手段[3]。自20世紀50年代以來，便有研究者開始利用衛星搭載成像光譜儀進行遠紫外氣輝輻射光學遙感探測[4]，并著手研究其觀測結果顯示出的分布特征，從而為監測電離層和中高層大氣變化奠定了理論基礎。OI 135.6 nm氣輝輻射是遠紫外氣輝中的典型光譜之一，是由氧原子發生（3s5S→2p43P）能級躍遷過程產生的二重態譜線，主要激發源為電離層中光電子與中性成分氧原子之間的碰撞以及光電子本身在傳輸過程中發生的多次散射[5]。目前有許多研究工作集中在利用OI 135.6 nm氣輝輻射反演電離層峰值電子密度NmF2和峰值高度hmF2或聯合N2LBH氣輝反演電離層氧氮柱密度比[O]/[N2]，從而對電離層狀態及變化規律進行監測和預報[6,7]。

在磁暴期間，太陽風能量被地球磁層捕獲，在極區通過焦耳加熱和粒子沉降的方式首先進入到極區高層大氣，進而沿著磁力線移動，與中低緯度大氣粒子相互作用，在全球熱層和電離層中產生一系列顯著影響。因此，氣輝輻射強度和輻射層高度在磁暴期間會隨著電離層的擾動而改變，同時氣輝輻射的變化也會影響此期間中高層大氣的恢復過程。研究磁暴期間的氣輝輻射變化，掌握其變化規律不僅有助于加深對暴時電離層-中高層大氣變化機制的理解，還有助于提高暴時電離層-中高層大氣光學遙感探測的精度，具有重要的科學意義和應用價值。對于磁暴期間氣輝變化的研究，目前已有大量結果。Zhang等[8]利用UARS上搭載的WINDII探測器觀測到OI 557.7 nm氣輝輻射在磁暴期間減弱，并且與高度及磁暴的相位有關。Sahai等[9]和Leonovich等[10]分別基于全天空氣輝成像儀和氣輝光度計的觀測發現磁暴期間氧原子的兩種氣輝輻射在低緯度地區無明顯變化、在中緯度地區明顯增強；而Mukherjee[11]和Ghodpage等[12]使用同種觀測資料發現磁暴期間同樣兩種氣輝輻射在中緯度地區無明顯變化，在低緯度地區明顯增強，這與Sahai等[9]和Leonovich等[10]的結論相反。Karan等[13]發現低緯度地區的OI 630.0 nm氣輝輻射在磁暴期間的變化情況會根據季節的不同而不同。而針對遠紫外氣輝的研究結果同樣豐富。Ishimoto等[14]和Tinsley等[15]報道了磁擾動時期遠紫外氣輝輻射在中低緯地區的增強。Stephan等[16]進一步表明氣輝輻射特征與Dst指數呈顯著的負相關關系，并指出這種現象是由環電流驅動的。DeMajistre等[17]首次在磁暴期間同時觀測了中低緯地區的遠紫外氣輝輻射強度和高能中性原子沉降，發現氣輝輻射的增強與高能中性原子沉降具有很好的相關性。Zhang等[18]研究了三次磁暴事件期間遠紫外氣輝輻射從亞極光緯度至赤道地區的增強，并利用IMAGE衛星上的HENA探測器觀測的高能粒子通量發現氣輝輻射的增強與高能粒子通量有很好的相關性，并將這種增強命名為中性粒子極光。Wang等[19]利用中國自主研發的FY-3 D衛星上的電離層光度計發現磁暴期間OI 135.6 nm氣輝輻射在中高緯區域內會迅速減弱。而Jiang 等[20]使用同種觀測資料并結合地面臺站數據表明磁暴期間OI 135.6 nm氣輝輻射在中低緯地區增強，并且認為電離層TEC增加是氣輝輻射增強的原因之一，此外還有高能中性原子沉降、相互中和發射等因素。Zhang等[21]發現行星際磁場也會對磁暴期間的遠紫外氣輝產生影響。綜上所述，可以發現對于遠紫外氣輝在磁暴期間的變化情況的研究仍在進行中，磁暴影響遠紫外氣輝的物理機制尚未被系統地認識，仍存在多種解釋。此外，目前的研究更多集中于磁暴期間遠紫外氣輝緯度分布上的變化，而在高度分布上鮮有涉及。考慮到氣輝的產生機制與海拔高度密切相關，且電離層具有明顯的高度分布特征，而這種特征在磁暴期間也有可能發生變化，可以認為研究磁暴期間遠紫外氣輝高度分布的變化情況是必要的。因此，本文研究了在2003年10月和11月連續兩次持續時間不同的特大磁暴期間OI 135.6 nm氣輝輻射強度的經緯度分布和緯度-高度分布的變化情況，并著重介紹了緯度-高度分布在磁暴期間出現的一個顯著變化，進而討論了產生這些變化的物理機制。

