内磁层电流体系的地磁效应

对Ⅱ区场向电流及其伴随的部分环电流和电离层电流组成的内磁层三维电流体系（PRFI电流系）的磁场效应进行了数值计算.这一三维电流体系在中低纬度地面产生的磁场呈现出特殊的纬度分布:X分量几乎不随纬度变化,Y分量随纬度增高近似呈线性变化.这些特征明显不同于对称环电流的磁场分布特征（X∝ cosφ,φ是纬度,Y=0）,也不同于DP2、S_q、L等电流体系的磁场分布特征.利用这一特征我们可以从地磁台子午链观测到的磁场扰动中分离出PRFI电流系的贡献.用1989年3月磁暴的实例检验了上述模型,观测结果与理论结果符合得很好.分析结果还表明,最大的D_st指数并不一定对应着最强的对称环电流.     

磁暴期间太阳风-磁层-电离层间的耦合过程

本文用行星际和地面磁场以及电离层资料,讨论了三次磁暴期间高、中纬电离层电场对太阳风和磁层内变化的响应。 分析表明,当IMF的B_x分量由北向转为南向时,太阳风驱动的磁层对流变化能直接反映出高纬电离层电位的变化。但持续南向的B_x再次增强时,太阳风输入的主要能量耗损于内磁层过程;电离层的响应表现为一个弛豫过程。当B_x由南转北时,环电流的消失对电离层的作用同样有弛豫的特点。此时,驱动电位已撤消,环电流是维持电离层电位的唯一外源。 本文用电路类比及简单模式法结论对上述几种实测情况进行了讨论。     

中低纬度电离层大尺度电流体系空间结构的稳定性

本文在Hibberd方法的基础上提出了一种分离变化磁场几种主要成分的方法,使用这种方法可以定量地给出每天S_q型变化、D_st变化和其他不规则变化。用东亚地磁台链资料进行了检验,结果表明:中低纬度电离层S_q型电流体系的空间结构相当稳定,即使在磁暴期间,该电流体系的结构也无十分明显的变化;磁扰期间复杂的地磁变化主要来自磁层环电流、场向电流和高纬度电离层电流:S_q逐日变化主要表现在幅度上,这反映了电离层发电机电流体系具有较稳定的空间结构和逐日变化的强度。     

Sq发电机电流的逐日变化和Sq指数

用中国地磁台站的资料,研究了S_q逐日变化的形态学特征,用理论模型计算了磁层环电流、部分环电流、场向电流、磁尾电流、Chapman-Ferraro电流的地磁效应.在消除了这些磁层电流体系的影响之后,得到了电离层潮汐风发电机电流产生的磁场S_q变化.对1973年的资料研究表明,S_q发电机电流的逐日变化主要表现在强度上,即使在磁扰期间,也可以分离出形态稳定的S_q变化.由此提出了一种新的地磁指数--S_q指数,用来描述S_q发电机电流强度的逐日变化.     

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．     

1990年3月21日磁暴期间的电离层响应

利用美、欧、日等国非相干散射雷达观测的离子速度,高纬地磁站链1 min分辨率H分量及多站地面电离层垂测h'F等多种资料,对高低纬电离层的磁层耦合响应进行事例分析.除常规地磁资料外,极光区两雷达站对F层离子速度的测量是考察高纬电离层对流的很有效手段.本次中强磁暴期间赤道环电流指数Dst的最小值为-136 nT,但其最大的离子速度却超过2500 m/s,双对流圈的西旋则约为30°.从此次事件中极光区两雷达站离子速度的连续观测,得出了物理上合理的电离层对流形态,此图象得到地磁站链记录的有力支持.本事例的中低纬电离层响应再次确认了磁层扰动从高纬向中低纬穿透的事实.此外,Arecibo非相干散射雷达站资料又进一步证明:在同一经度链附近,磁暴期夜间电离层垂测h'F的多站突增现象是东向扰动电场从高纬穿透到中低纬,再通过E×H垂直向上的等离子漂移,使F层底部上升的结果.本文用高、低纬台站的多种观测资料较好地分析了该典型电离层物理现象.     

Weimer电场模式在地球磁层内的特征

地球磁层中的电场是研究磁层物理的重要参数,目前常用的对流电场有均匀晨昏电场和投影电场.电离层电场可以看做磁层电场沿磁力线在电离层的投影,本文选取的电离层电场模型为Weimer(2001模式)电场.利用T96磁场模式,沿磁力线将电离层电场投影到磁层空间,得到一个新的磁层电场模式,并讨论了磁暴、行星际磁场(IMF)、太阳风参数和亚暴等对磁层电场的影响.利用该模型计算的电场结果与卫星探测结果相符.     

