地球磁層對不同太陽風(fēng)動壓有何響應(yīng)

　　太陽風(fēng)是太陽活動與地理空間環(huán)境之間聯(lián)系的關(guān)鍵媒介。 太陽風(fēng)動力學(xué)和行星際磁場是導(dǎo)致地球磁層變化的主要因素。

　　一旦太陽風(fēng)動壓發(fā)生增加或者減少均會壓縮或釋放一定的能量，從而導(dǎo)致地球磁層全球性響應(yīng)的產(chǎn)生。其中同步軌道磁場與地面磁場一般又是受磁層電流以及電離層電流影響的兩個最典型研究對象。該文探討了地球磁層對太陽風(fēng)動壓響應(yīng)的觀測結(jié)果和物理機(jī)制，分析了不同太陽風(fēng)動壓脈沖對磁層頂進(jìn)行作用過程中，地球同步軌道磁場以及地球水平磁場之間存在的相應(yīng)的響應(yīng)關(guān)系，據(jù)此來獲取在太陽風(fēng)動壓變化基礎(chǔ)上磁層電流系的變化對不同區(qū)域磁場所帶來的影響。

　　太陽風(fēng)、磁層和電離層三者構(gòu)成了一個較為復(fù)雜的耦合系統(tǒng)。當(dāng)太陽風(fēng)經(jīng)過地球磁層頂時，其中相當(dāng)一部分的能量、動量以及等離子體等都會借助行星際磁場的作用與地球磁場發(fā)生磁重聯(lián)或通過磁層邊界層所具有的似粘性作用來輸送至磁層，這種情況下就會導(dǎo)致磁層內(nèi)部發(fā)生對流運(yùn)動，并且會形成磁層大尺度電場以及電流。與此同時，太陽風(fēng)磁場以及等離子體所發(fā)生的變化也會在一定程度上影響到太陽風(fēng)和磁層之間的藕合效率，從而導(dǎo)致磁暴、磁層亞暴或者磁層穩(wěn)態(tài)對流等多種磁層的多時空尺度擾動現(xiàn)象[1]。Borodkova[2]研究了行星際太陽風(fēng)擾動引起的磁場響應(yīng)可以被地球同步軌道衛(wèi)星觀測到，并指出磁層對太陽風(fēng)動壓的變化有明顯的響應(yīng)過程。Wing[3]研究了地球同步軌道磁場與太陽風(fēng)動壓和行星際磁場Z分量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)地球同步軌道磁場對太陽風(fēng)動壓和行星際磁場南向分量的變化有短暫的響應(yīng)過程。本文首先對組成地球磁層的各結(jié)構(gòu)對太陽風(fēng)動壓響應(yīng)研究進(jìn)行了綜述，最后通過衛(wèi)星實際觀測數(shù)據(jù)分析了一次典型的地球同步軌道磁場與太陽風(fēng)動壓擾動的響應(yīng)事件。

　　1 太陽風(fēng)動壓脈沖結(jié)構(gòu)的相關(guān)磁層響應(yīng)

　　1.1 地磁場的擾動

　　在太陽風(fēng)動壓和磁層二者之間相互作用的過程中，會導(dǎo)致磁層電流系統(tǒng)發(fā)生一定程度的增強(qiáng)，包括磁層頂電流、場向電流以及磁層對流驅(qū)動形成的電離層電流等�；�于此，我們可以得出太陽風(fēng)動壓脈沖結(jié)構(gòu)必然會對于磁層、各個區(qū)域的磁場變化情況帶來一定程度的影響[4]。在空間物理學(xué)上，把高緯度區(qū)域地磁場水平分量發(fā)生的突然降低，同時還會持續(xù)一段時間的現(xiàn)象叫做負(fù)灣擾。并且在過去常將其作為判定地磁亞暴出現(xiàn)的關(guān)鍵標(biāo)志，然而隨后發(fā)現(xiàn)地磁亞暴并非是導(dǎo)致負(fù)灣擾出現(xiàn)的唯一機(jī)制。因為在磁層穩(wěn)態(tài)對流的作用下，實際上也能夠造成負(fù)灣擾，也稱為對流灣擾。尤其是在行星際磁場南向持續(xù)時間超過30 min之后，行星際激波或是動壓脈沖結(jié)構(gòu)到達(dá)地球磁層時，也能夠觸發(fā)負(fù)灣擾 [5-6] 。

