[科普中國]-電離層暴

簡介

劇烈的太陽活動可能引起磁暴，使地球空間環(huán)境發(fā)生強烈擾動．伴隨著磁暴的發(fā)生，在全球范圍內(nèi)電離層各層都相繼出現(xiàn)劇烈的變化，表現(xiàn)為電子密度、F2層臨界頻率和總電子含量等電離層參量對平靜日均值的顯著偏離，即電離層暴。2

發(fā)生機制熱層暴環(huán)流機制Duncan最早提出“ 熱層暴環(huán)流” 學說來解釋電離層暴的產(chǎn)生機制.此后經(jīng)過許多學者不斷的完善和發(fā)展, 該理論日趨成熟, 并在Fuller-Rowell的數(shù)值模擬中得到了很好的反映.“熱層暴環(huán)流”理論可以用來解釋本文得到的電離層暴隨緯度和季節(jié)的分布及部分地方時特征。

太陽風能量的注入一直影響著極區(qū)上層大氣的密度結(jié)構(gòu), 使得極區(qū)存在著一個永久性的成分擾動帶.在這一區(qū)域內(nèi)主要發(fā)生的是較輕氣體成分的下降和較重氣體成分的增加, 可用原子性氧與分子性氮密度之比R([O] /[N2])下降來表示.在白天側(cè)中性成分擾動作用甚至超過太陽的輻射電離作用, 使得整個高緯電離層表現(xiàn)為負相擾動.在磁暴發(fā)生時,由于粒子沉降和焦耳加熱等效應(yīng), 極區(qū)熱層溫度升高, 在F 層可增加幾百開爾文, 產(chǎn)生大尺度壓力梯度, 驅(qū)動赤道向擾動風場。

擾動風場攜帶擾動中性成分向赤道方向傳輸,在緯度方向的擴散決定于風場的強度及地方時.磁暴越強, 產(chǎn)生的赤道向擾動風場也越強, 導致中性成分擾動帶能擴散到更低緯度, 使一些中低緯區(qū)也能觀測到負暴效應(yīng).從地方時上看, 太陽驅(qū)動的背景風場在白天是赤道-極區(qū)方向, 會與赤道向擾動風場相互抵制, 導致白天側(cè)電離層負暴局限于較高的緯度地區(qū).與此同時, 兩種風場相互作用, 使得熱層抬升到分子成分相對減少的區(qū)域, 離子游離復合減小, 再加上白天側(cè)的太陽輻射電離, 其結(jié)果導致電離層密度增加, 即正相擾動.在夜間, 背景風場則是極區(qū)-赤道方向, 它與赤道向擾動風場共同作用, 使擾動中性成分能傳播到更低的緯度區(qū), 導致夜間容易發(fā)生負暴。

在不同季節(jié), 背景風場的特征還有所不同, 這導致了電離層暴的季節(jié)特征.在冬季, 極向背景風場很強, 使得中低緯區(qū)能觀測到很強的電離層正暴, 而負暴發(fā)生很少.在夏季, 極向背景風場相對于冬季減少許多, 且在白天大部分時間都為赤道向, 因而夏季白天和夜晚都易發(fā)生負暴。

高緯磁層電場穿透除了熱層暴環(huán)流機制外, 在磁暴期間, 高緯磁層電場穿透及擾動發(fā)電機電場向中低緯的傳播, 也是影響中低緯電離層擾動的主要機制。

與太陽風-磁層發(fā)電機相聯(lián)系的磁層電場穿透主要發(fā)生于磁暴的急始(IMF Bz由北向轉(zhuǎn)為南向)和磁暴恢復相(IMF Bz由南轉(zhuǎn)為北向)期間, 電離層響應(yīng)迅速, 但持續(xù)時間短, 一般不超過小時量級。由高緯能量沉降而產(chǎn)生的擾動發(fā)電機電場向赤道方向的傳播, 會導致中低緯電場產(chǎn)生長時間的擾動.這類擾動從高緯到低緯的傳播存在著3 ～ 4h的時間延遲。根據(jù)Blanc和Richmond的模擬結(jié)果, 擾動發(fā)電機電場作用與寧靜日電場相反, 會阻礙噴泉效應(yīng)和減弱赤道異常峰的形成.表現(xiàn)為赤道北駝峰南移, 在駝峰以南的低緯臺站出現(xiàn)正相擾動, 駝峰以北的臺站出現(xiàn)負相擾動。