1 數據

研究所使用的遠紫外氣輝輻射強度數據來源于搭載在TIMED（Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energy and Dynamics）衛星上的全球紫外成像儀GUVI（Global Ultraviolet Imager）。TIMED衛星于2001年12月7日發射升空，其軌道高度約為625 km，軌道傾角約為74.1°，軌道周期約為96 min，即每24 h繞地球運動約14周。GUVI探測器是TIMED衛星上攜帶的4個科學載荷之一，主要用于觀測中間層至低熱層/電離層區域內波長為120～180 nm的遠紫外氣輝輻射，為掌握該區域中的物理化學反應及能量傳輸過程奠定基礎[22]。GUVI通過在穿軌方向上旋轉掃描鏡和在沿軌方向上隨衛星運動來完成對目標氣輝的觀測，并向地面提供HI 121.6 nm譜線, OI 130.4 nm譜線, OI 135.6 nm譜線，N2LBHs譜帶和N2LBHl譜帶5種特定波段氣輝的輻射強度數據，其中OI 135.6 nm譜線是遠紫外氣輝中的一條非常顯著的特征譜線，被認為是電離層/熱層遙感探測氧原子和電子密度的最佳氣輝輻射[23]。GUVI對氣輝的觀測分為天底（Disk）觀測和臨邊（Limb）觀測，其中天底觀測的范圍為從與天底方向成-60°夾角（靠近太陽方向）到與天底方向成67.2°夾角（遠離太陽方向），臨邊觀測的范圍為從與天底方向成67.2°夾角到與天底方向成80°夾角[24]。

GUVI發布的數據有L0, L1A, L1B, L1C, L2B,L3共6個級別，其中L1C級數據分離了GUVI原始數據中的天底數據和臨邊數據，包含了每個探測點的經緯度信息，并且將原始數據的單位 Count （光子計數）轉換為Rayleigh （亮度，定義為R），其中1R=4π×106cm-2·s-1·nm-1，這個過程修正了GUVI在觀測過程中的一些計數誤差和其他雜散光污染[25,26]。此外，相較于天底觀測而言，臨邊觀測的觀測天頂角更大，記錄了每個探測點的海拔高度信息，有助于研究氣輝高度分布的變化規律。基于以上因素，本文采用GUVI L1C級OI 135.6 nm臨邊觀測數據進行研究。

GUVI繞地球一周后，在沿軌方向產生408組L1C級臨邊觀測數據，每一組沿軌方向上的數據包含19個穿軌方向上的數據，即GUVI在沿軌方向上掃描408次，一次掃描會得到19個以不同觀測天頂角觀測的氣輝輻射強度。為避免研究結果被磁暴期間探測器受其影響而產生的暗計數、假計數、相近波段輻射重疊等不可用數據干擾，對每一次掃描，研究選取其產生的19個氣輝輻射強度的中值作為此次掃描的結果，即GUVI每繞地球一周取得408個結果。

2 OI 135.6 nm氣輝輻射強度在兩次磁暴期間的變化

利用GUVI數據研究2003年10月和11月兩次磁暴期間OI 135.6 nm氣輝輻射強度的經緯度分布及緯度-高度分布的變化情況。磁暴的強度以Dst指數表示** https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/index.html，兩次磁暴的Dst指數最低均低于-300 nT，10月的磁暴持續時間較長，而11月的較短。為盡量避免遺漏氣輝輻射強度的經緯度分布及緯度-高度分布在磁暴期間的變化情況中可能存在的提前或滯后效應，本文取10日作為一次磁暴的周期，即初相（含磁靜期和急始）3日、主相1—2日、恢復相5—6日，研究在這10日內經緯度分布和緯度-高度分布的變化情況。

