地球磁層對(duì)不同太陽風(fēng)動(dòng)壓有何響應(yīng)

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

　　一旦太陽風(fēng)動(dòng)壓發(fā)生增加或者減少均會(huì)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(chǎng)與地面磁場(chǎng)一般又是受磁層電流以及電離層電流影響的兩個(gè)最典型研究對(duì)象。該文探討了地球磁層對(duì)太陽風(fēng)動(dòng)壓響應(yīng)的觀測(cè)結(jié)果和物理機(jī)制，分析了不同太陽風(fēng)動(dòng)壓脈沖對(duì)磁層頂進(jìn)行作用過程中，地球同步軌道磁場(chǎng)以及地球水平磁場(chǎng)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(dòng)壓變化基礎(chǔ)上磁層電流系的變化對(duì)不同區(qū)域磁場(chǎng)所帶來的影響。

　　太陽風(fēng)、磁層和電離層三者構(gòu)成了一個(gè)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(shí)，其中相當(dāng)一部分的能量、動(dòng)量以及等離子體等都會(huì)借助行星際磁場(chǎng)的作用與地球磁場(chǎng)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(huì)導(dǎo)致磁層內(nèi)部發(fā)生對(duì)流運(yùn)動(dòng)，并且會(huì)形成磁層大尺度電場(chǎng)以及電流。與此同時(shí)，太陽風(fēng)磁場(chǎng)以及等離子體所發(fā)生的變化也會(huì)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(duì)流等多種磁層的多時(shí)空尺度擾動(dòng)現(xiàn)象[1]。Borodkova[2]研究了行星際太陽風(fēng)擾動(dòng)引起的磁場(chǎng)響應(yīng)可以被地球同步軌道衛(wèi)星觀測(cè)到，并指出磁層對(duì)太陽風(fēng)動(dòng)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(chǎng)與太陽風(fēng)動(dòng)壓和行星際磁場(chǎng)Z分量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)地球同步軌道磁場(chǎng)對(duì)太陽風(fēng)動(dòng)壓和行星際磁場(chǎng)南向分量的變化有短暫的響應(yīng)過程。本文首先對(duì)組成地球磁層的各結(jié)構(gòu)對(duì)太陽風(fēng)動(dòng)壓響應(yīng)研究進(jìn)行了綜述，最后通過衛(wèi)星實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了一次典型的地球同步軌道磁場(chǎng)與太陽風(fēng)動(dòng)壓擾動(dòng)的響應(yīng)事件。

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

　　1.1 地磁場(chǎng)的擾動(dòng)

　　在太陽風(fēng)動(dòng)壓和磁層二者之間相互作用的過程中，會(huì)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(chǎng)向電流以及磁層對(duì)流驅(qū)動(dòng)形成的電離層電流等�；�于此，我們可以得出太陽風(fēng)動(dòng)壓脈沖結(jié)構(gòu)必然會(huì)對(duì)于磁層、各個(gè)區(qū)域的磁場(chǎng)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(chǎng)水平分量發(fā)生的突然降低，同時(shí)還會(huì)持續(xù)一段時(shí)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?yàn)樵诖艑臃�(wěn)態(tài)對(duì)流的作用下，實(shí)際上也能夠造成負(fù)灣擾，也稱為對(duì)流灣擾。尤其是在行星際磁場(chǎng)南向持續(xù)時(shí)間超過30 min之后，行星際激波或是動(dòng)壓脈沖結(jié)構(gòu)到達(dá)地球磁層時(shí)，也能夠觸發(fā)負(fù)灣擾 [5-6] 。

　　1.2 極光擾動(dòng)

　　在太陽風(fēng)動(dòng)壓脈沖結(jié)構(gòu)作用下，可能導(dǎo)致大尺度極光活動(dòng)的出現(xiàn)，這種擾動(dòng)主要體現(xiàn)在極光快速和全面的增強(qiáng)，同時(shí)極光卵的極向邊界還會(huì)不斷向極區(qū)靠近。如果動(dòng)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(huì)同時(shí)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(dòng)限制在午夜前后一段時(shí)間的MLT(中間層和低熱層大氣)之內(nèi)，而極光活動(dòng)則是先在高緯午夜側(cè)附近發(fā)生，接著才會(huì)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(chǎng)的響應(yīng)之外，太陽風(fēng)動(dòng)壓增強(qiáng)導(dǎo)致的其他磁層效應(yīng)實(shí)際上也和行星際磁場(chǎng)之間存在著極為密切的關(guān)系，如行星際磁場(chǎng)為北向以及南向時(shí)，那么磁層響應(yīng)就會(huì)發(fā)生很大的不同：一般來說，當(dāng)行星際磁場(chǎng)南向時(shí)，那么幾乎全部的電流均會(huì)出現(xiàn)大幅度的增強(qiáng);但是如果行星際磁場(chǎng)北向時(shí)，那么這些響應(yīng)則會(huì)表現(xiàn)的相對(duì)較弱[7]。

