电离层对流和极光区电集流的地磁链观测

本文采用31个高纬地磁台站资料考察1997年5月15日一次中等磁暴期间极光区电集流和电离层对流的空间分布和时间变化;其中20站处于纬度60°N～80°N之间的西半球,而另11站是偶极磁经度约为120°E的欧洲IMAGE地磁站链.对此纬度链和经度链上各站1-min精度地磁资料的综合分析结果表明,极光区电集流中心的相对强度及其纬度位置是随世界时和地方时区不断变化的.电集流中心所处位置的变化可能是其中心的南北移动造成的,也可能是中心带与磁纬圈间的相互倾斜所致.另一方面,电离层对流形态和晨昏对流圈的经向跨度及其两端的位置是基本不变的.有关结论得到同期的非相干散射雷达EISCAT观测的证实和补充.     

对流电场、场向电流和极光区电集流变化的地磁响应

对流电场、场向电流和极光区电集流是磁层一电离层耦合的主要物理过程．它们的演化发展时间分别为几分钟至半小时的量级．本文用１００°Ｅ和３００°Ｅ的两个地磁经度链附近各１１个台站的１ｍｉｎ均值地磁Ｈ和Ｚ分量资料,分析了１９９４年４月１６—１７日磁暴期间磁层耦合过程对极光区和中低纬区电离层扰动的地磁特征．强磁暴开始时,台站所处的地方时位置不同,则观测到的电离层和地磁响应也完全不同．这是磁层对流和一、二区场向电流共同作用的结果．一般说,扰时极光区的西向电集流变化更为强烈．随着耦合的发展,极光区范围会向南北扩展,电集流中心带则向低纬侧移动．在中低纬区,二区场向电流的建立能屏蔽一区场向电流所产生的扰动,并引起反向的电流及地磁变化．由此,中低纬区夜间有可能出现短时间的东向电场,又可通过ＥＸＢ的垂直向上漂移作用抬升Ｆ层等离子体,并发生同一经度链附近的多站电离层ｈ＇Ｆ同时突增现象．另一方面,磁赤道附近的台站则更多地受内磁层赤道环电流和电离层赤道电集流的影响．     

对流电场、场向电流和极光区电集流变化的地磁响应

对流电场、场向电流和极光区电集流是磁层一电离层耦合的主要物理过程．它们的演化发展时间分别为几分钟至半小时的量级．本文用１００°Ｅ和３００°Ｅ的两个地磁经度链附近各１１个台站的１ｍｉｎ均值地磁Ｈ和Ｚ分量资料,分析了１９９４年４月１６-１７日磁暴期间磁层耦合过程对极光区和中低纬区电离层扰动的地磁特征．强磁暴开始时,台站所处的地方时位置不同,则观测到的电离层和地磁响应也完全不同．这是磁层对流和一、二区场向电流共同作用的结果．一般说,扰时极光区的西向电集流变化更为强烈．随着耦合的发展,极光区范围会向南北扩展,电集流中心带则向低纬侧移动．在中低纬区,二区场向电流的建立能屏蔽一区场向电流所产生的扰动,并引起反向的电流及地磁变化．由此,中低纬区夜间有可能出现短时间的东向电场,又可通过ＥＸＢ的垂直向上漂移作用抬升Ｆ层等离子体,并发生同一经度链附近的多站电离层ｈ＇Ｆ同时突增现象．另一方面,磁赤道附近的台站则更多地受内磁层赤道环电流和电离层赤道电集流的影响．     

亚暴期间极光电集流带的变化

极光活动加剧和极光电集流增强是磁层-电离层能量耦合的两种重要表现形式,它们同为磁层带电粒子向电离层沉降的结果,但是变化规律却非常不同.本文用地基磁场资料,反演极区等效电流体系,研究地磁平静期和扰动期极光电集流带的运动特点.研究表明,Harang间断把极光电集流带分为两段：下午—黄昏段的东向电集流带较弱,而晨侧和子夜—凌晨段的西向电集流带较强.在亚暴膨胀相,随着AE指数增大,整个极光卵向赤道扩展,而极光电集流带却表现出分段差异的特点：下午—黄昏东向电集流带向低纬移动,晨侧西向电集流带也向赤道移动,而子夜—凌晨西向电集流带则向极移动.电动力学分析表明,在不同地方时段,控制电流的主要因素不同,因而,电流及其磁扰有不同的特点：下午—黄昏东向电集流和晨侧西向电集流组成了DP2电流体系,主要受控于磁层对流电场,反映了“驱动过程”的行为;而子夜—凌晨西向电集流是DP1电流体系的基本部分,主要受控于电导率,反映了“卸载过程”的特点.     