　　1.2 極光擾動

　　在太陽風(fēng)動壓脈沖結(jié)構(gòu)作用下，可能導(dǎo)致大尺度極光活動的出現(xiàn)，這種擾動主要體現(xiàn)在極光快速和全面的增強(qiáng)，同時極光卵的極向邊界還會不斷向極區(qū)靠近。如果動壓脈沖結(jié)構(gòu)開始沖擊地球，那么極光卵中的相當(dāng)一部分區(qū)域就會同時形成一種增亮效應(yīng)。需要注意的是這種極光全面增強(qiáng)的現(xiàn)象和極光亞暴問題之間存在著非常顯著的差異。在極光亞暴發(fā)生期間極光活動限制在午夜前后一段時間的MLT(中間層和低熱層大氣)之內(nèi)，而極光活動則是先在高緯午夜側(cè)附近發(fā)生，接著才會慢慢向極側(cè)附近靠近，并且以東西方向來不斷擴(kuò)展，造成這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因和亞暴電流楔的形成以及方向擴(kuò)展之間存在密切的關(guān)系。除了地球同步軌道磁場的響應(yīng)之外，太陽風(fēng)動壓增強(qiáng)導(dǎo)致的其他磁層效應(yīng)實際上也和行星際磁場之間存在著極為密切的關(guān)系，如行星際磁場為北向以及南向時，那么磁層響應(yīng)就會發(fā)生很大的不同：一般來說，當(dāng)行星際磁場南向時，那么幾乎全部的電流均會出現(xiàn)大幅度的增強(qiáng);但是如果行星際磁場北向時，那么這些響應(yīng)則會表現(xiàn)的相對較弱[7]。

　　如果行星際磁場屬于弱南向磁場，也即是Bz不超過-5nT，同時南向磁場持續(xù)時間超過30 min以上，隨后出現(xiàn)行星際磁場南向磁場的變化，就有可能會導(dǎo)致經(jīng)典的亞暴出現(xiàn)。如果行星際磁場屬于微弱南向時，那么此時太陽風(fēng)動壓增強(qiáng)就會對整個的磁層進(jìn)行壓縮，造成全面極光增強(qiáng)活動的出現(xiàn)。反之，如果行星際磁場屬于強(qiáng)南向，也即是Bz的值不超過-8nT 的范圍之內(nèi)時，那么行星際磁場的變化也會導(dǎo)致亞暴的出現(xiàn)。

　　1.3 極蓋區(qū)變化

　　當(dāng)行星際磁場為穩(wěn)定南向時，那么極光卵幾乎全部磁地方時的極向邊界都會出現(xiàn)極向移動現(xiàn)象，極蓋區(qū)區(qū)域會從整體上出現(xiàn)一定程度的縮小。當(dāng)太陽風(fēng)動壓增強(qiáng)，行星際磁場的值基本上為零時，也就是行星際磁場處于北向或南向，那么我們就能夠在夜側(cè)觀察到極光卵極開始朝向邊界的極向方向而進(jìn)行移動，然而與此同時在陽側(cè)則不會出現(xiàn)任何變化。這是由于這種極蓋區(qū)的反應(yīng)實際上是在磁尾重聯(lián)以及磁層對流增強(qiáng)作用下而出現(xiàn)的[6～7]。