2.1 2003年10月29日 特大磁暴

Dst指數低于-200 nT的磁暴被稱為特大磁暴。2003年10月29日發生了一次特大磁暴，其Dst指數最低達-357 nT。圖1給出了2003年10月26日至11月4日Dst指數的每小時變化情況。由圖1可知，此次磁暴的初相起始于2003年10月27日（第300日），主相從2003年10月29日（第302日）持續至31日（第304日），主相期間出現了兩次Dst指數明顯下降的過程。

圖1 2003年10月26日（第299日）至11月4日（第308日）Dst指數的變化情況Fig.1 Variation of the Dst index from 26 October(Day 299) to 4 November (Day 308) in 2003

圖2給出了2003年10月26日至11月4日期間OI 135.6 nm氣輝輻射強度的經緯度分布情況，其中網格點經度和緯度均以5°為間隔。為避免極光輻射的污染，緯度超過50°的區域被排除在外。由圖2可知，OI 135.6 nm氣輝輻射近似對稱分布在磁赤道兩側，緯度的升高向兩極逐漸減弱，形成雙峰結構，這體現了由電離層F層中E×B漂移引起的噴泉效應導致的電離層赤道異常。在磁暴初相，赤道附近的氣輝輻射強度已經出現了一定程度的增強，特別是10月28日（第301日），相較于磁靜期，30°W—10°E范圍內的增強從赤道附近向北一直延伸至中緯度地區，增幅在50%左右。在10月29日（第302日），隨著Dst指數的迅速下降，氣輝輻射強度在全球大部分范圍內都發生了顯著的增強。赤道附近至中低緯地區的增幅超過60%，部分高緯地區的增幅甚至超過100%，例如在130°—50°W，30°N以北的區域內輻射強度的增幅超過了400%；在130°—90°W和70°—130°E，10°—30°N的區域內輻射強度的增幅在160%左右；此外，在東半球30°S以南的區域內輻射強度也存在約120%的增強。在10月30日（第303日），Dst指數開始回升，但在18:00 UT后又迅速下降直至31日凌晨。因此，相較于10月29日和10月30日當天的氣輝輻射強度并不完全呈現減弱的趨勢，某些區域反而出現了增強，例如在170°—130°W，0°—30°N的區域內輻射強度出現了約80%的增強，但除了個別區域的增強，全球范圍內其他大部分區域的輻射強度均表現出明顯的降低（或增強的區域逐漸縮小），特別是在東半球赤道附近至中低緯地區，相較前一日降幅基本在70%以上。10月31日（第304日），磁暴進入恢復相，Dst指數在前半日由-370 nT迅速回升至-70 nT，在后半日回升速度較為緩慢，當天的氣輝輻射強度進一步減弱，僅剩個別小范圍區域仍然保持增強。自11月1日（第305日）后，隨著Dst指數的逐漸回升，在全球范圍內，氣輝輻射強度已基本上減弱至磁暴初相甚至磁靜期的同等水平。

圖2 2003年10月26日至11月4日OI 135.6 nm氣輝輻射強度的經緯度分布情況Fig.2 Longitude and latitude distributions of OI 135.6 nm airglow emission intensity from 26 October to 4 November in 2003

圖3給出了不同緯度氣輝輻射強度相較于磁靜期的變化量在2003年10月26日至11月4日的變化情況，其中對每一日同一經度范圍內的輻射強度進行了平均，磁靜期的氣輝輻射強度以磁暴周期之前3日（即2003年10月23—25日）的氣輝輻射強度平均值來表示。由圖3可知，每個緯度上氣輝輻射強度的增幅并不相同，增幅的峰值大約出現在20°N，但出現增強的時間基本一致；同時圖2和圖3顯示了輻射強度在磁暴期間的增強存在著一定的南北不對稱性。此外，從圖2也可以看出，同一日的輻射強度在不同經度上可能呈現不同的趨勢，即緯向不對稱性，例如10月31日（第304日）。

圖3 不同緯度OI 135.6 nm氣輝輻射強度相較于磁靜期的變化量在2003年10月26日至11月4日的變化情況Fig.3 Variation of OI 135.6 nm airglow emission intensity at different latitudes compared to the magnetostatic period from 26 October to 4 November in 2003

