高緯電離層現(xiàn)象2015

1、高緯電離層現(xiàn)象高緯電離層現(xiàn)象v 高緯電場（高緯電場（electric fieldelectric field）v 高緯電流系（高緯電流系（current systemcurrent system）v 極光（極光（auroraaurora）v 亞暴（亞暴（storm and substormstorm and substorm）v 極風(fēng)和槽極風(fēng)和槽(polar wind, trough)(polar wind, trough)v 電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)地球磁場結(jié)構(gòu)地球磁場結(jié)構(gòu)高緯地磁場：近似高緯地磁場：近似沿垂直方向，開放沿垂直方向，開放和閉合磁力線和閉合磁力線 太陽風(fēng)磁層相互作太陽風(fēng)

2、磁層相互作用：驅(qū)動(dòng)磁層對流，用：驅(qū)動(dòng)磁層對流，投影到電離層驅(qū)動(dòng)投影到電離層驅(qū)動(dòng)電離層對流電離層對流與磁層存在強(qiáng)耦合：與磁層存在強(qiáng)耦合：磁層粒子沉降，電磁層粒子沉降，電離層粒子上行離層粒子上行磁層電離層電流系磁層電離層電流系 不同太陽風(fēng)壓力下的地球磁層不同太陽風(fēng)壓力下的地球磁層地球磁層中的對流地球磁層中的對流磁場重聯(lián)示意圖磁場重聯(lián)示意圖日地能量傳輸日地能量傳輸 19611961年年DungeyDungey首次提出磁層頂?shù)氖状翁岢龃艑禹數(shù)拇艌鲋卮艌鲋芈?lián)聯(lián)理論，認(rèn)為地磁場和起源于太陽的行理論，認(rèn)為地磁場和起源于太陽的行星際磁場在特定條件下可以互相聯(lián)通，星際磁場在特定條件下可以互相聯(lián)通，形成開放磁力線

3、，太陽風(fēng)通過開放磁力形成開放磁力線，太陽風(fēng)通過開放磁力線向地球空間傳輸物質(zhì)和能量，這對于線向地球空間傳輸物質(zhì)和能量，這對于理解理解日地能量傳輸過程日地能量傳輸過程至關(guān)重要。至關(guān)重要。 1978-19791978-1979年，年，ISEEISEE系列衛(wèi)星證實(shí)了向系列衛(wèi)星證實(shí)了向陽面磁層頂?shù)姆€(wěn)態(tài)重聯(lián)過程，并發(fā)現(xiàn)瞬陽面磁層頂?shù)姆€(wěn)態(tài)重聯(lián)過程，并發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)重聯(lián)產(chǎn)生的通量傳輸事件。時(shí)重聯(lián)產(chǎn)生的通量傳輸事件。高緯電離層電場高緯電離層電場u對流電場對流電場 （源于太陽風(fēng)和磁層的相互作用）（源于太陽風(fēng)和磁層的相互作用）u共轉(zhuǎn)電場（源于地球的自轉(zhuǎn)）共轉(zhuǎn)電場（源于地球的自轉(zhuǎn)）對流電場的大小與太陽活動(dòng)有關(guān)對流電場的大小

4、與太陽活動(dòng)有關(guān)共旋電場隨離開地心距離的增加而迅速下降，在共旋電場隨離開地心距離的增加而迅速下降，在3R3RE E范圍內(nèi)占主導(dǎo)地位范圍內(nèi)占主導(dǎo)地位IMF南向南向IMF南向，南向，IMF By 0近似對稱的兩單元近似對稱的兩單元對流圖像示意圖。對流圖像示意圖。圖中迭加了圖中迭加了DE-2DE-2衛(wèi)衛(wèi)星在北半球?qū)崪y的星在北半球?qū)崪y的漂移速度。漂移速度。IMFIMF南向時(shí)，高緯電離層對流圖像南向時(shí)，高緯電離層對流圖像 雙渦旋結(jié)構(gòu)雙渦旋結(jié)構(gòu)極光區(qū)向日流動(dòng)極光區(qū)向日流動(dòng)極蓋區(qū)反向極蓋區(qū)反向IMFIMF南向南向超級雙極光雷達(dá)網(wǎng)的觀測結(jié)果超級雙極光雷達(dá)網(wǎng)的觀測結(jié)果IMFIMF北向時(shí)，高緯電離層對流圖像北向時(shí)，