　　當(dāng)處于穩(wěn)定行星際磁場的情況之下，如果太陽風(fēng)動壓突然增強(qiáng)，極蓋區(qū)指數(shù)幾乎同時也會發(fā)生相應(yīng)的增強(qiáng)現(xiàn)象，這就證明了太陽風(fēng)動壓脈沖結(jié)構(gòu)實際上是能夠?qū)е聵O蓋電場和極區(qū)電離層DPZ電流跨極部分發(fā)生瞬時變化。一旦太陽風(fēng)動壓發(fā)生突然的增加，那么極蓋區(qū)指數(shù)也會表現(xiàn)為兩相變化，也就是首先發(fā)生急速下降造成一種負(fù)峰結(jié)構(gòu)，接著再突然增加到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過太陽風(fēng)動壓脈沖到達(dá)前所具有的水平;如果太陽風(fēng)動壓出現(xiàn)突然減小，那么極蓋區(qū)指數(shù)也會相應(yīng)的表現(xiàn)出相反的變化，也就是首先出現(xiàn)急速上升形成一種峰結(jié)構(gòu)，接著再發(fā)生突然下降。通常來說，峰值結(jié)構(gòu)會持續(xù)3分鐘左右。需要注意的是，急速變化的時刻和磁層壓縮而造成的A E 指數(shù)上升的時刻以及地球同步軌道粒子通量突然上升的時刻二者之間是相同的。這揭示了太陽風(fēng)動壓的突然變化很可能會導(dǎo)致磁層對流的瞬時變化。

　　1.4 磁尾的響應(yīng)

　　在磁尾尾瓣區(qū)，受到太陽風(fēng)動壓脈沖結(jié)構(gòu)作用而造成的磁層壓縮會使得尾瓣磁場一個較短的時間內(nèi)迅速發(fā)生增強(qiáng)現(xiàn)象。主要有兩種物理機(jī)制能夠?qū)τ谖舶闟I現(xiàn)象來進(jìn)行解釋，一種是太陽風(fēng)動壓顯著增強(qiáng)會導(dǎo)致在地球磁層頂出現(xiàn)激發(fā)磁流體波動，而在該波動的攜帶作用下磁通量也會跟隨其向陽側(cè)傳輸?shù)酱盼玻�這種情況下磁通量的堆積會造成磁尾尾瓣磁場發(fā)生較為明顯的增強(qiáng)。還有一種是磁尾壓縮模型，也即是在太陽風(fēng)動壓脈沖結(jié)構(gòu)在磁鞘中進(jìn)行傳播的過程中，部分增強(qiáng)的等離子體動壓會沿著磁層頂側(cè)翼方向以對稱的方式對磁尾進(jìn)行擠壓，而尾瓣磁壓和磁鞘內(nèi)等離子體動壓之間始終會保持一種平衡。這樣就會造成磁尾磁場的變化，進(jìn)而出現(xiàn)一些相應(yīng)的等離子體運(yùn)動[8]。具體的壓縮模型如圖1所示，如果假設(shè)磁尾尾瓣等離子體壓強(qiáng)能夠忽略不計，那么我們就可以用下列公式來表示磁尾與磁鞘太陽風(fēng)壓強(qiáng)間存在的平衡關(guān)系：

　　上式中的Tsw表示的是太陽風(fēng)電子溫度以及質(zhì)子溫度二者間的和， Pdy代表的含義是太陽風(fēng)動壓，Bsw，nsw代表的含義分別是太陽風(fēng)磁場強(qiáng)度以及數(shù)密度，字母K代表的含義是太陽風(fēng)動壓拖曳衰減系數(shù)，主要是用來衡量太陽風(fēng)粒子進(jìn)入到磁層頂?shù)囊粋�動量傳輸系數(shù)，α代表的含義是太陽風(fēng)流和尾瓣邊界二者之間的夾角，如果磁尾距離地球介于10 到20 RE之間是，它的值通常為17到30度之間，主要是由太陽風(fēng)動壓的大小而決定的[9～10] 。

　　1.5 地球同步軌道磁場擾動

　　在磁平靜時期，一般太陽風(fēng)動壓越高，那么相應(yīng)的磁場水平分量也就會越強(qiáng)，同時地球同步軌道中午側(cè)的磁場也會出現(xiàn)相應(yīng)的增強(qiáng)。在高分辨率地球同步軌道衛(wèi)星的幫助下，我們還能夠發(fā)現(xiàn)當(dāng)行星際磁場處于南向時，動壓增強(qiáng)造成陽側(cè)磁場受到壓縮而出現(xiàn)較為顯著的增強(qiáng)，然而在夜側(cè)磁場則呈現(xiàn)出了明顯的偶極化。