在低緯區(qū), 夜側(cè)由兩極-赤道向擾動風場在赤道附近的會聚, 導致電離層等離子體壓縮, 電子密度增加, 發(fā)生正相暴。研究表明，白天有利于正相暴的發(fā)生, 負相暴會受到抑制.所以磁暴發(fā)生于白天時, 正相暴響應(yīng)很快, 負相暴會有很長時間的延遲, 而夜間情況正好相反.這正好解釋了電離層暴延遲時間與MPO發(fā)生的地方時的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)前人的分析，電離層暴主要產(chǎn)生機制如中性成分變化、赤道向擾動風場、擾動發(fā)電機電場等都存在著從極區(qū)向低緯傳播的趨勢。3

特征分析東亞扇區(qū)東亞扇區(qū)中低緯地區(qū)電離層暴的統(tǒng)計分析

(1)東亞扇區(qū)中緯區(qū)負暴明顯, 低緯區(qū)正暴明顯.對于同樣量級的地磁暴, 中緯Yakutsk 站比低緯站更容易發(fā)生明顯的電離層響應(yīng).Okinawa 站緯度最低, 但其負暴發(fā)生率高于Kokubunji 站和Wuhan 站.

(2)東亞扇區(qū)中低緯區(qū)電離層暴對季節(jié)的依賴性很強.在夏季負暴多于正暴, 在冬季正暴多于負暴, 而在春秋季正負暴的分布則顯示出緯度差異, 中緯Yakutsk 站負暴多于正暴, 其他三個低緯臺站則是正暴多于負暴.

(3)東亞扇區(qū)電離層暴開始時間對地方時的依賴性很強.中低緯臺站負暴開始時間主要分布在夜間及清晨時段, 且Yakut sk 站和Ko kubunji 站負相暴開始時間存在“時間禁區(qū)” , 說明“時間禁區(qū)”不止是中緯地區(qū)的現(xiàn)象, 在某些低緯區(qū)也存在.正相暴發(fā)生時間也存在緯度差異,Ko kubunji 站和Wuhan 站正相暴主要發(fā)生在白天時段, 且在黃昏后到午夜前時段也很容易發(fā)生正暴.而Okinaw a 站正相暴主要發(fā)生于黃昏后到午夜前時段, 白天很少發(fā)生正暴.

(4)該地區(qū)電離層暴的延遲時間與磁暴MPO的地方時很相關(guān).MPO 發(fā)生于白天時, 正相暴延遲時間較MPO 發(fā)生于夜間時要短, 負相暴延遲時間分布則正好相反.中低緯電離層正相暴平均延遲時間主要在10 h 以內(nèi), 而負相暴平均延遲時間主要在10 h 以上.中緯區(qū)正負相電離層暴延遲時間明顯比低緯區(qū)要短.本文通過對比還發(fā)現(xiàn), 磁暴強度對延遲時間的影響沒有地方時的影響大。3

歐洲扇區(qū)(1)電離層暴有明顯的緯度分布特征，正負暴出現(xiàn)次數(shù)的比例隨緯度的降低呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，但夏季赤道地區(qū)趨勢相反，正負暴比例比更高緯度反而降低；

(2)與主相相比，恢復相期間大部分緯度地區(qū)正暴數(shù)量減少，負暴數(shù)量增加，但赤道地區(qū)恢復相期間正暴數(shù)量反而增加；

(3)中低緯地區(qū)電離層暴隨磁暴MPO地方時分布特征明顯，正暴所對應(yīng)的MPO 主要分布在白天，而MPO發(fā)生在夜間容易引起負暴；

(4)電離層負暴主要發(fā)生在夜間，中、高緯地區(qū)負暴的開始時間存在‘時間禁區(qū)’，但不同緯度‘時間禁區(qū)’的地方時分布有一定差異，正暴分布則相對分散．

電離層暴隨季節(jié)、磁暴暴相和地方時的分布特征都存在明顯的緯度差異，得到一些有意義的新結(jié)果，比如主相期間正暴顯著多于恢復相，但赤道地區(qū)卻是恢復相正暴更多；正負暴出現(xiàn)次數(shù)的比例隨緯度的降低呈現(xiàn)非常明顯的增加趨勢，但夏季赤道地區(qū)的正負暴比例比更高緯度的反而降低。2

中國西部及周邊區(qū)域中國西部及周邊區(qū)域電離層暴的統(tǒng)計特性：

(1)區(qū)域內(nèi)電離層暴以正暴為主, 暴時赤道電流系對電離層的控制作用較強；

(2)大暴主要發(fā)生在磁緯15°N～ 20°N之間的赤道異常北駝峰附近, 其他地方發(fā)生較少；

(3)冬季正暴頻繁, 夏季負暴占優(yōu), 反映了暴的主要影響因素隨季節(jié)發(fā)生變化;夏季暴環(huán)流與大氣環(huán)流同向, 因而起源于高緯的負暴容易傳播到中低緯;冬季二者反向, 負暴的赤道向傳播受到抑制, 赤道電流系的控制增強；

