高纬电离层现象2015

1、高纬电离层现象高纬电离层现象v 高纬电场（高纬电场（electric fieldelectric field）v 高纬电流系（高纬电流系（current systemcurrent system）v 极光（极光（auroraaurora）v 亚暴（亚暴（storm and substormstorm and substorm）v 极风和槽极风和槽(polar wind, trough)(polar wind, trough)v 电离层不规则结构电离层不规则结构地球磁场结构地球磁场结构高纬地磁场：近似高纬地磁场：近似沿垂直方向，开放沿垂直方向，开放和闭合磁力线和闭合磁力线 太阳风磁层相互作太阳风

2、磁层相互作用：驱动磁层对流，用：驱动磁层对流，投影到电离层驱动投影到电离层驱动电离层对流电离层对流与磁层存在强耦合：与磁层存在强耦合：磁层粒子沉降，电磁层粒子沉降，电离层粒子上行离层粒子上行磁层电离层电流系磁层电离层电流系 不同太阳风压力下的地球磁层不同太阳风压力下的地球磁层地球磁层中的对流地球磁层中的对流磁场重联示意图磁场重联示意图日地能量传输日地能量传输 19611961年年DungeyDungey首次提出磁层顶的首次提出磁层顶的磁场重磁场重联联理论，认为地磁场和起源于太阳的行理论，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，星际磁场在特定条件下可以互相联通，形成开放磁力线

3、，太阳风通过开放磁力形成开放磁力线，太阳风通过开放磁力线向地球空间传输物质和能量，这对于线向地球空间传输物质和能量，这对于理解理解日地能量传输过程日地能量传输过程至关重要。至关重要。 1978-19791978-1979年，年，ISEEISEE系列卫星证实了向系列卫星证实了向阳面磁层顶的稳态重联过程，并发现瞬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。时重联产生的通量传输事件。高纬电离层电场高纬电离层电场u对流电场对流电场 （源于太阳风和磁层的相互作用）（源于太阳风和磁层的相互作用）u共转电场（源于地球的自转）共转电场（源于地球的自转）对流电场的大小与太阳活动有关对流电场的大小

4、与太阳活动有关共旋电场随离开地心距离的增加而迅速下降，在共旋电场随离开地心距离的增加而迅速下降，在3R3RE E范围内占主导地位范围内占主导地位IMF南向南向IMF南向，南向，IMF By 0近似对称的两单元近似对称的两单元对流图像示意图。对流图像示意图。图中迭加了图中迭加了DE-2DE-2卫卫星在北半球实测的星在北半球实测的漂移速度。漂移速度。IMFIMF南向时，高纬电离层对流图像南向时，高纬电离层对流图像 双涡旋结构双涡旋结构极光区向日流动极光区向日流动极盖区反向极盖区反向IMFIMF南向南向超级双极光雷达网的观测结果超级双极光雷达网的观测结果IMFIMF北向时，高纬电离层对流图像北向时，

5、高纬电离层对流图像 IMFIMF北向北向超级双极光雷达网的观测结果超级双极光雷达网的观测结果共旋电场共旋电场 在相对太阳静止的参考系中测量到的电场为：在相对太阳静止的参考系中测量到的电场为：其中其中 为地球自旋的角速度（每小时为地球自旋的角速度（每小时1515度）度）BrER)(物理含义：物理含义：由于大气的粘制作用，位于底部的等离子体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，将受到洛仑力线又将带动上层等离子体与地球共转，将受到洛仑兹力（兹力（ ）的作用，产生电荷分离，在

6、等离子）的作用，产生电荷分离，在等离子体内形成极化电场，这个极化电场就是共旋电场。体内形成极化电场，这个极化电场就是共旋电场。B) r(qF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对流电场 + + 共旋电场共旋电场旋转效应使对旋转效应使对流图发生畸变。流图发生畸变。计入共转效应计入共转效应后，两个对流后，两个对流单元是不同的。单元是不同的。黄昏侧，回流黄昏侧，回流和共转作用在和共转作用在相反的方向，相反的方向，因此黄昏对流因此黄昏对流单元有显著的单元有显著的畸变。畸变。极区电离层电流系极区电离层电流系u 场向电流：

7、场向电流：沿磁场流入和流出电离层的电流沿磁场流入和流出电离层的电流u PedersenPedersen电流：电流：电离层水平电流，平行于电场电离层水平电流，平行于电场u HallHall电流：电流：电离层水平电流，垂直于电场电离层水平电流，垂直于电场极区电离层水平电流极区电离层水平电流电离层和磁层电流之间可能的耦合。电离层和磁层电流之间可能的耦合。 极光极光极极 光光 磁尾的高能粒子（主要是电子）沉降到极磁尾的高能粒子（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受激辐射而发光。极光一般发生在极区100-4001

8、00-400公里高度，经常出现产生极光的公里高度，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，区域形成一个环状的带，称为极光椭圆带，大约在地磁纬度大约在地磁纬度67-7767-77度，但在强磁暴时度，但在强磁暴时也可能在低纬看到。也可能在低纬看到。aurora.mov极光椭圆极光椭圆( (极光卵极光卵) )亚亚 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极尖极尖 CT得到的500-2000km中纬槽结构图像a）05-05-12；b）05-05-16；c）05-05-19 在暴前(a)和暴后 (c) ，地磁活动相对平静，中纬槽赤道侧边界位于磁纬60N附近，极侧边界位于磁纬65N附近，槽宽较窄，约为5，800km高度上平均耗空深度分别为50%和40%左右，最大耗尽位于磁纬60N附近。在暴时(b)，中纬槽显著向赤道移动，槽明显展宽，其宽度超过10，800km高度上平均耗空深度约为60%。在中纬槽内部，可以清晰的看出双极小结构或类波状扰动，在相近的子午面和相近的时段，具有双极小结构的中纬槽还被DMSP卫星实地测量探测到。 在850km高度上，CT重

12、建和DMSP卫星实地测量的等离子体密度随磁纬的变化趋势基本一致，均在磁纬44N和58N之间观测到包含双极小结构的中纬槽，且在磁纬58N和65N之间都观测到形状类似的高纬槽。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反演的几何构型和射线覆盖反演的几何构型和射线覆盖GRACE-GPS射线几何构形示意射线几何构形示意GRACE

13、-A/BGRACE-A/B倾角：倾角：8989 轨道高度：轨道高度：500 km500 km运行周期：运行周期：1.6 h1.6 h卫星间距：卫星间距：210 km210 km采样间隔：采样间隔：10s10s GRACE-GPS射线覆盖示意图射线覆盖示意图 二维等效近似：二维等效近似：射线与射线与GRACE卫星轨卫星轨道面夹角小于道面夹角小于15度度高纬不规则结构高纬不规则结构电离增强补片电离增强补片AlaskaAlaska上空非相干散射雷达观测到的高纬电离层结构。纬度扫描持续时间上空非相干散射雷达观测到的高纬电离层结构。纬度扫描持续时间13min13min。电子密度等值线间隔。电子密度等值线间隔2 2 10101010 m m-3-3。 小尺度不规则结构小尺度不规则结构E区不规则结构区不规则结