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

　　1.3 極蓋區(qū)變化

　　當(dāng)行星際磁場(chǎng)為穩(wěn)定南向時(shí)，那么極光卵幾乎全部磁地方時(shí)的極向邊界都會(huì)出現(xiàn)極向移動(dòng)現(xiàn)象，極蓋區(qū)區(qū)域會(huì)從整體上出現(xiàn)一定程度的縮小。當(dāng)太陽風(fēng)動(dòng)壓增強(qiáng)，行星際磁場(chǎng)的值基本上為零時(shí)，也就是行星際磁場(chǎng)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(dòng)，然而與此同時(shí)在陽側(cè)則不會(huì)出現(xiàn)任何變化。這是由于這種極蓋區(qū)的反應(yīng)實(shí)際上是在磁尾重聯(lián)以及磁層對(duì)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(chǎng)的情況之下，如果太陽風(fēng)動(dòng)壓突然增強(qiáng)，極蓋區(qū)指數(shù)幾乎同時(shí)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的增強(qiáng)現(xiàn)象，這就證明了太陽風(fēng)動(dòng)壓脈沖結(jié)構(gòu)實(shí)際上是能夠?qū)е聵O蓋電場(chǎng)和極區(qū)電離層DPZ電流跨極部分發(fā)生瞬時(shí)變化。一旦太陽風(fēng)動(dòng)壓發(fā)生突然的增加，那么極蓋區(qū)指數(shù)也會(huì)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(dòng)壓脈沖到達(dá)前所具有的水平;如果太陽風(fēng)動(dòng)壓出現(xiàn)突然減小，那么極蓋區(qū)指數(shù)也會(huì)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(huì)持續(xù)3分鐘左右。需要注意的是，急速變化的時(shí)刻和磁層壓縮而造成的A E 指數(shù)上升的時(shí)刻以及地球同步軌道粒子通量突然上升的時(shí)刻二者之間是相同的。這揭示了太陽風(fēng)動(dòng)壓的突然變化很可能會(huì)導(dǎo)致磁層對(duì)流的瞬時(shí)變化。

　　1.4 磁尾的響應(yīng)

　　在磁尾尾瓣區(qū)，受到太陽風(fēng)動(dòng)壓脈沖結(jié)構(gòu)作用而造成的磁層壓縮會(huì)使得尾瓣磁場(chǎng)一個(gè)較短的時(shí)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(dòng)壓顯著增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致在地球磁層頂出現(xiàn)激發(fā)磁流體波動(dòng)，而在該波動(dòng)的攜帶作用下磁通量也會(huì)跟隨其向陽側(cè)傳輸?shù)酱盼�，這種情況下磁通量的堆積會(huì)造成磁尾尾瓣磁場(chǎng)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(dòng)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(dòng)壓會(huì)沿著磁層頂側(cè)翼方向以對(duì)稱的方式對(duì)磁尾進(jìn)行擠壓，而尾瓣磁壓和磁鞘內(nèi)等離子體動(dòng)壓之間始終會(huì)保持一種平衡。這樣就會(huì)造成磁尾磁場(chǎng)的變化，進(jìn)而出現(xiàn)一些相應(yīng)的等離子體運(yùn)動(dòng)[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(jì)，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(dòng)壓，Bsw，nsw代表的含義分別是太陽風(fēng)磁場(chǎng)強(qiáng)度以及數(shù)密度，字母K代表的含義是太陽風(fēng)動(dòng)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�(gè)動(dòng)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(dòng)壓的大小而決定的[9～10] 。

　　1.5 地球同步軌道磁場(chǎng)擾動(dòng)

　　在磁平靜時(shí)期，一般太陽風(fēng)動(dòng)壓越高，那么相應(yīng)的磁場(chǎng)水平分量也就會(huì)越強(qiáng)，同時(shí)地球同步軌道中午側(cè)的磁場(chǎng)也會(huì)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(chǎng)處于南向時(shí)，動(dòng)壓增強(qiáng)造成陽側(cè)磁場(chǎng)受到壓縮而出現(xiàn)較為顯著的增強(qiáng)，然而在夜側(cè)磁場(chǎng)則呈現(xiàn)出了明顯的偶極化。