圖4給出了2003年10月26日至11月4日期間OI 135.6 nm氣輝輻射強度的緯度-高度分布情況，其中網格點緯度以5°為間隔、高度以10 km為間隔。緯度超過50°區域由于極光污染被排除在外。由圖4可知，OI 135.6 nm氣輝輻射在磁靜期主要分布在海拔330 km附近，即電離層F2層，這是由于在F2層光電子與氧原子的碰撞激發過程和氧離子與電子的輻射復合過程相較其他高度更為強烈；從緯度上看，氣輝輻射主要分布在赤道至20°N左右的區域。在磁暴來臨前，除了330 km附近，氣輝輻射在中低緯地區150 km附近也存在零星分布，且這兩個高度范圍內的輻射強度處于同等水平。在磁暴初相，330 km附近范圍內的氣輝輻射強度開始增強，較磁靜期增幅最高達到70%以上，且增強有向中高緯地區擴散的趨勢，但150 km附近的開始降低，至10月28日（第301日）幾乎降低至0。10月29日（第302日），磁暴進入主相，330 km附近范圍內的氣輝輻射強度進一步增強，與前一日相比又增加了20%左右，且增強出現在所有緯度范圍內。而在330 km以上高度的氣輝輻射強度也出現了增強現象，例如在北半球中低緯地區的350～450 km范圍內，相比前一日增強了120%以上。此外，在低熱層同樣出現了增強現象，尤其是在10°—30°N的130 km附近區域內存在一個明顯的增強，該區域內的氣輝輻射強度在整個初相期間幾乎為0，但在主相第一日即迅速增至1600R以上。在10月30日（第303日），Dst指數先回升再降低，但當天氣輝輻射強度在高度分布上并未出現明顯的變化，僅在北半球中緯度地區的440 km附近發生了減弱，在30°S的400 km附近和40°N的300 km附近發生小范圍增強，而在10°—30°N的低熱層附近區域內的顯著增強仍然存在，且增幅與前一日相比幾乎保持不變。10月31日（第302日），磁暴進入恢復相，隨著Dst指數的不斷回升，氣輝輻射強度逐漸減弱，350 km以上高度的增強除個別小范圍區域外已基本消失，330 km附近范圍內的輻射強度相比前一日降低了30%左右， 在10°—30°N的低熱層附近區域內的增強也基本消失。此后，隨著Dst指數逐漸回升至正常水平，氣輝輻射強度的緯度-高度分布也基本恢復至磁靜期的情況，但赤道至中低緯地區330 km附近的輻射強度總體上比磁靜期略高一些，且不再出現150 km附近的零星分布。

圖4 2003年10月26日至11月4日OI 135.6 nm氣輝輻射強度的緯度-高度分布情況Fig.4 Latitude-altitude distributions of OI 135.6 nm airglow emission intensity from 26 October to 4 November in 2003

圖5給出了不同高度OI 135.6 nm氣輝輻射強度相較于磁靜期的變化量在2003年10月26日至11月4日的變化情況，其中對每一日同一緯度范圍內的輻射強度進行了平均，磁靜期的氣輝輻射強度以磁暴周期之前3日（即2003年10月23—25日）的氣輝輻射強度平均值來表示。由圖5可知，在磁暴期間除了300～400 km范圍內的氣輝輻射強度存在顯著的增強現象之外，在100～150 km范圍內（低熱層）也會產生較為明顯的增強現象，并且相對于磁暴主相，該高度上的增強現象出現的時間幾乎不存在提前或滯后效應，僅會在主相當天隨著Dst指數的迅速增加而產生，在恢復相首日即迅速消失。另外在其他部分高度上氣輝輻射強度也存在一定的增強，例如200～250 km范圍內。

圖5 不同高度OI 135.6 nm氣輝輻射強度相較于磁靜期的變化量在2003年10月26日至11月4日的變化情況Fig.5 Variation of OI 135.6 nm airglow emission intensity at different altitudes compared to the magnetostatic period from 26 October to 4 November in 2003

為了更清晰地呈現磁暴期間10°—30°N的低熱層附近區域內OI 135.6 nm氣輝輻射強度的增強現象，根據圖4所示，對每日10°—30°N范圍內的氣輝輻射強度進行了平均，將其相較于磁靜期的變化量的高度分布在2003年10月26日至11月4日期間的變化情況在圖6中單獨給出，其中磁靜期的氣輝輻射強度以磁暴周期之前3日（即2003年10月23—25日）的氣輝輻射強度平均值來表示。由圖6可知，10°—30°N的低熱層附近區域內的氣輝輻射強度在磁暴初相便會出現增強現象，但這個增強在初相最后一天會消失，而在主相來臨時重新出現，且增幅和出現的高度范圍都會更大，其出現時間與主相來臨的時間相比同樣不存在明顯的提前或滯后。

