亚暴期间磁层和电离层相互耦合的计算

本文假设亚暴时跨尾电流被等离子体团中断,转向成沿磁力线流动的1区场向电流。根据文献[1]的模拟结果,算出场向电流在电离层中的分布。并以此场向电流为输入,计算电离层电势和电流。结果表明,场向电流强度可达1.5×106 A以上,与观测结果一致;它主要分布于70°N以北的区域。电离层电流主要以夜间西向电射流形式出现,主要成份是Hall电流;极区电位降最大可达190kV。本文还简要讨论了等离子体团的晨-昏向尺度对场向电流分布和电离层电导率对电离层电流的影响。     

磁层亚暴期间高纬地区三维电流体系

确定亚暴期间高纬地区的三维电流体系是磁层和电离层物理的基本问题之一,本文简述了近年来发展的根据地面地磁活动的记录及演三维电流体系的两种较新的方法:KRM（Kamide-Richmond-Matsushita）方法和K（Kisabeth）方法.在KRM方法和许多其它类似的计算中,都假定磁力线是垂直于电离层沿地球径向的直线.本文介绍了一种递推方法,可计算场向电流沿弯曲的偶极子场线流动的情况。同时,还介绍了高纬三维电流体系对亚暴期间中低纬度地磁扰动的贡献。最后介绍了在计算电流体系时所需的电离层电导率模式。     

亚暴期间磁层和电离层相互耦合的计算

本文假设亚暴时跨尾电流被等离子体团中断,转向成沿磁力线流动的1区场向电流。根据文献[1]的模拟结果,算出场向电流在电离层中的分布。并以此场向电流为输入,计算电离层电势和电流。结果表明,场向电流强度可达1.5×10⁶ A以上,与观测结果一致;它主要分布于70°N以北的区域。电离层电流主要以夜间西向电射流形式出现,主要成份是Hall电流;极区电位降最大可达190kV。本文还简要讨论了等离子体团的晨-昏向尺度对场向电流分布和电离层电导率对电离层电流的影响。     

磁层亚暴期间高纬地区三维电流体系

确定亚暴期间高纬地区的三维电流体系是磁层和电离层物理的基本问题之一,本文简述了近年来发展的根据地面地磁活动的记录及演三维电流体系的两种较新的方法:KRM（Kamide-Richmond-Matsushita）方法和K（Kisabeth）方法.在KRM方法和许多其它类似的计算中,都假定磁力线是垂直于电离层沿地球径向的直线.本文介绍了一种递推方法,可计算场向电流沿弯曲的偶极子场线流动的情况。同时,还介绍了高纬三维电流体系对亚暴期间中低纬度地磁扰动的贡献。最后介绍了在计算电流体系时所需的电离层电导率模式。     

2004年11月7-8日巨磁暴期间场向电流的分布特征

利用CHAMP卫星磁场数据分析研究了2004年11月7日至8日巨磁暴(DstH和AE指数对比分析得出,早上扇区的大尺度电流片的分布特征更多地受到亚暴活动的影响,而下午扇区的电流片分布则明显反映出磁暴环电流活动的特征.     

2004年11月7-8日巨磁暴期间场向电流的分布特征

利用CHAMP卫星磁场数据分析研究了2004年11月7日至8日巨磁暴(Dst<-200 nT)期间大尺度场向电流的分布特征.把方向相同且时间连续的一段场向电流定义为一个电流片,分析结果表明,伴随磁暴的发展,在卫星飞过的两个扇区(早上扇区0200-0400MLT及下午扇区1400-1600MLT)中的大尺度场向电流分布呈现不同的纬向分布特征:随着地磁扰动的增强,早上扇区电流片分布范围向高纬扩展;而下午扇区电流片分布范围则显著地向低纬扩展.与地磁活动SYM-H和AE指数对比分析得出,早上扇区的大尺度电流片的分布特征更多地受到亚暴活动的影响,而下午扇区的电流片分布则明显反映出磁暴环电流活动的特征.     

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...     

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。     

极隙区场向电流对高纬电离层电场和电流体系的影响

用Ｋａｍｉｄｅ－Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ方法,在行星际磁场具有较小的北向分量,且｜Ｂｙ｜＞＞｜Ｂｋ｜时,对磁语和磁扰状态以及Ｂｒ＞０和Ｂｙ＜０等不同情况,分别计算了场向电流引起的电离层电势、电场和电流体系．结果表明,极隙区场向电流的存在使高纬向日面区域的电势发生畸变,当Ｂｙ＞０时,无论是磁扰还是磁静日,极隙区电场具有显著的北向分量;等离子体对流有较大的西向分量;电离层电流为东向电流．当Ｂｙ＜０时,电场和等离子体对流的方向与Ｂｙ＞０时相反;电离层电流在磁抗日有西向分量,但在磁静日没有西向分量．电导率对电场和电流体系的影响十分明显,磁扰极光带电导率增强使电流涡从背阳面向向阳而漂移,与静日相比,磁扰时极隙区场向电流引起的电场畸变更为明显,但电场和电流强度的大小却基本保持不变．     

极光电激流的地方时和季节变化特性研究: CHAMP卫星观测

极光电激流是极区电流系的重要组成部分.本文利用CHAMP卫星10年的高精度标量磁场数据研究了极光电激流的地方时和季节变化特征,并对卫星与地面台站观测到的极光电激流进行了对比分析.结果表明,日侧极光电激流主要受太阳辐射的影响,而夜侧极光电激流主要受亚暴的影响.极光电激流具有明显的年、半年变化特征.夏季东向电激流和日侧西向电激流强于冬季,而夜间西向电激流冬季强于夏季.东向电激流和日侧的西向电激流在两至点增强,夜侧的西向电激流则在两分点增强.西向电激流与AL、SML指数有较好的相关性,东向电激流与SMU指数有较好的相关性,而与AU指数有一定差异,这与地磁台站的有效探测范围有关.

     

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.

     

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.

     

基于SWARM双星观测的场向电流的经度变化

本文利用SWARM A和C双星高精度的矢量磁场数据研究了不同季节高纬地区场向电流(FACs)随地磁经度和地方时的变化情况.研究发现:在南北半球,FACs存在明显的经度变化,南半球FACs的变化强度大约是北半球的1.2～3.2倍.利用潮汐谱分析法我们发现FACs中占主导的非迁移潮汐分量为DW2和D0.在春秋和夏季半球,DW2波更为明显.D0波可用太阳光照的经度变化来解释,向阳侧靠近磁极的经度带比远离磁极的经度带有更强的太阳光照射.DW2波则与地磁场强度和地磁倾角等因素有关.全球电离层与热层模型计算的FACs中D0波占主导,且中性风和对流电场对D0波的贡献几乎相当.     

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.

     

First complementary observations by ionospheric tomography, the EISCAT Svalbard radar and the CUTLASS HF radar

Experimental results are presented from ionospheric tomography, the EISCAT Svalbard radar and the CUTLASS HF radar. Tomographic measurements on 10 October 1996, showing a narrow, field-aligned enhancement in electron density in the post-noon sector of the dayside auroral zone, are related to a temporal increase in the plasma concentration observed by the incoherent scatter radar in the region where the HF radar indicated a low velocity sunwards convection. The results demonstrate the complementary nature of these three instruments for polar-cap ionospheric studies.     

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。