暴时场向电流及磁层—电离层耦合过程

本文综述了不同类型电离层场向电流(亦称为Birkeland电流)及其在地磁扰动(磁暴和亚暴)期间的时空分布特征.首先简述了场向电流近70年的研究历程,总结了各种与太阳风—行星际磁场(interplanetary magnetic field,IMF)、电离层电导率空间分布不均匀相关的1区和2区场向电流,北向、晨昏向IM...     

亚暴期间电离层场向电流的分布特征——CHAMP卫星观测

场向电流在不同的等离子体区之间传递能量、动量和质量,是磁层与电离层之间的关键耦合过程.本文利用CHAMP卫星高精度的空间磁场测量数据,研究亚暴期间极区电离层场向电流的统计学分布特征.研究表明场向电流的大小与所在位置呈现明显的日夜和晨昏不对称性,具体为：（1）场向电流的大小与亚暴极光电急流指数（AL）密切相连,AL愈大,电流愈强,亚暴期间电流强度相对平静期来说可增加约5倍,昏侧和夜侧电流强度与AL指数的相关性较好,晨侧和白天侧两者相关性较差;（2）电流的峰值密度所在位置与AL指数的相关性不高,昏侧电流所处纬度低于晨侧,而夜晚电流所处纬度低于白天侧.     

基于地磁台站数据对磁暴期间环电流和场向电流的分布特征研究

磁暴的发生与环电流的变化密切相关.除了对称环电流外,部分环电流在磁暴的发展过程中也起到了重要的作用,同时部分环电流通过场向电流与极区电离层中的电流形成回路.本文应用INTERMAGNET地磁台网北半球中低纬区域地磁台站数据,对不同强度4个磁暴事件主相和恢复相期间部分环电流和场向电流的磁地方时分布进行了分析和讨论.对于每一个磁暴事件,在低纬地区（地磁纬度约0°—40°N）选用地磁经度上大致均匀的8个台站,通过坐标转换计算平行于磁偶极轴的地磁场水平分量H来分析磁暴期间环电流所引起的磁场扰动;在低纬地区8个台站的基础上增加中纬地区（地磁纬度约40°N—60°N）地磁经度上大致均匀的6个台站,计算地磁坐标系下地磁场东西分量Y来分析磁暴期间场向电流在中低纬地区引起的磁场扰动.结果表明,磁暴主相期间的部分环电流主要作用于磁地方时昏侧和夜侧扇区,并且主相和恢复相期间部分环电流引起的磁场变化随着磁暴级别的增大而增大;磁暴主相期间向下的场向电流多出现在夜侧至晨侧扇区,向上的场向电流多出现在昏侧至午后扇区,且中纬地区向下和向上场向电流的展布范围明显大于低纬地区;恢复相期间弱、中磁暴事件的场向电流呈现与部分环电流相同的减弱趋势,而强、大磁暴事件在恢复相末期场向电流引起的磁场变化明显不同于恢复相的其他时刻,这可能与高纬较强的亚暴活动有关.

     

大尺度场向电流及其与单色极光电子的联系——Swarm卫星观测

Swarm卫星A/C在480 km左右高度伴飞,通过二者磁场观测数据,可在不需假设无限大垂直电流片的情况下更加真实地计算出场向电流（FAC）.本文利用最新的Swarm观测数据,研究了大尺度场向电流的时空分布特征,及其对行星际条件的依赖;结合极光沉降粒子时空分布信息,探究了场向电流可能载流子及其源区.分析发现：（1）IMF B_z分量主要控制FAC的强度大小,B_y分量主要改变FAC的结构与分布,最为明显的是0区FAC;（2）昏侧1区上行FAC与单色极光电子的高发区域具有较高的重合度,且在不同行星际条件下均表现出相类似的纬度分布;（3）在上述区域内,FAC密度与单色极光电子能通量表现出较好的相关性.这表明单色极光电子对昏侧1区上行电流起着重要贡献.

