日侧极光弧观测研究

摘要

极光是由太阳风进入地球磁层顶或是磁尾存储的能量粒子，沿着磁力线沉降到极区电离层，与中性粒子碰撞、激发从而产生的发光现象。夜侧极光与磁层亚暴过程相关，而日侧极光与磁层边界层之间有着内在联系。通过对日侧极光的观测研究，可以进一步了解磁层边界层的动力学过程。
　　日侧极光弧是一种最为典型、明亮的日侧极光形态（磁地方时6点到18点）。稳定的极光弧在经度方向延伸(＞100 km)，在纬度方向相对狭窄(～18 km)。极光弧粒子的能量在几百eV到10 keV。黄河站观测到的日侧极光弧主要出现在地磁纬度(MLAT)76°附近，在午前和午后的发生率较高，而在磁正午附近极少出现。本文利用中国北极黄河站连续观测得到的多波段全天空极光图像数据，结合行星际磁场，以及DMSP卫星和SuperDARN雷达的协同观测，进行日侧极光弧的观测研究，重点分析了日侧极光弧的宽度、走向和运动以及沉降粒子的能谱特征。
　　我们利用北极黄河站557.7 nm波段的全天空极光观测，测量了日侧极光弧的宽度。极光弧宽度的平均值为18.5 km，标准偏差为13km，这与沉降电子加速区域的大小相关。对于宽度较窄的极光弧，沉降电子的加速机制可能是Alfven波加速。同时，我们还得到极光弧宽度与磁层源区的大小正相关。磁力线往正午极隙区汇聚，越靠近磁正午，磁层源区相对越小，极光弧宽度也越小。
　　我们还定量计算了日侧极光弧的走向。用倾斜角来表示极光弧的走向，表征极光弧偏离地磁东西方向的程度。极光弧的倾斜角随着磁地方时的增加而逐渐减小，并在磁地方时(MLT)10点半附近发生反转。这是因为倾斜角的反转时刻与电离层对流喉区的位置相关，在平均行星际磁场条件下，电离层对流喉区位于磁正午附近偏向晨侧。同时，我们还发现，倾斜角的反转时刻在高纬侧更靠近晨侧而在低纬侧则更靠近磁正午。结合OMNI行星际磁场数据，我们发现极光弧倾斜角的反转位置会受到行星际磁场By的影响，当By为负（正）时，反转位置往磁正午（晨侧）偏移。这也是因为行星际磁场By的变化会对电离层对流喉区的偏向产生影响，从而改变极光弧的走向。
　　对日侧极光弧纬向运动的研究发现，它由三部分组成:黄河站随地球自转而产生的观测速度、缓慢的运动(＜200 m/s)以及快速的运动(＞200 m/s)。与地球自转相关的极光弧运动不是弧的实际运动，它由极光弧倾斜角决定，在晨侧为极向运动，随着磁地方时的增加逐渐转变为赤道向运动，平均速率为51 m/s。缓慢的运动与电离层等离子体对流运动相关，越靠近磁正午极向运动越明显，平均速率为132 m/s。快速的运动主要受到行星际磁场影响，行星际磁场分量Bz转南或转北会使得极盖区边界扩张或收缩，从而导致极光弧发生赤道向或极向运动。
　　利用黄河站多波段极光观测数据，我们得到557.7 nm波段的日侧极光弧平均发光强度在午前暖点(～09 MLT)和午后热点(～15MLT)存在极大值，分别为2.2和2.9 kR;而630.0 nm波段的平均强度比557.7 nm波段弱，在磁正午出现极大值，为1.5 kR。对DMSP卫星穿越黄河站上空事件分析，我们得到了沉降电子的能量正比于极光弧强度比I557.7/I630.0，沉降电子的总能通量正相关于极光弧强度I557.7的定量关系式。对沉降粒子能谱的分析发现，在午前和午后扇区，极光弧粒子主要来源于等离子体片边界层;晨昏侧一些高纬的极光弧，电子平均能量较低，对应于等离子体幔;在磁正午附近，极光弧处于赤道向一侧，沉降电子的平均能量也较低，小于600 eV，对应的磁层源区为低纬边界层。
　　本文对日侧极光弧的宽度、走向、运动以及所在源区进行了系统分析。但是，对产生日侧极光弧粒子的具体加速机制还需要通过事件分析来进一步确认;我们已经得到日侧极光弧的源区，但是对于不同源区极光弧观测的差别仍需要再对比分析;此外，极光弧上的一些精细结构（如卷曲、螺旋）的特征以及相应的动力学过程也需要进一步了解。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．1．1 极光卵

1．1．2 极光光谱

1．2 极光的形态和分布

1．2．1 卫星观测的极光分布和形态

1．2．2 场向电流和日侧磁层源区

1．2．3 地基观测日侧极光形态和分布

1．3 日侧极光弧的研究现状

1．3．1 极光弧的形态和能谱特征

1．3．2 极光弧机制的研究

1．4 主要观测手段及其原理

1．4．1 地面极光观测系统

1．4．2 SuperDARN雷达

1．4．3 卫星数据

1．5 本文的主要内容

第2章 日侧极光弧的宽度及其与MLT的关系

2．1 引言

2．2 极光弧宽度的计算和修正

2．2．1 极光弧观测宽度的计算

2．2．2 极光弧宽度的修正

2．3 统计结果

2．3．1 极光弧宽度的分布

2．3．2 极光弧宽度随磁地方时(MLT)的变化

2．4 讨论

2．4．1 不同发光高度对弧宽计算的影响

2．4．2 极光下半高度对弧宽计算的影响

2．4．3 极光弧粒子加速机制

2．5 本章小节

第3章 日侧极光弧的走向及其与电离层对流喉区的关系

3．1 引言

3．2 极光弧的走向和倾斜角计算

3．3 计算结果

3．3．1 极光弧的走向和倾斜角随MLT的变化

3．3．2 极光弧的走向随MLAT的变化

3．3．3 极光弧的走向的分布变化

3．4 讨论

3．4．1 IMF对极光弧倾斜角反转点的影响

3．4．2 不同IMF By影响极光弧走向的事例

3．5 本章小结

第4章 日侧极光弧纬向运动特征分析

4．1 引言

4．2 极光弧运动速度计算

4．2．1 极光弧观测速度计算

4．2．2 去除地球自转的影响

4．3 计算结果

4．3．1 极光弧的运动速度分布

4．3．2 极光弧运动速度随MLT的变化

4．4 讨论

4．4．1 等离子体对流对极光弧运动的影响

4．4．2 IMF对极光弧运动的影响

4．4．3 极光弧运动反转事例

4．4．4 与地球自转相关的极光弧运动速度

4．5 本章小结

第5章 日侧极光弧电子能谱的反演以及对应磁层源区

5．1 引言

5．2 观测数据

5．3 统计结果

5．3．1 极光发光强度的磁地方时分布

5．3．2 极光强度比I557．7／I630．0与极光发光强度I557．7的关系

5．3．3 极光发光强度和强度比与沉降电子能谱之间的关系

5．4 讨论

5．4．1 日侧极光弧粒子的磁层源区

5．4．2 日侧极光弧对应沉降电子能谱的反演

5．5 结论

第6章 总结和展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果