圖6 不同高度10°—30°N范圍內 OI 135.6 nm氣輝輻射強度的平均值相較于磁靜期的變化量在2003年10月26日至11月4日的變化情況Fig.6 Variation of the mean OI 135.6 nm airglow emission intensity in the range 10°N to 30°N at different altitudes compared to the magnetostatic period from 26 October to 4 November in 2003

2.2 2003年11月20日特大磁暴

2003年11月20日發生了一次特大磁暴，Dst指數最低達-419 nT。圖7給出了2003年11月17—26日Dst指數的每小時變化情況。由圖7可知，此次磁暴的初相起始于2003年11月19日（第323日），主相為2003年11月20日（第324日）。相比于2003年10月29日的磁暴，本次磁暴的持續時間較短，Dst指數下降的過程僅維持了11月20日1天。

圖7 2003年11月17日（第321日）至11月26日（第330日）Dst指數的變化情況Fig.7 Variation of the Dst index from 17 November(Day 321) to 26 November (Day 330) in 2003

圖8給出了2003年11月17—26日期間OI 135.6 nm氣輝輻射強度的經緯度分布情況，其中網格點經度和緯度均以5°為間隔。緯度超過50°的區域由于極光污染被排除在外。由圖8可知，本次磁暴發生前，OI 135.6 nm氣輝輻射強度的經緯度分布幾乎沒有發生變化，11月17—19日期間均以雙峰結構分布在磁赤道兩側，強度約為800R。在11月20日（第324日），隨著Dst指數的迅速下降，氣輝輻射強度發生了明顯的增強現象。增強主要出現在150°—60°W，30°S—40°N的區域內，增幅相較于磁靜期最高達到300%，輻射強度最大值超過了1400R，另外在30°W—70°E 的高緯度地區也存在明顯的增強現象，增幅最高達200%。而在東半球的赤道至中緯度地區，氣輝輻射強度幾乎不存在增強現象。由于本次磁暴的持續時間較短，在11月21日（第325日）磁暴即進入恢復相，Dst指數在當天迅速回升，氣輝輻射強度較前一日明顯下降，除東半球赤道以北的中高緯地區存在增幅約為80%的小范圍增強外，其他地區基本恢復至磁靜期水平。在11月22日（第326日），Dst指數出現一定波動，但最低值仍然保持在-100 nT以上，因此當天的氣輝輻射強度沒有發生明顯增強，東半球的輻射強度甚至有所下降，由磁靜期的800R降至600R左右。自11月23日（第327日）后，隨著Dst指數逐漸回升至正常范圍，全球區域內的氣輝輻射強度已基本恢復至磁暴初相甚至磁靜期的同等水平，不存在明顯的增強或減弱現象。

圖8 2003年11月17—26日OI 135.6 nm氣輝輻射強度的經緯度分布情況Fig.8 Longitude and latitude distributions of OI 135.6 nm airglow emission intensity from 17 to 26 November in 2003

與圖3類似，圖9給出了不同緯度氣輝輻射強度相較于磁靜期的變化量在2003年11月17—26日的變化情況，其中對每一日同一經度范圍內的輻射強度進行了平均，磁靜期的氣輝輻射強度以磁暴周期之前3日（即2003年11月14—16日）的氣輝輻射強度平均值來表示。由圖9可知，每個緯度上氣輝輻射強度的增幅并不相同，磁赤道兩側的低緯度地區均存在增幅的峰值（高緯度地區的增強存在可見的由高緯向低緯擴散的趨勢，因此無法排除受極光污染的可能性）。另外，氣輝輻射強度的經緯度分布在本次磁暴期間的變化情況同樣展現了南北不對稱性和緯向不對稱性。有研究表明，南北不對稱性可能是由不同經度之間E×B漂移、磁偏角、中性風的差異引起的[27]。此外，日地距離的變化、地理赤道與地磁赤道的偏移也是造成電離層南北不對稱的主要因素[28]；而緯向不對稱性是因為一日的氣輝輻射強度的經緯度分布由GUVI繞地球運動14周產生，帶有GUVI觀測時的地方時信息，而Dst指數的變化情況是以小時分辨率給出，所以不同經度上的氣輝輻射強度會隨每小時Dst指數的變化而變化（見圖2和圖8）。綜上所述，對比兩次事件可以發現，OI 135.6 nm氣輝輻射強度在磁暴期間會隨著Dst指數的降低而增強，與Dst指數呈現近似的負相關關系，并且在赤道至50°緯度范圍內均會出現增強，增強出現的時間與磁暴相位基本同步。