     

地面Sq磁场的分析和场向电流

地面Ｓｑ磁场的分析在一定程度上可揭示场向电流的存在。本文将Ｓｑ资料按１／２（夏－冬）的方法定性地显示了空间等效电流的分布。结果表明：在夏、冬季清晨由夏季半球流向冬季半球的场向电流特别明显，可是黄昏时的场向电流似乎不存在，踵时由冬季半球流向夏季半球的场向电流强度反而比清晨场向电流弱一些。     

地球内磁层场向电流的统计特征

利用ISEE－1和ISEE-2飞船观测的磁场数据,分析了地球内磁层场向电流的统计特征,包括场向电流的空间（L值和地方时）分布;流进和流出电离层的场向电流随地方时的变化;场向电流发生率与地磁活动水平（以AL指数表征）、行星际磁场（IMF）Bz的关系,电流强度和密度随地磁活动水平的变化等．发现,场向电流大都发生在夜间,且集中在L为6—10区域内,场向电流发生率,强度和密度随地磁活动增强而增大,行星际磁场南向时的发生率远远高于北向时的发生率．这些结果表明,内磁层场向电流的产生是太阳风和磁层、电离层间电动耦合增加的结果．     

地球内磁层场向电流的统计特征

利用ISEE－1和ISEE-2飞船观测的磁场数据，分析了地球内磁层场向电流的统计特征，包括场向电流的空间（L值和地方时）分布；流进和流出电离层的场向电流随地方时的变化；场向电流发生率与地磁活动水平（以AL指数表征）、行星际磁场（IMF）Bz的关系，电流强度和密度随地磁活动水平的变化等．发现，场向电流大都发生在夜间，且集中在L为6-10区域内，场向电流发生率，强度和密度随地磁活动增强而增大，行星际磁场南向时的发生率远远高于北向时的发生率．这些结果表明，内磁层场向电流的产生是太阳风和磁层、电离层间电动耦合增加的结果．     

地面Sq磁场和场向电流的补充研究

地面Ｓｑ磁场的分析在一定程度上揭示场向电流的存在，在赤道电射流区和低纬地区，某些日子的Ｙ分量或Ｄ分量Ｓｑ变化可明显地显示午间场向电流的存在，１９９０年１２月１１日Ｂａｃｌｉｅｕ，琼中，河内，Ｃｈａｐａ，通海和成都等台的Ｓｑ（Ｉ）曲线清楚表明由冬季半球流向夏季半球的午间场向电流的影响，此外，本文还用（夏－冬）／２法分析了Ｓｑ（Ｚ）的资料，从中也可观察到午间及清晨场向电流的踪迹。     

场向电流驱动下电离层电场的时间演变

本文以Senior-Blanc的驱动电位随时间阶跃变化的简单模式为基础,讨论了随时间阶跃变化的场向电流驱动下电离层电场的时间演变。结果表明,场向电流驱动和电位驱动的总体过程是一致的。在两种情况下,有关物理量都经约50分钟的弛豫时间而趋向于稳定态。但两者也有一定的差异。这主要表现在,电流驱动下极盖区边界上的电位不再是常量,而是一个随时间作指数衰减的函数,最后趋于稳态值;极光区的稳态和初态电场相差不大。此外,电流驱动下场向电流2的稳态值小一些,似乎更接近于观测值;各区电位随纬度的变化更快些,最大电位出现的时间也更早一些。对屏蔽因子和屏蔽时间常数的计算表明,电流驱动比电位驱动的屏蔽要强些。这些都反映了电流驱动和电位驱动的不同特点。     

