高纬电离层现象2015

极光椭圆(极光卵)
不同地磁扰动水平下的极光椭圆
亚暴
亚暴概述
太阳风与磁层和高纬电离层的相互作用过程中， 太阳风的能量不断 地向磁层和极区电离层输运。 在某些条件下， 这些输入的能量以激烈的方式耗散， 从而在极光椭 圆区高层大气、 磁尾及内磁层导致一系列的扰动现象。 亚暴就是这 种磁层能量释放的过程，是磁尾的一种激烈而频繁的运动形式。 亚暴也称磁层亚暴，它引起磁层-电离层系统发生一系列的变化， 时间持续大约 3h 左右。 亚暴发生时， 极光带电离层、 磁层和等离子体层以及磁尾整体受扰， 表现出光、电磁、等离子体等多方面现象。 整个亚暴过程中， 磁尾磁场和等离子体一直有剧烈起伏， 出现高速 等离子体流。
极区电离层电流系
场向电流：沿磁场流入和流出电离层的电流
Pedersen电流：电离层水平电流，平行于电场
Hall电流：电离层水平电流，垂直于电场
极区电离层水平电流
在高纬电离层发电机区（约 110 130km 高度） ，与 低纬的情况类似，因为 in i 而 en e ，离子-中性 粒子碰撞很重要，而电子 -中性粒子碰撞并不重要。 这样，电子的运动主要受磁场控制，作 E×B 漂移， 而离子被中性粒子拖曳， 引起一个与 F 层对流方向相
亚暴在极光电离层的表现
极光亚暴 极光亚暴是指同时存在的一些极光和地磁扰动的事件，还包括较低纬度宇宙 噪音吸收增强和 6300Å 辐射增强。 极光亚暴过程从一个平静的极光弧突然变亮开始，接着增亮的极光弧向极方 向快速移动，在极光椭圆的午夜部分形成一个隆起，所需时间约 5 至 10min。 随后极光隆起向东西两侧和向赤道方向扩展，持续 10 至 30min。 大的折叠的极光弧以 1km/s 的速度西行，可以行进数千 km，形成西行涌浪。 向东扩展的极光弧最后破裂形成片状结构， 它们以 300m/s 的速度向极光椭圆 的黎明部分漂移。这一发展阶段对应于亚暴的膨胀相。 30min 至 1hr 极光隆起达到最大范围后，扩展的极光开始收缩，增亮的活动 的极光逐渐消失，亚暴总体来讲结束。
aurora.mov
极光的一般特征
极光一般与太阳活动非常相关，主要的联系纽带是太阳风， 不过，特定极光活动与特定的太阳活动事件并没有一一对应 的关系。 在时间和空间两方面，极光是都相当限定的一种现象。 就活动时间而言，极光全都显示亚暴的属性，即倾向以爆发 的方式发生，每次持续 30 至 60 分钟，中间有几小时的平静 期。 在每个亚暴期间， 极光椭圆都首先在午夜扇区变得活跃， 然后向其它纬度和其它经度扩展。
IMF南向，IMF By > 0
近似对称的两单元 对流图像示意图。 图中迭加了DE-2卫 星在北半球实测的 漂移速度。
IMF南向时，高纬电离层对流图像
超级双极光雷达网的观测结果
IMF南向
双涡旋结构
极光区向日流动
极盖区反向
IMF北向时，高纬电离层对流图像
超级双极光雷达网的观测结果
IMF北向
对于 F 层等离子体环流， 行星际磁场 （IMF） 起关键的作用。 IMF 南北向分量的影响最显著。 当 IMF 有南向分量时，在磁层顶的耦合较强，磁层环流也较强。 当 IMF 北向时，耦合较弱，环流也较弱，但环流图像更复杂。 已经提出了畸变的两单元和多个单元的对流图象。 IMF 的东西向分量同样影响环流，影响特别表现在环流单元的 相对尺度。IMF 的东西向分量(By)的影响在北半球和南半球相 反。高频相干雷达观测证实这一预计。


IMF南向
高纬电离层两单元对流图像的简化模型。
对流图像
在最高的纬度，极盖晨昏电场驱动等离子体直接从中午扇面 到午夜扇面的背日流动。典型的速度是几百 m/s。 在极光卵形区晨昏侧分别存在向日回流，形成典型的两单元 对流图像。 共转效应使流图发生畸变。计入共转效应后，两个对流单元 是不同的。黄昏侧，回流和共转作用在相反的方向，因此黄 昏对流单元有显著的畸变。 太阳风随时间处于不断变化之中。作为对太阳风变化的响 应，预期在任何情况下，整体流图应该不断地变化。
体内形成极化电场，这个极化电场就是共旋电场。
共旋电场的作用使得等离子体的漂移速度和地球的旋转速度一致
对流电场 + 共旋电场
旋转效应使对 流图发生畸变。 计入共转效应 后，两个对流 单元是不同的。 黄昏侧，回流 和共转作用在 相反的方向， 因此黄昏对流 单元有显著的 畸变。
对于南向 IMF，高纬 F 层等离子体对流示例。(a) 未考虑共转效应； (b) 考虑共转效应。每一条流线都是等势线。 极盖是中心位于离磁极午夜一侧约 5，半径约 15的园(图中虚线)。
LANL 1998-084 observations of energetic (top) proton and (bottom) electron particle injections during the March 1, 1997, substorm event.
