磁层亚暴过程及其对极区电离层的影响

摘要

磁层亚暴是太阳风-磁层-电离层耦合系统中最频繁的扰动形式,是近地空间最重要的能量输入、耦合和耗散过程。极区电离层通过磁力线与磁层联接在一起。磁层亚暴期间,很大一部分来自太阳风的能量在极区电离层以焦耳热的形式耗散,伴随极区电离层电动力学特征的剧烈变化。研究极区电离层尤其是暴时电动力学特征是磁层-电离层耦合研究的重要内容。本文主要利用极区电离层模型以及地磁反演方法,研究磁层亚暴期间极区电离层的电动力学参量的响应。同时通过对特殊的亚暴事件的分析对亚暴的触发机制进行了一定探讨。
　　 首先,利用自洽的极区电离层模型,结合沉降粒子分布模型,模拟了不同能谱条件下的极区电离层高度积分电导率和F层电子浓度的差异。研究结果发现,沉降电子平均能量较高时(如0.8keV、1.0keV、2.0keV、4.0keV、8.0keV时),麦克斯韦分布得到的F层电子浓度较高；而沉降电子平均能量较低时(如0.3keV、0.4keV时),修正麦克斯韦分布得到的F层电子浓度高。平均能量大于3.5keV时,麦克斯韦分布得到的裴德森电导率高于修正麦克斯韦分布的结果；平均能量小于3.5keV时,修正麦克斯韦分布的结果高。对于霍尔电导率,始终都是修正麦克斯韦分布得到的结果高。不同能谱分布得到的电导率的差值远远小于电导率的本身的值。在能通量一定的情况下,平均能量是影响电导率大小的决定因素。而能谱对F层电子密度影响较大,随着平均能量的增加,能谱对电子浓度的影响越显著。
　　 其次,结合太阳风、行星际磁场的条件,从IMAGE卫星2002年观测到的亚暴事件选择出了15个自发型亚暴事件和35个触发型亚暴事件。利用KRM地磁反演方法,结合101个北半球地面地磁台站的观测数据,反演了各个事件期间极区电离层的电动力学参量(包括电流矢量、等效电流函数和电势)分布。然后统计研究了自发型亚暴和触发型亚暴期间极区电离层的电动力学特征。研究发现,在一阶近似的前提下,触发性亚暴和自发型亚暴期间极区电离层的电动力学特征没有本质差别:生长相期间,双涡电流体系出现并逐渐增强；膨胀相初始之后,午夜区域西向电急流急剧增强:从生长相一直到最大相,越极盖电势差持续增强。但是,统计结果表明自发型亚暴在生长相时的越极盖电势差要远大于触发型亚暴,即自发型亚暴有较强的生长相,而触发型亚暴在膨胀相期间的越极盖电势差的增强更为明显。自发型亚暴恢复相期间,越极盖电势差仍然很强,相对最大相时没有明显的减弱。而对于触发型亚暴,恢复相期间的越极盖电势差相对于最大相时有明显的降低。对于自发型亚暴,由于其恢复相期间较强的直接驱动过程,其恢复相期间晨昏两侧的电流仍然很强。由于两类亚暴恢复相期间卸载过程逐渐减弱,所以两类亚暴恢复相期间午夜侧的电流都明显减弱。
　　 最后,研究了2004年12月13日0650 UT时的亚暴事件。在该亚暴事件膨胀相初始过程中,行星际磁场保持稳定北向,太阳风其他参数也非常稳定。IMGAE卫星分别于0648UT和0652UT在22.5 MLT和01 MLT先后观测到了两个极光点亮。加拿大地面台站也同时在东西间隔2个MLT的位置上观测到了西向电急流的急剧增强。GOES10卫星也观测到了明显的高能粒子注入和磁场偶极化。认为该亚暴事件是发生在行星际磁场北向时的自发型的亚暴事件,而且该亚暴事件具有两个亚暴起始。认为两个亚暴起始可能是由于磁层内部的不稳定性过程在经向的传播引起的。该亚暴事件期间AL指数达到了-300nT,极光活动区域覆盖了近4个MLT。结合太阳风、行星际磁场的条件,认为该亚暴事件的主要能量来源是行星际磁场南向时存储在磁尾的能量。行星际磁场By方向的重联也可能为该亚暴事件提供一定的能量。同时,利用KRM地磁反演算法,反演了该亚暴事件期间极区电离层的电动力学参量的演化特征。结果表明,在该亚暴膨胀相起始后,午夜之前西向电急流急剧增强,且等效电流体系表现为夜侧的双涡结构,同时伴随夜侧增强的南向电场。南向行星际磁场期间晨昏侧的双涡结构不复存在。由于极弱的直接驱动过程,卸载过程引起的电离层效应得到清楚的展示。卸载过程在膨胀相期间起绝对主导性作用。同时,夜侧电导率的增强是电急流区域电流急剧增强的主要原因。
　　 磁场亚暴在极区电离层引起的电动力学响应及其复杂。直接驱动过程和装卸载过程的相对贡献因不同的亚暴事件而异,因此形成了不同的亚暴期间,极区电离层变化多端的电动力学特征。同样,亚暴的触发机制仍然没有定论,尤其是太阳风、行星际磁场对亚暴触发的作用。这仍需要我们在以后的工作中继续研究和探讨。