场向电流驱动下电离层电场的时间演变

本文以Senior-Blanc的驱动电位随时间阶跃变化的简单模式为基础,讨论了随时间阶跃变化的场向电流驱动下电离层电场的时间演变。结果表明,场向电流驱动和电位驱动的总体过程是一致的。在两种情况下,有关物理量都经约50分钟的弛豫时间而趋向于稳定态。但两者也有一定的差异。这主要表现在,电流驱动下极盖区边界上的电位不再是常量,而是一个随时间作指数衰减的函数,最后趋于稳态值;极光区的稳态和初态电场相差不大。此外,电流驱动下场向电流2的稳态值小一些,似乎更接近于观测值;各区电位随纬度的变化更快些,最大电位出现的时间也更早一些。对屏蔽因子和屏蔽时间常数的计算表明,电流驱动比电位驱动的屏蔽要强些。这些都反映了电流驱动和电位驱动的不同特点。     

场向电流极性和密度异常事件统计研究

本文利用Swarm卫星2015-2016年高精度的磁场矢量数据,将晨昏地方时扇区高纬场向电流（Field-Aligned Currents,FACs）事件按极性和电流密度分为四类,并首次比较研究了四类FACs事件的时空分布特征及其影响因素,研究发现：极性正常事件（晨侧靠极侧电流元向下流入电离层,靠赤道侧电流元向上流出电离层,昏侧电流极性相反,即传统意义上的R1和R2 FACs）发生率约为70%,其中R1 FACs强于R2事件的发生率为R1 FACs弱于R2的3~5倍;极性异常事件（与传统的R1和R2 FACs流向相反,两片电流元定义为R1^*和R2^* FACs）发生率约占30%,其中R1^* < R2^*的发生率约为R1^* > R2^*的1.5~2.5倍.进一步分析发现极性正常事件主要发生在南向IMF B_z期间,与重联电场相关性较好,净电流密度随着重联电场和电离层电导率的增加而增加.其中R1 < R2事件通常位于IMF B_z北向偏转期间,与亚暴过程有关.同时,极性异常事件通常发生于北向IMF B_z期间.相对于极性正常事件,极性异常事件所处磁纬向极侧偏移4°.在北半球,晨侧R1^*>R2^*事件通常发生在IMF B_y < 0期间,昏侧事件主要发生在IMF B_y>0期间,而R1^* < R2^*事件所对应IMF B_y极性相反,南半球情形与北半球相反.

     

极区Hall电流经度差异特征的统计学研究:CHAMP卫星观测

本文利用2001至2010年间CHAMP（CHallenging Minisatellite Payload）卫星标量磁力仪（Overhauser Magnetometer）观测的磁场数据,反演得到电离层霍尔（Hall）电流,并且对极区电离层Hall电流的特征进行了统计学研究.研究主要关注平静期,即重联电场小于2 mV·m^-1条件下,在磁纬60°至90°范围内的Hall电流在不同太阳活动、季节、磁经度、磁地方时等条件下的变化特征.研究发现：Hall电流具有明显的经度差异,在南北半球呈现显著一波经度结构,而且南北半球反相,即北半球电流密度呈现峰-谷-峰结构,而南半球呈现谷-峰-谷结构.Hall电流密度的经度结构与太阳活动紧密相关.太阳活动高年经度差异最大,太阳活动中年经度差异次之,太阳活动低年经度差异最小.研究发现,在磁地方时为10-14MLT的白天,影响Hall电流的因素主要是太阳辐射;而磁地方时为21-03MLT的夜晚,除了电导率的影响之外,可能存在其他的重要的物理过程影响着Hall电流的经度分布.本文还研究了与电流相关的焦耳热的经度分布情况,发现其在南北半球分别呈现单峰、单谷结构,经度差异亦十分明显.

     

Variability of the currents in the Luzon Strait during spring of 2002 obtained from observations and satellite geostrophic currents and spectral analyses

The structure and variability of the currents in the Luzon Strait during spring of 2002 are studied, based on the current measurements at the average position of the mooring station (20°49′57"N, 120°48′12"E) from March 17 to April 15, 2002, satellite geostrophic currents in the Luzon Strait, and the spectral analyses, using the maximum entropy method. The subtidal currents at the mooring station show de-creased amplitudes downward with an anti-cyclonic rotation, suggesting that the currents enter and exit t...     