1998年8月6日亚暴期间极光电集流指数AE的特征分析

极光电集流指数(AE)被广泛用来定量描述由电离层电流引起的极光带地磁活动.AE指数也是宏观描述亚暴事件强度和发展过程的一个主要指标,它的优点在于简单直观和快速.本文对1998年8月6日系列亚暴事件的极光活动、电流体系和AE指数的形态特征进行了分析.结果表明,伪亚暴期间虽然AE指数大于500 nT 且有快速增长和缓慢恢复的形态,但是极光没有明显的极向或者赤道向的扩展,极区电流体系主要呈现对流特征;伪亚暴和亚暴期间AE指数的形态变化没有本质区别,但电集流中心的位置有很大差异.我们进一步分析了台站分布对AE指数计算的影响,探讨了伪亚暴和亚暴期间磁场扰动最大值所处的磁地方时的差异.     

极光电集流纬度变化特征初步分析

为研究极光电集流地磁纬度分布特征,利用北半球SME台站提供的极光电集流指数,通过时序叠加的方法,分析98-07年极光电集流中心地磁纬度随季节和世界时的分布特征.通过对磁扰程度的分级,分析极光电集流地磁纬度随地磁扰动程度的变化特征.结果表明:1)由于SME台站覆盖范围更广,更多地记录到最大的极光电集流强度,有利于研究极光电集流的变化特征;2)西向板光电集流纬度分布存在与强度相反的季节性变化特征,在春秋出现最低值,冬季、夏季出现最高值;3)在| SML|＜2000 nT时,西向极光电集流地磁纬度随着极光电集流强度的增强,近似以线性关系向低纬迁移.随后伴随SML的进一步增强,西向极光极光电集流中心地磁纬度仍有向低纬迁移的趋势,但主要是在磁纬62°N-63°N之间波动.     

磁层源赤道电集流效应的地方时变化和地区影响

本文用亚洲、非洲7个低纬地磁台资料研究磁层大尺度扰动引起的赤道电集流效应,并与模式计算结果进行比较。在分析的1982年21个事件中,Dst持续下降均在5h以上,其间至少有一个小时的环电流能量增长指数及Rq,（?）q是相应月份5个国际磁静日内该小时Zq之均值。取R指数负值最大时为0h。对分布于不同经度的3个台站的21个事件ΔZ按地方时平均,与模式计算的赤道电集流随地方时的变化进行了对比;又比较了7个台站3小时序列的变化类型和模式所得之电集流演化形态,结果均有较好吻合。仅非洲一站出现了某种特殊性。这表明除磁层扰动效应外,地理和地质因素也起一定作用,其具体影响及有关机制尚待进一步考察。     

磁层源赤道电集流效应的地方时变化和地区影响

本文用亚洲、非洲7个低纬地磁台资料研究磁层大尺度扰动引起的赤道电集流效应,并与模式计算结果进行比较。在分析的1982年21个事件中,D_st持续下降均在5h以上,其间至少有一个小时的环电流能量增长指数及R<-25nT/h。分析中只用了各事件的-1h,0h和1h之ΔZ。ΔZ=Z-（?）_q,（?）_q是相应月份5个国际磁静日内该小时Z_q之均值。取R指数负值最大时为0h。对分布于不同经度的3个台站的21个事件ΔZ按地方时平均,与模式计算的赤道电集流随地方时的变化进行了对比;又比较了7个台站3小时序列的变化类型和模式所得之电集流演化形态,结果均有较好吻合。仅非洲一站出现了某种特殊性。这表明除磁层扰动效应外,地理和地质因素也起一定作用,其具体影响及有关机制尚待进一步考察。     