Sq发电机电流的UT变异性及其地面磁场的重建

本文用不同经度的7对中低纬台站水平磁场分量H,求得1965年随世界时（UT）变化的S_q指数（一种描述S_q电离层发电机电流强度的地磁指数）.结果表明,S_q发电机电流不仅有显著的逐日变化,而且有很大的UT变化.UT变化主要表现在电流总强度的强弱和电流涡焦点纬度移动两方面,这意味着决定发电机过程的太阳潮汐风场和电离层电导率随UT而变.用求得的S_q指数重新构造出的S_q变化与观测值符合得较好,它不仅显示出S_q幅度逐日变化的特点,而且还能复现出S_q形态的某些逐日变异性.     

磁层电场引起的Sq“低点位移”

中低纬度地磁场Z分量S_q变化极小值出现的时刻常常被用作预报地震的前兆(即“低点位移”法)。本文指出一种能引起“低点位移”的非地震原因:——行星际磁场北向分量的变化引起磁层大尺度电场的变化;这个变化电场透过阿尔芬层,进入内磁层,并在电离层中形成一个特征的电流体系,使S_q电流体系发生畸变,电流涡的焦点发生位移,从而引起地面磁场Z分量极小值地方时的改变。这个过程所引起的“低点位移”有时可以超过1小时。所以在用“低点位移”法预报地震时,应该考虑行星际磁场的状态,排除非地震起因的磁异常。     

2018年松原MS 5.7地震地电场变化特征

<正>1研究背景地电场主要包括大地电场和自然电场,大地电场的场源是高空电离层、磁层、对流层的电流体系的电磁感应,其影响分布于整个地表。20世纪70年代后,希腊、法国、日本等国家把地电场应用于地震等自然灾害的监测预警。我国地电场观测与地震预测研究始于1966年3月22日邢台M_S 7.2地震后,并记录到不少震前异常变化。例如：1975年辽宁海城地震前,海城虎庄邮电支队和冶金102队应用观测地面两点间地电流异常,成功预报此次地震;20世纪80年代希腊学者Varotsos(1984)应用多极距观测法,解决了地电场观测系统噪声问题;席继楼等(2020)应用传统的时间序列统计法,分析了2019年四川长宁M_S 6.0地震前后仙女台方位角异常变化。     

磁暴主相的經度不对称性

太阳带电粒子流通过磁边界层的中性点或阻塞点,由于极化电場的漂移运动或雷萊-泰勒（Rayleish-Taylor）不稳定运动,穿透磁层而进入地磁場被輻射带所捕获。这些被捕获的电子将向东漂移而形成西向电流。在它們围繞地球一周形成封閉的电流环以前,由于地球的自轉以及这个电流弧对地球各地的相对位置的不同,电流分布以及它在地面磁赤道附近所产生的磁場分布都将是不均匀的,对經度来耕是不对称的。本文假定电子繞地球的漂移周期为两天,計算了当磁暴开始时位于地方时00,06,12及18小时的台站記录的磁場随“暴时”T_st变化的曲线。理論結果与用佘山及洪伽幼地磁台站得到的統計結果是一致的。     

电离密度分布对中低纬非导管哨声波传播的影响

本文在偶极子地磁模型和各种电离密度分布模型中,对中低纬非导管哨声波的传播特性进行了射线追踪研究。结果表明,地磁场位形及其引起的磁层等离子体的各向异性是决定哨声射线几何特征及速度结构的主要因素,而电离密度仅在一定程度上改变上述特征;电离层是形成哨声射线聚焦的主要原因;赤道异常和电离层显著地影响哨声波的到达纬度;哨声群时延和色散值主要决定于电离密度;中低纬非导管哨声近似符合Eckersley定律;电离层是决定波法线角能否满足透射条件的主要因素。     