5、高緯電離層對流圖像 IMFIMF北向北向超級雙極光雷達(dá)網(wǎng)的觀測結(jié)果超級雙極光雷達(dá)網(wǎng)的觀測結(jié)果共旋電場共旋電場 在相對太陽靜止的參考系中測量到的電場為：在相對太陽靜止的參考系中測量到的電場為：其中其中 為地球自旋的角速度（每小時(shí)為地球自旋的角速度（每小時(shí)1515度）度）BrER)(物理含義：物理含義：由于大氣的粘制作用，位于底部的等離子體由于大氣的粘制作用，位于底部的等離子體將與地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)磁凍結(jié)原理，地球磁場的磁將與地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)磁凍結(jié)原理，地球磁場的磁力線又將帶動(dòng)上層等離子體與地球共轉(zhuǎn)，將受到洛侖力線又將帶動(dòng)上層等離子體與地球共轉(zhuǎn)，將受到洛侖茲力（茲力（ ）的作用，產(chǎn)生電荷分離，在

6、等離子）的作用，產(chǎn)生電荷分離，在等離子體內(nèi)形成極化電場，這個(gè)極化電場就是共旋電場。體內(nèi)形成極化電場，這個(gè)極化電場就是共旋電場。B) r(qF共旋電場的作用使得等離子體的漂移速度和地球的旋轉(zhuǎn)速度一致共旋電場的作用使得等離子體的漂移速度和地球的旋轉(zhuǎn)速度一致對流電場對流電場 + + 共旋電場共旋電場旋轉(zhuǎn)效應(yīng)使對旋轉(zhuǎn)效應(yīng)使對流圖發(fā)生畸變。流圖發(fā)生畸變。計(jì)入共轉(zhuǎn)效應(yīng)計(jì)入共轉(zhuǎn)效應(yīng)后，兩個(gè)對流后，兩個(gè)對流單元是不同的。單元是不同的。黃昏側(cè)，回流黃昏側(cè)，回流和共轉(zhuǎn)作用在和共轉(zhuǎn)作用在相反的方向，相反的方向，因此黃昏對流因此黃昏對流單元有顯著的單元有顯著的畸變。畸變。極區(qū)電離層電流系極區(qū)電離層電流系u 場向電流：

7、場向電流：沿磁場流入和流出電離層的電流沿磁場流入和流出電離層的電流u PedersenPedersen電流：電流：電離層水平電流，平行于電場電離層水平電流，平行于電場u HallHall電流：電流：電離層水平電流，垂直于電場電離層水平電流，垂直于電場極區(qū)電離層水平電流極區(qū)電離層水平電流電離層和磁層電流之間可能的耦合。電離層和磁層電流之間可能的耦合。 極光極光極極 光光 磁尾的高能粒子（主要是電子）沉降到極磁尾的高能粒子（主要是電子）沉降到極區(qū)電離層高度，撞擊中性大氣，使其產(chǎn)生區(qū)電離層高度，撞擊中性大氣，使其產(chǎn)生受激輻射而發(fā)光。極光一般發(fā)生在極區(qū)受激輻射而發(fā)光。極光一般發(fā)生在極區(qū)100-4001

8、00-400公里高度，經(jīng)常出現(xiàn)產(chǎn)生極光的公里高度，經(jīng)常出現(xiàn)產(chǎn)生極光的區(qū)域形成一個(gè)環(huán)狀的帶，稱為極光橢圓帶，區(qū)域形成一個(gè)環(huán)狀的帶，稱為極光橢圓帶，大約在地磁緯度大約在地磁緯度67-7767-77度，但在強(qiáng)磁暴時(shí)度，但在強(qiáng)磁暴時(shí)也可能在低緯看到。也可能在低緯看到。aurora.mov極光橢圓極光橢圓( (極光卵極光卵) )亞亞 暴暴An auroral breakupcommencing at 1330:021331:14 UT is recognized by a sudden arc brightening at 2100 MLT and66 MLAT (first panel in the