赤道电集流扰动变化的多源性

用１９７９年和１９８５－１９８８年印度３站地磁Ｚ分量资料分析了赤道电集流的扰动变化。按磁层－电离层耦合的程度和发展阶段，得到了４类扰日△Ｚ平均日变化的不同形态，并对此作了谐波分析和相关分析。各类扰日中，电动耦合直接穿透及后继的屏蔽效应和动力耦合包括电离层扰动发电机效应的相对重要性各不相同。有关结果还用中纬地磁指数的变化进行了印证。     

CSES卫星观测的赤道电集流特征

本文利用2018年8月到2019年12月期间我国张衡一号电磁监测试验卫星(CSES)所观测的地磁数据,反演了赤道电集流(EEJ)电流密度的纬度剖面;通过选取的4729个清晰的EEJ事件,分析了在地方时(LT)14:00附近的EEJ特征.研究结果表明：在地磁平静期间,CSES卫星观测的EEJ电流密度的峰值位于磁赤道附近,其平均幅度约为27 mA·m^-1.该幅度小于CHAMP和Swarm卫星的观测结果,这与2018—2019年期间太阳活动水平较低(平均F_10.7指数约为70 sfu)有关,此外也与CSES轨道所处的地方时相关.平均而言,EEJ的主瓣宽度约为4°,主瓣和旁瓣的峰值电流密度之比约为2.7;在本文所关注的事件中,东向EEJ事件约占83%,西向EEJ事件约占17%;这个比例与CHAMP卫星的观测结果稍有不同,与14:00 LT附近西向EEJ出现的概率较低有关.东向EEJ的峰值电流密度对经度、季节和太阳辐射水平有显著的依赖性.EEJ峰值密度随经度变化呈现明显的4波结构,可归因于低层大气非迁移潮汐的作用.EEJ峰值电流密度有明显的季节依赖,其幅度在春秋分较大,冬夏季较小.在2018—2019年期间,尽管太阳活动水平较低,EEJ峰值密度随太阳辐射水平的增加而增加.

     

极光沉降粒子能量与AE、Dst指数的相关分析

对NOAA的POES系列极轨卫星观测得到的1978年以来近30年的极光沉降粒子半球能量的估算值EPI(Estimated Power Input)数据进行了分析,结果表明,极光沉降粒子有显著的春秋分峰值的年变化特征,并且有冬季半球沉降能量较大的南北半球不对称性.对EPI的时均值Pa与地磁指数AE、Dst的相关分析得到,Pa与AE的相关系数为0.76,Pa与Dst的相关系数为-0.55.把南北半球的时均值SPa,NPa数据分别与AE,Dst指数做相关,发现SPa与AE的相关性稍高于NPa的,SPa和NPa与Dst的相关性近似.当时延τ=0时,AE与Pa的相关最好,表明全球极光沉降粒子和极光电集流的变化同步;当Dst滞后于Pa,时延τ=1~2 h,Pa与Dst的相关最好,并且时延τ为6～8 h,Pa与Dst的相关都好于无时延的水平.     

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.

     

极光沉降粒子能量与AE、Dst指数的相关分析

对NOAA的POES系列极轨卫星观测得到的1978年以来近30年的极光沉降粒子半球能量的估算值EPI(Estimated Power Input)数据进行了分析,结果表明,极光沉降粒子有显著的春秋分峰值的年变化特征,并且有冬季半球沉降能量较大的南北半球不对称性.对EPI的时均值Pa与地磁指数AE、D_st的相关分析得到,Pa与AE的相关系数为0.76,Pa与D_st的相关系数为-0.55.把南北半球的时均值SPa,NPa数据分别与AE,D_st指数做相关,发现SPa与AE的相关性稍高于NPa的,SPa和NPa与D_st的相关性近似.当时延τ=0时,AE与Pa的相关最好,表明全球极光沉降粒子和极光电集流的变化同步;当D_st滞后于Pa,时延τ=1~2 h,Pa与D_st的相关最好,并且时延τ为6～8 h,Pa与D_st的相关都好于无时延的水平.     