圖9 不同緯度OI 135.6 nm氣輝輻射強度相較于磁靜期的變化量在2003年11月17—26日的變化情況Fig.9 Variation of OI 135.6 nm airglow emission intensity at different latitudes compared to the magnetostatic period from 17 to 26 November in 2003

圖10給出了2003年11月17—26日期間OI 135.6 nm氣輝輻射強度的緯度-高度分布情況，其中網格點緯度以5°為間隔、高度以10 km為間隔。緯度超過50°的區域由于極光污染被排除在外。與圖4類似，從圖10同樣可以看出OI 135.6 nm氣輝輻射磁靜期主要分布在海拔330 km、赤道至20°N左右的區域。在磁暴來臨前，除上述區域之外，其他地區基本上不存在明顯的OI 135.6 nm氣輝輻射。在磁暴初相，只有30°S的200 km和450 km處的氣輝輻射強度出現了小范圍、小幅度增強，與磁靜期相比增幅不超過40%，其他區域的輻射強度幾乎沒有發生變化。11月20日（第324日），磁暴進入主相，330 km附近范圍內的氣輝輻射強度明顯增強，與磁靜期相比增加了150%左右，并且增強擴散至高緯度地區。在其他高度上輻射強度也發生了增強， 例如在30°—10°S范圍內，從150～450 km均有可見的增強現象出現，此外在低熱層高度上30°—50°N范圍內出現了一個顯著的增強現象，該區域內的輻射強度在磁靜期至初相期間都幾乎為0，但在主相當天即迅速增至1000R以上，與330 km附近的峰值幾乎一致。在11月21日（第325日），磁暴進入恢復相，隨著Dst指數的迅速回升，各緯度上330 km附近的氣輝輻射強度逐漸減弱至磁靜期水平，而主相時明顯增強的北半球中高緯地區低熱層附近區域內的輻射強度雖然已經減弱但尚未消失，部分區域相較于磁靜期仍有將近30%的增強。自11月22日（第326日）后，隨著Dst指數逐漸回升至正常范圍，各個高度上的氣輝輻射強度已基本上恢復至磁靜期同等水平，幾乎不存在明顯的增強或減弱現象，赤道至中低緯地區330 km附近的輻射強度不再向高緯度地區擴散，北半球中高緯地區低熱層附近區域內的輻射強度基本消失。

圖10 2003年11月17—26日OI 135.6 nm氣輝輻射強度的緯度-高度分布情況Fig.10 Latitude-altitude distributions of OI 135.6 nm airglow emission intensity from 17 to 26 November in 2003

圖11給出了不同高度OI 135.6 nm氣輝輻射強度相較于磁靜期的變化量在2003年11月17—26日的變化情況，其中對每一日同一緯度范圍內的輻射強度進行了平均，磁靜期的氣輝輻射強度以磁暴周期之前3日（即2003年11月14—16日）的氣輝輻射強度平均值來表示。由圖11可知，在磁暴期間，除了300～400 km范圍內的氣輝輻射強度存在顯著的增強現象之外，在100～150 km范圍內（低熱層）也會產生較為明顯的增強現象，增幅接近300～400 km范圍內的增強，并且相對于磁暴主相，該高度上的增強現象出現的時間幾乎不存在提前或滯后效應，僅會在主相當天隨著Dst指數的迅速增加而產生，在恢復相首日即迅速消失。氣輝輻射強度在其他高度上基本不存在增強或減弱現象。

圖11 不同高度OI 135.6 nm氣輝輻射強度相較于磁靜期的變化量在2003年11月17—26日的變化情況Fig.11 Variation of OI 135.6 nm airglow emission intensity at different altitudes compared to the magnetostatic period from 17 to 26 November in 2003