Asymmetric distribution of the ionospheric electric potential in the opposite hemispheres as inferred from the SuperDARN observations and FAC-based convection model

We compare the SuperDARN convection patterns with the predictions of a new numerical model of the global distribution of ionospheric electric potentials. The model utilizes high-precision statistical maps of field-aligned currents (FAC) derived from measurements made by polar-orbiting low-altitude satellites. Both the solar and auroral precipitation contributions are included in order to derive the ionospheric conductance. Taking into account the electrodynamic coupling of the opposite hemispheres, the model allows one to obtain the convection patterns developed simultaneously in both hemispheres for given input parameters. SuperDARN, with its database containing global northern and southern convection maps, provides the unique opportunity to compare the model predictions of electric fields with observations. In the present study we focus on the effect of significant interhemispheric asymmetry governed by the IMF clock angle and solar zenith angle. We calculate the convection patterns for specific cases caused by the sign of B_Y and season and demonstrate the capability of the FAC-based model reproduce the radar observations. The simulation confirms that the solar zenith angle should be linked to the IMF clock angle to fully characterize the convection patterns. The model predicts that the cross-polar cap potential drop is regularly larger in the winter hemisphere than in the summer hemisphere.     

高密度极尖区的形成原因

极尖区是太阳风进入磁层的一个重要窗口,极尖区密度是反映这一物理过程的重要参量,通常情况下极尖区密度约为1~10 cm^-3,但有时卫星会观测到密度大于40 cm^-3的极尖区,本文称之为高密度极尖区.我们分析了Cluster卫星2001—2009年的观测数据,在470个极尖区穿越中找到28个高密度极尖区穿越事件并进行了统计研究,分析了高密度极尖区事件的形成原因,进而讨论了太阳风高效地进入极尖区的外部条件.结果表明：距正午的距离（|MLT-12|）较小,太阳风的密度高,低纬有磁层顶磁重联发生以及正偶极倾角都是观测到高密度极尖区事件的有利条件,并且当同时满足上述4个条件时,高密度极尖区事件发生率为100%;而低纬磁层顶磁重联以及大的正偶极倾角被认为是太阳风高效地进入极尖区的重要条件.这些研究结果有助于我们更进一步地理解太阳风进入极尖区的物理机制.

     

高密度极尖区的形成原因

极尖区是太阳风进入磁层的一个重要窗口,极尖区密度是反映这一物理过程的重要参量,通常情况下极尖区密度约为1~10 cm^-3,但有时卫星会观测到密度大于40 cm^-3的极尖区,本文称之为高密度极尖区.我们分析了Cluster卫星2001—2009年的观测数据,在470个极尖区穿越中找到28个高密度极尖区穿越事件并进行了统计研究,分析了高密度极尖区事件的形成原因,进而讨论了太阳风高效地进入极尖区的外部条件.结果表明：距正午的距离（｜MLT-12｜）较小,太阳风的密度高,低纬有磁层顶磁重联发生以及正偶极倾角都是观测到高密度极尖区事件的有利条件,并且当同时满足上述4个条件时,高密度极尖区事件发生率为100%;而低纬磁层顶磁重联以及大的正偶极倾角被认为是太阳风高效地进入极尖区的重要条件.这些研究结果有助于我们更进一步地理解太阳风进入极尖区的物理机制.     

Magnetospheric currents and estimation of theSq focal latitude

The average latitude of theSq(X) focus along the longitude 75°E has been estimated using the Tsyganenko model (Tsyganenko, 1981) of the external magnetic field for storm time conditions of the magnetosphere. It is observed that the shift of the focal latitudes, due to magnetospheric currents, is only about 1 to 2° even during strong storms. It is also shown that the shift is asymmetric about the equator and longitude dependent. The day to day changes in observed focal position are much larger and the magnetospheric currents cannot, therefore, be regarded as a dominant mechanism of focal movement.The paper was presented at the IAGA General Assembly meeting held in Prague, Czechoslovakia, during August 1985.