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。     

2015年3月磁暴期间中国中低纬地区电离层变化分析

2015年3月17日爆发了本太阳活动周最大的地磁暴,Dst指数达到-233 nT.本文利用电离层测高仪f_。F_2和h_mF_2、北斗同步卫星(BDSGEO)TEC以及GPS电离层闪烁S4指数对此次磁暴期间中国中低纬地区(北京、武汉、邵阳和三亚)的电离层变化进行分析,并对此次磁暴所引发电离层暴的可能机制进行了探讨.磁暴期间,中低纬电离层暴整体表现为正相暴之后长时间强的负相暴.3月17日白天中纬正相暴为风场抬升电离层所致,而驼峰区及低纬地区正相暴由东向穿透电场所引起;3月18日白天长时间的强负相暴为西向扰动发电机电场和成分扰动所引起;3月17和18日夜间的负相暴可能是日落东向电场受到抑制以及赤道向风场对扩散的抑制导致驼峰向赤道压缩所致,同时被抑制的日落东向电场强度不足以触发产生赤道扩展F,导致低纬三亚和邵阳夜间电离层闪烁在磁暴期间受到完全抑制.这是我们首次基于北斗同步卫星TEC组网观测开展的电离层暴研究.     

Some aspects of electrostatic coupling between E and F regions relevant to plasma irregularities: A review based on recent observations

This paper provides a review on some of the electrostatic coupling effects relevant for generating/modifying plasma irregularities during nighttime in the low latitude ionosphere based on recent observations. Emphasis is given to the role of large polarization electric field associated with an unstable region affecting another region remotely located. Recent radar observations on valley region and E region irregularities from low latitudes show convincing evidence in support of effective electrostatic field coupling along the magnetic field line for their manifestation. Interestingly, the low latitude observations clearly show the ineffectiveness of plasma bubble related fringe fields in generating low latitude valley region irregularities unlike that over the dip equator. Velocity perturbations associated with the unstable low latitude E region relevant for studying the seeding of equatorial spread F are also shown. These new observations have been critically examined in the light of existing experimental knowledge and current understanding of the electrostatic coupling effects for the generation/modification of plasma irregularities in a remote region.     

Poker flat radar observations of the magnetosphere–ionosphere coupling electrodynamics of the earthward penetrating plasma sheet following convection enhancements

The plasma sheet moves earthward (equatorward in the ionosphere) after enhancements in convection, and the electrodynamics of this response is strongly influenced by Region 2 magnetosphere–ionosphere coupling. We have used Poker Flat Advanced Modular Incoherent Scatter Radar (PFISR) observations associated with two relatively abrupt southward turnings of the IMF to provide an initial evaluation of aspects of this response. The observations show that strong westward sub-auroral polarization streams (SAPS) flow regions moved equatorward as the plasma sheet electron precipitation (the diffuse aurora) penetrated equatorward following the IMF southward turnings. Consistent with our identification of these flows as SAPS, concurrent DMSP particle precipitation measurements show the equatorial boundary of ion precipitation equatorward of the electron precipitation boundary and that westward flows lie within the low-conductivity region between the two boundaries where the plasma sheet ion pressure gradient is expected to drive downward R2 currents. Evidence for these downward currents is seen in the DMSP magnetometer observations. Preliminary examination indicates that the SAPS response seen in the examples presented here may be common. However, detailed analysis will be required for many more events to reliably determine if this is the case. If so, it would imply that SAPS are frequently an important aspect of the inner magnetospheric electric field distribution, and that they are critical for understanding the response of the magnetosphere–ionosphere system to enhancements in convection, including understanding the earthward penetration of the plasma sheet. This earthward penetration is critical to geomagnetic disturbance phenomena such as the substorm growth phase and the formation of the stormtime ring current. Additionally, for one example, a prompt electric field response to the IMF southward turnings is seen within the inner plasma sheet.     

On the relationship of SAPS to storm-enhanced density

We use magnetic field-aligned mapping between the ionosphere and the magnetosphere to intercompare ground-based observations of storm enhanced density (SED), and plasmasphere drainage plumes imaged from space by the IMAGE EUV imager, with the enhanced inner-magnetosphere/ionosphere SAPS electric field which develops during large storms. We find that the inner edge of the SAPS electric field overlaps the erosion plume and that plume material is carried sunward in the SAPS overlap region. The two phenomena, SED in the ionosphere and the erosion plume at magnetospheric heights, define a common trajectory for sunward-propagating cold plasma fluxes in the midnight—dusk–postnoon sector. The SAPS channel at ionospheric heights and its projection into the equatorial plane serve to define the sharp outer boundary of the erosion plume. The SAPS electric field abuts and overlaps both the plasmasphere boundary layer and the plasmasphere erosion plume from pre-midnight through post-noon local times.