高纬电离层现象
高纬电场（electric field） 高纬电流系（current system） 极光（aurora） 亚暴（storm and substorm） 极风和槽(polar wind, trough) 电离层不规则结构
地球磁场结构
高纬地磁场：近似 沿垂直方向，开放 和闭合磁力线
共旋电场
在相对太阳静止的参考系中测量到的电场为：
ER ( r ) B
其中 为地球自旋的角速度（每小时15度）
物理含义：由于大气的粘制作用，位于底部的等离子体
将与地球一起转动，根据磁冻结原理，地球磁场的磁 力线又将带动上层等离子体与地球共转，将受到洛仑
兹力（F q( r ) B ）的作用，产生电荷分离，在等离子
The H-component (magnetic north) of magnetometer recordings from 210◦ MM magnetometer network stations for a substorm event that occurred on March 1, 1997.
p S 反的电流。这就是 q 电流系。
SqP 电流系示意图
场向电流
场向电流是被卫星观测所证实的一个事实。在极区电离 层，场向电流是电离层和磁层耦合的重要环节。 场向电流的存在改变了人们对电流进行模拟的方法。由于 存在场向电流，在水平面内流动的二维电流系仅仅是等效 电流系。实际上，仅从地面的观测不能推断出一个唯一的 三维电流系。 目前的极光电集流模式为两个场向电流之间的 Hall 电流。 注意高纬侧的一片场向电流在亚暴期间连接至磁尾，由跨 磁尾电流所闭合。
An auroral breakup commencing at 1330:02– 1331:14 UT is recognized by a sudden arc brightening at 2100 MLT and 66 MLAT (first panel in the second line).
太阳风磁层相互作 用：驱动磁层对流， 投影到电离层驱动 电离层对流
与磁层存在强耦合： 磁层粒子沉降，电 离层粒子上行
磁层电离层电流系
不同太阳风压力下的地球磁层
地球磁层中的对流
磁场重联示意图
日地能量传输 • 1961年Dungey首次提出磁层顶的磁场重 联理论，认为地磁场和起源于太阳的行 星际磁场在特定条件下可以互相联通， 形成开放磁力线，太阳风通过开放磁力 线向地球空间传输物质和能量，这对于 理解日地能量传输过程至关重要。 • 1978-1979年，ISEE系列卫星证实了向 阳面磁层顶的稳态重联过程，并发现瞬 时重联产生的通量传输事件。
场向电流的分布和种类
电离层和磁层电流之间可能的耦合。
极光
极
光
• 磁尾的高能粒子（主要是电子）沉降到极 区电离层高度，撞击中性大气，使其产生 受激辐射而发光。极光一般发生在极区 100-400公里高度，经常出现产生极光的 区域形成一个环状的带，称为极光椭圆带， 大约在地磁纬度67-77度，但在强磁暴时 也可能在低纬看到。
高纬电离层电场

对流电场 （源于太阳风和磁层的相பைடு நூலகம்作用）
对流电场的大小与太阳活动有关

共转电场（源于地球的自转）
共旋电场随离开地心距离的增加而迅速下降，在3RE 范围内占主导地位
F 层对流