9、second line).The H-component (magnetic north) of magnetometer recordings from 210 MM magnetometernetwork stations for a substorm event that occurred on March 1, 1997.LANL 1998-084 observations of energetic (top) proton and (bottom) electron particle injections during the March 1, 1997, substorm even

10、t.IMAGE-WIC plots in the Southern HemisphereSubstorm expansion onset identificationPseudo breakupSubstorm expansion onsetGround magnetometer recordings SCW-associated westward electrojetIntensive westward electrojetWeak eastward electrojetESKI: 71.49 MLat, 20:30 MLT at 03:17 UT03:17 UT substorm onse

11、t極尖極尖 CT得到的500-2000km中緯槽結(jié)構(gòu)圖像a）05-05-12；b）05-05-16；c）05-05-19 在暴前(a)和暴后 (c) ，地磁活動(dòng)相對平靜，中緯槽赤道側(cè)邊界位于磁緯60N附近，極側(cè)邊界位于磁緯65N附近，槽寬較窄，約為5，800km高度上平均耗空深度分別為50%和40%左右，最大耗盡位于磁緯60N附近。在暴時(shí)(b)，中緯槽顯著向赤道移動(dòng)，槽明顯展寬，其寬度超過10，800km高度上平均耗空深度約為60%。在中緯槽內(nèi)部，可以清晰的看出雙極小結(jié)構(gòu)或類波狀擾動(dòng)，在相近的子午面和相近的時(shí)段，具有雙極小結(jié)構(gòu)的中緯槽還被DMSP衛(wèi)星實(shí)地測量探測到。 在850km高度上，CT重

12、建和DMSP衛(wèi)星實(shí)地測量的等離子體密度隨磁緯的變化趨勢基本一致，均在磁緯44N和58N之間觀測到包含雙極小結(jié)構(gòu)的中緯槽，且在磁緯58N和65N之間都觀測到形狀類似的高緯槽。123Ne/ (1010m-3)DMSP-F15 178OW 8.1 UT(0.0 MLT)a01234Ni/ (1010m-3)100030005000Te/ K3040506070Geom. Latitude/ deg.-4000400Vz/ m.s-1bcdCT 163OW 8.8 UT(1.9 MLT)CTCT反演的幾何構(gòu)型和射線覆蓋反演的幾何構(gòu)型和射線覆蓋GRACE-GPS射線幾何構(gòu)形示意射線幾何構(gòu)形示意GRACE

13、-A/BGRACE-A/B傾角：傾角：8989 軌道高度：軌道高度：500 km500 km運(yùn)行周期：運(yùn)行周期：1.6 h1.6 h衛(wèi)星間距：衛(wèi)星間距：210 km210 km采樣間隔：采樣間隔：10s10s GRACE-GPS射線覆蓋示意圖射線覆蓋示意圖 二維等效近似：二維等效近似：射線與射線與GRACE衛(wèi)星軌衛(wèi)星軌道面夾角小于道面夾角小于15度度高緯不規(guī)則結(jié)構(gòu)高緯不規(guī)則結(jié)構(gòu)電離增強(qiáng)補(bǔ)片電離增強(qiáng)補(bǔ)片AlaskaAlaska上空非相干散射雷達(dá)觀測到的高緯電離層結(jié)構(gòu)。緯度掃描持續(xù)時(shí)間上空非相干散射雷達(dá)觀測到的高緯電離層結(jié)構(gòu)。緯度掃描持續(xù)時(shí)間13min13min。電子密度等值線間隔。電子密度等值線間隔2 2 10101010 m m-3-3。 小尺度不規(guī)則結(jié)構(gòu)小尺度不規(guī)則結(jié)構(gòu)E區(qū)不規(guī)則結(jié)構(gòu)區(qū)不規(guī)則結(jié)