(4)電離層暴的發(fā)生受制于太陽地磁活動以及背景風場的運動, 這些因素都是隨機的, 電離層暴可能開始于任何時刻。然而, 對特定的區(qū)域, 受制于局地位置以及背景熱層風場特性, 暴的開始時間具有特定的規(guī)律。暴的開始時間主要位于日落到凌晨前后, 且越靠近赤道禁期越長。1

研究歷程

地磁暴發(fā)生時, 電離層會有偏離平均水平的強烈擾動, 稱之為電離層暴。3相關(guān)研究長期以來備受重視。自Appleton和Ingram于1935年首次發(fā)現(xiàn)電離層暴現(xiàn)象以來,大量研究結(jié)果使人們對電離層暴隨太陽地磁活動、經(jīng)緯度和季節(jié)變化的統(tǒng)計形態(tài)有了基本認識。然而,電離層暴的影響因素眾多,不同位置各因素的影響程度差別很大,使得暴的分布規(guī)律不具有普適性。1

電離層暴的研究已經(jīng)超過了50年，人們對電離層暴的理解越來越深入，其間出現(xiàn)了不少優(yōu)秀的綜述性文章，也有大量個例研究。還有一些暴時電離層響應(yīng)的統(tǒng)計研究，比如，Balan和Rao(1990)利用TEL和Nmax數(shù)據(jù)，針對磁暴急始發(fā)生的地方時和磁暴強度，研究了1968-1972年間60多個磁暴事件的中低緯電離層響應(yīng);高琴等人(2008)基于1957-2006年間F:層臨界頻率的觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了東亞扇區(qū)515次磁暴期間中低緯度電離層暴的類型、起始時間、以及季節(jié)和地方時的分布特征;Vijaya Lekshmi等(2011)對第22-23太陽活動周的磁暴和中低緯電離層暴進行了統(tǒng)計研究.鄧忠新等(2012)利用TEL擾動指數(shù)DI，提取并分析了中國地區(qū)電離層TEL擾動事件。

由于復雜的物理機制，比如電場、中性風和成分變化，對于一個特定的暴，相應(yīng)的電離層擾動取決于很多因素，比如季節(jié)，地方時，地點和磁暴暴相等，這些因素使不同的電離層暴之間有很大區(qū)別.在早期的電離層暴研究中，Seaton(1956)提出F層負暴是由增加的中性大氣分子成分導致俘型復合率增加所致.D uncan(1969)提出高緯能量輸入導致的熱層環(huán)流是引起暴時響應(yīng)的原因.之后，一些學者(e. g.Mayr and Volland, 1973; Matuura, 1972)將太陽驅(qū)動的靜日環(huán)流考慮進來，對D uncan(1969)的理論進行了補充.關(guān)于暴時環(huán)流的模型由Burn、等和Fuller-Rowell等(1994, 1996)建立.Burn、等(1995)對暴時等離子體垂直漂移進行了詳細研究，但是還沒建立關(guān)于垂直運動和成分改變的關(guān)系.Fuller-Rowell等(1996)和Field等(1998)提出正負暴可能都是由成分改變引起，他們將暴時和靜日的電子密度和O/N2用一個簡單的等式表達.中、低緯電離層負暴的產(chǎn)生主要是由于熱層大氣成分的改變，即熱層氮分子濃度的升高和氧原子濃度的降低，使得化學復合過程加快。中、低緯電離層正暴的產(chǎn)生主要源于暴時赤道向中性風的化學效應(yīng)導致的復合過程的迅速減慢和下行等離子體擴散，以及增強的即時東向穿透電場導致的赤道等離子體噴泉的快速增強。中、高緯電離層正暴的產(chǎn)生主要源于亞極光電場的增強和赤道向膨脹(Foster, 1993;Heelis et al. , 2009 ).磁暴主相期間赤道地區(qū)的即時東向穿透電場與更高緯度的效果相反。

以往的統(tǒng)計研究表明電離層正、負暴依賴于地方時、季節(jié)和緯度.在中、低緯度，對所有季節(jié)，主相發(fā)生在夜間的磁暴，通常導致電離層負暴;主相發(fā)生在白天(尤其是上午一中午)的磁暴，通常在冬季和春秋季導致電離層正暴，在夏季導致先正暴后負暴.也有不少電離層暴與上述一般特征存在較大差異。地磁和地理赤道的傾斜導致即使在地磁共扼的地方，電離層暴也有顯著不同的特征。赤道和高緯電離層的暴時響應(yīng)通常表現(xiàn)出相反的特征。由于電離層暴緯度效應(yīng)比較明顯，也有一些學者針對特定緯度區(qū)域的電離層暴形態(tài)進行了研究和分析。2