极区电离层闪烁指数和对流速度关系的建模研究

电离层对流速度会显著影响电离层闪烁的发生,尤其是在具有较大对流速度的高纬极区,且其对相位闪烁指数和幅度闪烁指数影响各不相同.本文基于弱散射条件下电离层闪烁理论,初步构建了极区电离层闪烁指数与对流速度的显式关系模型,模型结果表明当相位谱指数取定值3时,相位闪烁指数和幅度闪烁指数的比值与对流速度存在线性关系;进而,利用加拿大Hall Beach台站的观测数据,验证了由电离层闪烁指数比值推断电离层对流速度这一方法在极区的适用性.这不仅提升我们对电离层闪烁机理的认识,也提供了一种获取极区电离层对流速度的新途径,将有助于改善和提高我国北斗全球导航系统的服务精度.

     

基于GEI方法对苏皖地区地电活动指数的可靠性研究

使用地电扰动幅度与静日变化幅值比的地电活动指数(GEI)计算方法,连续计算江苏、安徽两省6个地电场台站2018年第一季度的单台地电指数D、平均地电指数Ds。同时将地电指数D、Ds与单台地磁指数K、平均地磁指数K(即[K+0.5])对比得到:86.48%的指数D与指数K完全相同或仅相差1,89.44%的指数D s与指数完全相同或仅相差1。两类电、磁指数的高度吻合说明:(1)连续产出的地电指数是可靠的。(2)地电指数D、Ds可以量化界定地电场活动水平。极个别的地电指数D、Ds与地磁指数K、仍存在一定差异,这与地电场台站观测有关,提升地电场观测资料的质量能更好地确定地电指数。(3)地电指数与地磁指数相互弥补能更准确地确定地球电磁活动水平,其在相关的地球科学技术领域有广泛的应用前景。     

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.

     

极区地磁亚暴等效电流体系的本征模分析

亚暴是空间天气预报非常关注的磁层事件一般来说, 每一次亚暴事件都包含“直接驱动过程”和“卸载过程”两物理机制的贡献, 它们分别对应磁层大尺度对流过程和亚暴电流楔形成过程为了定量地分离这两种过程所对应的电流体系, 本文使用自然正交分量法对每一时刻的极区电流体系进行本征模分析, 试图得到两种过程所对应的特征电流图案及其随时间的变化分析结果表明, 第一本征模的电流图案呈双涡结构, 对应于“直接驱动过程”, 第二本征模的电流图案反映了极光带西向电集流的基本特征, 对应于“卸载过程”前者无论在平静期间, 还是亚暴期间始终存在, 其强度从亚暴增长相开始增加, 膨胀相期间快速增长, 恢复相期间逐渐减小; 后者在平静期间几乎为零, 亚暴增长相期间变化不大, 直到膨胀相开始才迅速增长, 恢复相期间逐渐减小根据上述分解, 可以对目前普遍用来描述亚暴强度的ＡＥ指数进行修正, 得到分别反映对流过程和电流楔形成过程的相应指数     

地磁低点位移与地磁场等效电流体系关系的初步研究

利用地磁内外源场分离的方法,反演得到了1997年11月8日玛尼地震和1998年１月10日张北地震前地下和空间等效电流体系的演化图象,并分析研究了地磁低点位移出现前后等效电流体系变化特征．结果表明,内、外场等效电流体系的变化与地震ldquo;低点位移rdquo;异常现象有着内在的联系,等效电流体系变化可能是地磁低点位移异常现象产生的原因之一。随着我国地磁台站的加密建设,势必可以得到更为精确的地磁场等效电流体系的演化特征,更有利于地震预测的研究。      

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.     

地磁活动Dst指数存在的问题与思考

D_st指数是空间物理领域应用最为广泛的地磁活动指数之一．它是用于监测磁暴活动及赤道环电流变化的重要参数．虽然其计算简便,具有连续性和时序性好的优势,但是不可避免伴随一系列问题．本文回顾了几十年来关于D_st指数的物理意义和计算方法等问题的认识,并对指数计算中关于台站和暴时变化双重因素对指数可能产生的影响进行分析．结果表明,D_st指数具有物理意义复杂、不能完全反映磁暴过程、计算中存在误差以及数学意义不明确等问题．特别是例如长期变所引入的误差,甚至可能对磁暴分级产生影响．此外,在暴时变化地方时不对称和台站分布的空间不均匀的双重因素作用下,D_st指数的数学意义并不明确．它既非反映暴时变化均值,也非强度极大值．该问题对于磁暴定量化具有怎样的意义需要未来作进一步探讨．