　　2 地球同步軌道磁層對(duì)太陽風(fēng)動(dòng)壓響應(yīng)事件的實(shí)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(cè)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(chǎng)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(shí)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(chǎng)數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星位置，選擇的時(shí)間分辨率是60 s。實(shí)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(chǎng)水平分量所發(fā)生的對(duì)稱擾動(dòng)[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(dòng)強(qiáng)度的指數(shù)，主要是從四個(gè)低緯度觀測(cè)站經(jīng)過測(cè)量所得到的地磁場(chǎng)水平分量減去平靜期平均變化同時(shí)參照臺(tái)站緯度進(jìn)行調(diào)整后而獲得的，采用的時(shí)間分辨率是1小時(shí)，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(duì)比，地磁指數(shù)SYM-H在獲取數(shù)據(jù)的觀測(cè)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(chǎng)對(duì)太陽風(fēng)動(dòng)壓擾動(dòng)事件分析

　　圖2描述了一個(gè)非常典型的太陽風(fēng)動(dòng)壓擾動(dòng)事件。其中圖2a～d表示的就是ACE衛(wèi)星在L1點(diǎn)觀測(cè)到的于2006年8月3日發(fā)生的太陽風(fēng)動(dòng)壓擾動(dòng)事件圖。我們可以看到，在14∶30UT，此時(shí)太陽風(fēng)動(dòng)壓Pd已經(jīng)由原來的3 nPa在短時(shí)間內(nèi)提升至6.5nPa左右，此時(shí)在擾動(dòng)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(dòng)壓擾動(dòng)前后觀察到的地球同步軌道磁場(chǎng)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(chǎng)還是地磁指數(shù)，都存在一個(gè)急劇增強(qiáng)的現(xiàn)象，我們能夠?qū)⑵淇醋鍪谴艑哟艌?chǎng)以及地面磁場(chǎng)對(duì)在14∶30UT時(shí)ACE所觀察到的太陽風(fēng)動(dòng)壓增加事件的響應(yīng)，同時(shí)還注意到這一響應(yīng)時(shí)刻和ACE衛(wèi)星觀測(cè)到的動(dòng)壓擾動(dòng)時(shí)刻相比，要晚70分鐘左右到達(dá)。同時(shí)，從圖2d中也能夠明顯觀察到，在16∶10UT時(shí)，ACE再次觀察到了一個(gè)動(dòng)壓減小事件，并且在之后17∶20UT無論是同步軌道磁場(chǎng)還是地磁指數(shù)均在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了較為迅速的下降，我們發(fā)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)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(chǎng)Z分量和地磁指數(shù)SYM-H對(duì)行星際太陽風(fēng)動(dòng)壓的擾動(dòng)存在非常明顯的正響應(yīng)關(guān)系。同時(shí)，軌道磁場(chǎng)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(jì)與分析

　　3.1 同步軌道磁場(chǎng)Z分量對(duì)于太陽風(fēng)動(dòng)壓擾動(dòng)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(chǎng)Z分量響應(yīng)幅度dBz及相對(duì)響應(yīng)幅度dBZ/AV_BZ(AV_Bz表示擾動(dòng)前30分鐘的平均場(chǎng))二者隨磁地方時(shí)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(shí)正午附近區(qū)域的時(shí)候，同步軌道磁場(chǎng)對(duì)于太陽風(fēng)動(dòng)壓擾動(dòng)響應(yīng)的幅度存在一個(gè)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(shí)，上圖中的實(shí)線表示的含義是同步軌道磁場(chǎng)在遇到動(dòng)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(dòng)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(chǎng)響應(yīng)幅度和夜側(cè)相比，相對(duì)較大，同時(shí)圖中還顯示在午夜附近其值達(dá)到最小。另外，動(dòng)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(shí)左右的時(shí)候;而其動(dòng)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(shí)附近。從圖中也發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng)動(dòng)壓增大和減小事件響應(yīng)的地方時(shí)分布情況實(shí)際上是以子午面為對(duì)稱軸的近似對(duì)稱。

　　3.2 SYM-H響應(yīng)幅度和同步地球軌道磁場(chǎng)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(duì)同步軌道磁場(chǎng)造成影響的主要因素應(yīng)當(dāng)還是是磁層電流�？紤]到在同步軌道的不同區(qū)域，磁層電流對(duì)同步軌道磁場(chǎng)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(gè)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(gè)區(qū)域同步軌道磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)于動(dòng)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(shí)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(chǎng)向電流以及磁尾電流二者的共同作用。

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