　　2 地球同步軌道磁層對太陽風(fēng)動壓響應(yīng)事件的實例分析

　　2.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)來源

　　本文研究中選擇的是2006年6月到2007年6月間ACE衛(wèi)星觀測的太陽風(fēng)等離子體數(shù)密度以及相關(guān)速度數(shù)據(jù)和GOES衛(wèi)星中的磁場數(shù)據(jù)以及地磁指數(shù)SYM-H數(shù)據(jù)等。其中太陽風(fēng)等離子體的相關(guān)數(shù)據(jù)來自ACE衛(wèi)星的SWE，所采用的數(shù)據(jù)時間分辨率是64 s。其中，GOES衛(wèi)星是在同步軌道上來進(jìn)行運(yùn)行的，采用了GOES8/10/11/12衛(wèi)星的磁場數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星位置，選擇的時間分辨率是60 s。實例分析中用到的SYM-H地磁指數(shù)為衡量環(huán)電流強(qiáng)度的新型地磁指數(shù)，代表的含義是地磁場水平分量所發(fā)生的對稱擾動[11]。而在地磁研究中通常使用的Dst指數(shù)，它所代表的含義是使用最廣泛的說明磁暴活動強(qiáng)度的指數(shù)，主要是從四個低緯度觀測站經(jīng)過測量所得到的地磁場水平分量減去平靜期平均變化同時參照臺站緯度進(jìn)行調(diào)整后而獲得的，采用的時間分辨率是1小時，它的大小主要是指環(huán)電流強(qiáng)度的量度情況。和常規(guī)的Dst指數(shù)對比，地磁指數(shù)SYM-H在獲取數(shù)據(jù)的觀測站上有所不同，其坐標(biāo)系也存在一些差異，采用的數(shù)據(jù)分辨率是1 min，我們能夠?qū)⑵湟暈楦叻直媛实腄st指數(shù)。

　　2.2 地球同步軌道磁場對太陽風(fēng)動壓擾動事件分析

　　圖2描述了一個非常典型的太陽風(fēng)動壓擾動事件。其中圖2a～d表示的就是ACE衛(wèi)星在L1點(diǎn)觀測到的于2006年8月3日發(fā)生的太陽風(fēng)動壓擾動事件圖。我們可以看到，在14∶30UT，此時太陽風(fēng)動壓Pd已經(jīng)由原來的3 nPa在短時間內(nèi)提升至6.5nPa左右，此時在擾動前太陽風(fēng)X方向，也就是GSE坐標(biāo)系的速度分量的值每秒達(dá)到了440 km。圖2e到f主要是描述了GOES11衛(wèi)星以及GOES12衛(wèi)星二者在太陽風(fēng)動壓擾動前后觀察到的地球同步軌道磁場Z分量所發(fā)生的變化，以及地磁指SYM-H的情況。其中能夠明顯觀察到，在15∶40UT左右，無論是同步軌道磁場還是地磁指數(shù)，都存在一個急劇增強(qiáng)的現(xiàn)象，我們能夠?qū)⑵淇醋鍪谴艑哟艌鲆约暗孛娲艌鰧υ?4∶30UT時ACE所觀察到的太陽風(fēng)動壓增加事件的響應(yīng)，同時還注意到這一響應(yīng)時刻和ACE衛(wèi)星觀測到的動壓擾動時刻相比，要晚70分鐘左右到達(dá)。同時，從圖2d中也能夠明顯觀察到，在16∶10UT時，ACE再次觀察到了一個動壓減小事件，并且在之后17∶20UT無論是同步軌道磁場還是地磁指數(shù)均在短時間內(nèi)發(fā)生了較為迅速的下降，我們發(fā)現(xiàn)響應(yīng)時間同樣延遲70 min左右。從上面的分析能夠得出，同步軌道磁場Z分量和地磁指數(shù)SYM-H對行星際太陽風(fēng)動壓的擾動存在非常明顯的正響應(yīng)關(guān)系。同時，軌道磁場Z分量和地磁指數(shù)SYM-H響應(yīng)幅度也非常得明顯。