在高纬地区，太阳风 -磁层相互作用产生的大尺度电场可以沿磁力 线映射到高纬电离层，并驱动等离子体对流。 高纬电离层等离子体对流是太阳风 -磁层耦合在电离层中的一种表 现形式，是高纬电离层的一种特征性现象。 了解全球尺度高纬电离层对流的图像和时空演变规律， 是深入理解 磁层 -电离层耦合相互作用和太阳风向磁层 - 电离层系统的能量传 输过程的关键环节。 所谓等离子体对流实质上是电子和离子一起作 E B 漂移运动。 运动 方向垂直于磁力线，而磁场时冻结在等离子体中，因此，电子和离 子的 E B 漂移运动等效于磁力线的运动。
F 层对流电场
极区电离层对流电场起源于太阳风和磁层间的相互作用。在极盖区，F 层对流 电场由晨侧指向昏侧；在极光区，F 层对流电场由昏侧指向晨侧。 对流电场和 F 层等离子体对流有以下关系 2 V EB / B or E V B
极盖区和极光区 F 层对流电场
亚暴过程可分为成长相、膨胀相和恢复相三个阶段。 成长相是第一阶段。一般认为，这是太阳风能量进入地球磁层 并贮存在磁尾的过程。这一阶段中地面上磁场没有明显变化。 膨胀相是磁层亚暴的第二阶段。是磁尾能量突然释放的过程。 由于磁尾贮存的能量以激烈的方式释放到磁层和电离层中。 由 磁尾进入内磁层的能量较高的等离子体使环电流增强， 形成暴 环电流，引起地磁场扰动，极光亮度也同时增强。 恢复相是亚暴过程的最后阶段， 扰动磁场由极大值逐渐恢复到 正常值。
就空间范围而言，极光基本上出现在一个带上，100％ 出现率的一个峰在磁纬 65至 70之间，朝极和朝赤道 两边出现率都明显衰减。 频繁出现极光的区域，其边界不是一个圆，而是一个椭 圆，也称极光卵。极大出现在午夜的磁纬 67，到中午 纬度升至 77。 极光椭圆是地球空间的一个重要边界。 与磁层结构联系 起来看，在高纬侧，它通常被认为是开放与闭合磁力线 之间的分界线。在赤道侧，沿磁力线往上，对应等离子 体片的内边界。
地磁亚暴
地磁亚暴是亚暴在地磁场上的表现，地磁亚暴持续大约 2 至 3 小时。地磁亚暴 成串出现，事件间隔无规律。在极光带，典型的地磁亚暴扰动幅度为几百 nT， 同时伴随发生的还有极光亚暴、电离层亚暴。 地磁亚暴的特征是： 在午夜子午线上，在极光椭圆区磁场北向分量出现负弯扰，而在低纬侧出现正 弯扰；磁场变化有强的地方时效应，在极光椭圆带，负弯扰在午夜至黎明最强， 而在黄昏经常出现正弯扰。 亚暴期间，等效电离层电流方向指向西。西向电流集中分布在极光椭圆带，称 作极光电集流。西向电集流由极光椭圆带的黎明部分一直伸展到黄昏侧，再向 西有一东向电集流。 在磁亚暴期间，西向电集流分布的厚度约 20km，南北宽约 1000km，总电流强 度约为 9×105A，最大电流密度在 l10km 的高度，其数值约为 5A ／m2。
极光粒子的加速 极光分弥散极光和分立极光。一般认为 ,弥散极光由投掷角扩散引 起的辐射带粒子的沉降产生，而分立极光弧由峰值约为几千 eV 的 平行于地磁场的电子束产生。 亚暴期间分立极光弧增强表明 ,存在沉降电子加速的过程。而分立 极光弧是一个局域现象，因而沉降电子必定被局部区域内的某种加 速机制所加速。最可能的加速机制是局域平行于磁场的电场。在较 高的高度上， 磁力线可以看作是等势线， 不存在平行于磁场的电场。 在几千 km 以下，由于各种原因，磁力线不再是等势线，沿着磁力 线出现电位差，也就出现平行于磁力线电场。平行电场的形成可能 是电双层或静电波。