為了更加清晰地展現磁暴期間30°—50°N的低熱層附近區域內OI 135.6 nm氣輝輻射強度的增強現象，根據圖10所示，對每一日30°—50°N范圍內的氣輝輻射強度進行了平均，將其相較于磁靜期的變化量的高度分布在2003年11月17—26日期間的變化情況在圖12中單獨給出，其中磁靜期的氣輝輻射強度以磁暴周期之前3日（即2003年11月14—16日）的氣輝輻射強度平均值來表示。由圖12可知，30°—50°N的低熱層附近區域內的氣輝輻射強度在磁暴主相當天出現明顯的增強現象，增強出現的范圍幾乎包括了從100～150 km的所有高度，且增幅甚至高于在同緯度范圍300～400 km區域內的增強，其出現時間與磁暴主相來臨的時間相比同樣不存在明顯的提前或滯后。針對低熱層高度的氣輝輻射強度在磁暴主相時突然出現的大幅度增強現象，熱層-電離層甚至更高區域內的垂直風輸運過程可能是其原因之一。綜上所述，對比兩次事件，可以發現OI 135.6 nm氣輝輻射強度平時主要分布在海拔330 km、赤道至20°N左右的區域，在磁暴期間會隨著Dst指數的降低而增強，與Dst指數呈現近似的負相關關系，并且該高度上輻射強度的增強會從中低緯地區一直擴散至高緯度地區，增強出現的時間與磁暴相位基本同步。除此之外，還發現在低熱層高度部分緯度上的輻射強度會在磁暴主相時突然出現大幅度的增強，并隨著磁暴進入恢復相而迅速消失。

圖12 不同高度30°—50°N范圍內 OI 135.6 nm氣輝輻射強度的平均值相較于磁靜期的變化量在2003年11月17—26日的變化情況Fig.12 Variation of the mean OI 135.6 nm airglow emission intensity in the range 30°N to 50°N at different altitudes compared to the magnetostatic period from 17 to 26 November in 2003

3 結論

利用由TIMED衛星上搭載的GUVI探測器觀測的L1C級OI 135.6 nm臨邊觀測數據，研究了2003年10月和11月兩次持續時間不同的特大磁暴期間氣輝輻射強度的經緯度分布及緯度-高度分布的變化情況。結果表明，OI 135.6 nm氣輝輻射強度在磁暴期間會隨著Dst指數的降低而增強，與磁暴的劇烈程度呈現準正相關關系，并且增強會由磁靜期的磁赤道兩側附近向高緯地區延伸至南北半球50°附近，在本文所討論的范圍內各區域的增幅基本保持在80%以上，最大可超過200%，增強出現的時間與磁暴相位基本同步，此外增強也會由磁靜期的300～400 km（即電離層F2層高度）擴散至其他高度，特別是在100～200 km（即低熱層高度）的部分緯度上會出現相比其他高度更為顯著的增強，該區域內的增幅超過300%。結果還顯示，氣輝輻射強度的經緯度分布在磁暴期間的變化情況會呈現出一定的南北不對稱性和緯向不對稱性。

隨著行星際磁場IMF （Interplanetary Magne-tic Field）Bz分量的快速南向翻轉和高緯對流的突然性增強，極光電急流活動的快速發展標志著亞暴或磁暴的發生，此時高緯電場會迅速穿透至中低緯地區形成快速穿透電場。在磁暴期間，由于電場和電導率的增強，極光電急流活動增強并導致高緯電離層-熱層系統的加熱和膨脹，增強的電流通過碰撞作用將能量傳輸給中性成分，因此高能中性原子沉降是針對磁暴期間遠紫外氣輝輻射增強的其中一個被廣為接受的源，這種增強也被稱為中性粒子極光，但除此之外增強也存在其他原因，例如電離層TEC增強和相互中和發射。此外，磁暴期間能量注入導致的極光加熱作用會造成熱層風增強或驅動從極區吹向赤道的擾動風場，從而改變寧靜水平下熱層環流模式，并形成持續時間較久的擾動風場發電機電場，因此氣輝輻射在低熱層高度部分緯度上出現的與磁暴主相同步的顯著增強，可能與熱層-電離層甚至更高區域內環流模式的改變有關。

致謝本文所用數據部分來源：Dst指數數據網址為https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/wdc/Sec3.html，OI 135.6 nm氣輝輻射強度、經度、緯度、高度數據網址為http://guvitimed.jhuapl.edu/data_fetch_l1c_imaging_v013。