　　3 統(tǒng)計與分析

　　3.1 同步軌道磁場Z分量對于太陽風(fēng)動壓擾動的響應(yīng)情況分析

　　圖3、圖4分別表示的是同步地球軌道磁場Z分量響應(yīng)幅度dBz及相對響應(yīng)幅度dBZ/AV_BZ(AV_Bz表示擾動前30分鐘的平均場)二者隨磁地方時變化而發(fā)生的相應(yīng)變化。從圖3中不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處于地方時正午附近區(qū)域的時候，同步軌道磁場對于太陽風(fēng)動壓擾動響應(yīng)的幅度存在一個較大的值，但是到了午夜附近響應(yīng)幅度又開始變得較小，畢業(yè)論文格式部分情況下可能發(fā)生零響應(yīng)甚至負(fù)響應(yīng)現(xiàn)象。與此同時，上圖中的實線表示的含義是同步軌道磁場在遇到動壓增大事件所發(fā)生的平均響應(yīng)幅度的擬合曲線，虛線代表的含義是動壓減小事件與平均響應(yīng)幅度所出現(xiàn)的變化的擬合曲線。從圖中可以看到，白天側(cè)的同步軌道磁場響應(yīng)幅度和夜側(cè)相比，相對較大，同時圖中還顯示在午夜附近其值達(dá)到最小。另外，動壓增大事件平均響應(yīng)幅度所能夠達(dá)到的最大值是發(fā)生在11 時左右的時候;而其動壓減小事件平均響應(yīng)幅度所能夠達(dá)到的最大值則是發(fā)生在午后13時附近。從圖中也發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng)動壓增大和減小事件響應(yīng)的地方時分布情況實際上是以子午面為對稱軸的近似對稱。

　　3.2 SYM-H響應(yīng)幅度和同步地球軌道磁場Z分量響應(yīng)幅度之間存在的關(guān)系

　　我們知道，能夠?qū)�SYM-H指數(shù)變化起到影響作用的不僅有磁層電流，還包括電離層電流的作用，由于地球同步軌道往往處于電離層以上的位置，因此對同步軌道磁場造成影響的主要因素應(yīng)當(dāng)還是是磁層電流。考慮到在同步軌道的不同區(qū)域，磁層電流對同步軌道磁場的所帶來的影響可能也存在一定程度的差異。

　　我們把同步軌道劃分為四個區(qū)域，其中9-15LT表示的是白天側(cè)，15-21LT表示的是昏側(cè)，3-9LT表示的是晨側(cè)，21-3LT表示的是夜側(cè)，在此基礎(chǔ)上就可以分析每一個區(qū)域同步軌道磁場Z分量響應(yīng)幅度和SYM-H響應(yīng)幅度二者存在的關(guān)系。具體的結(jié)果如圖所示。從中不難看出，在白天側(cè)區(qū)域范圍內(nèi)，同步軌道磁場響應(yīng)幅度和地磁指數(shù)響應(yīng)幅度二者之間存在一種較為良好的線性關(guān)系，二者之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.93。考慮到白天側(cè)同步軌道磁場響應(yīng)最主要是受到磁層頂電流變化所帶來的影響，所以我們可以將SYM-H對于動壓事件的響應(yīng)影響認(rèn)為幾乎都是在磁層頂電流的作用之下而發(fā)生的。圖中還明確的顯示了地磁指數(shù)響應(yīng)幅度dSYM-H和同步軌道響應(yīng)幅度dBz二者之間的相關(guān)系數(shù)值在晨昏側(cè)時較為接近，基本一致，但是到了夜側(cè)區(qū)域二者的相關(guān)性則最差。而之所以在晨昏側(cè)和夜側(cè)二者的相關(guān)性不高，及其原因在于影響上述區(qū)域的電流系和白天側(cè)相比顯得更加復(fù)雜，除了受到磁層頂電流的影響外，還受到來自于場向電流以及磁尾電流二者的共同作用。

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