抽象性
低纬度电离层空间天气的一个重要问题是如何磁暴影响赤道等离子泡生成在这次研究中,我们展示22次强磁暴期间国防气象卫星程序卫星对晚赤道电离层离密度和速度的测量DMSP测量显示深离密度耗竭(plasma泡泡)产生后行星际磁场向南转转货币基金南转与首次DMS检测等离子耗减之间的延迟与IMF最小值下降B级复元内电场最大值E级y市和星际索引研究结果有力地证明,磁暴主体阶段南端IMF渗透电场会增加晚间赤道等离子泡
开工导 言
强烈地磁暴发生时,太阳风强南向磁场对地球磁层产生持续冲击行星际电场与IMF南向渗透赤道电离层,日端创建东向电场和夜端西向电场电离层渗透电场与不相容散射雷达链进行了广泛研究,包括Sordrestrom、Millstone Hill、Arecibo和Jicamarca一号-14并用全球电离层模型模拟数值15-18号..黄等[6,7,14黄家宝11发现电离层渗透电场可持续数小时而不明显下拉黄等[8渗透效率被定义为赤道电圈电场变化与IEF变化之比,日端为~10%
论文的目的是研究渗透电场如何影响晚间赤道电离层在强磁暴期间生成等离子泡Plasma泡波先生成F区,再渗透F峰19号-32码..然而,磁暴期间赤道等离子泡的发生尚未完全理解在前期研究中,一些调查人员建议磁暴抑制晚间传播FRastogi等[三十三增强磁性活动减少赤道射电闪失并在深夜前传播F渡边大和34号发现等离子泡概率下降Singh等[35码发现增磁活动抑制深夜泡生成Palmroth等[36号分析赤道密度耗减指数和Kp索引之间的关联并得出结论磁性活动减少晚间耗减数
最近的研究表明磁性活动可能增加赤道等离子泡的发生Fejer等[37号向南渗透电场与磁暴初期主段相关联度为晚间向东并会驱动赤道F区域向上移动,为RayLeigh-Taylor不稳定性提供有利条件黄等[38号,三十九发现等离子泡在晚区高磁活动期早期阶段开发,表示南端IMF渗透电场驱动等离子泡巴苏等人[40码,41号表示黄昏东渗透电场磁暴主段引起赤道电离层快速提升并触发等离子不稳以形成等离子泡或咬出黄飞鸿11黄等[14检查国防气象卫星程序测量并发现黄昏渗透电场向东,磁暴主段持续数小时,并导致赤道电离层大向上漂移Keskinen等数值模拟[26显示磁暴时快速向东渗透电场可增加赤道区等离子体夜间垂直漂移并产生等离子泡Kelley和Retter13测量电场输入电离层模型并成功复制赤道电离层强磁暴中的大规模等离子泡模拟结果与Jicamarca不相容散射雷达的测量完全一致
最近研究加深理解地磁活动对赤道等离子泡生成的影响离散层响应时间随行星际电场变化并随地磁活动强度变化本文介绍DMSP卫星对晚区赤道电离速度和密度测量并统计分析等离子泡在强磁暴主要阶段的发生
二叉观察
我们先举磁暴渗透电场的例子图解一号a-一号显示IMFB级复元组件IEFE级y市离子垂直电离层速度和Dst索引分别于2004年11月9日发布太阳风数据由位于y220的高级构件探索者卫星测量RE级上游并转向地球弓电流 微分分析技术开发Weimer等[42号万事通IMF组件搭建GSM坐标本文分析的所有案例中,太阳风和IMF数据都用上述技术移到弓鼻
IMF向南弱化或接近011月7日~2000UT启动第一场风暴,11月8日0600UT时Dst指数最小值-373NT,11月8-9日仍低于-100NTIMF从1900年到2043年11月9日南端暴风大增,2100UT时Dst指数再最小值为-223NTJicamarca误差雷达位于IMF南段(1400-1543立特)。图中显示一号icamarca雷达测量离子垂直速度y2000UT最大上移速度达y130ms一号.电离层增强漂移形状与IEF相似,显然是渗透电场造成的渗透电场在风暴强化期间持续1.7小时
赤道传播F和等离子泡发生后unset段,我们需要确定等离子漂移晚间电离层对磁暴的反应方式研究使用DMSPF13卫星测量离子流速度F13轨距接近1800LT,高度848公里跨赤道离子漂移速度随纬度而异,我们执行二阶多元适配于++10摄取数据并使用磁赤道交叉点多元适值表示离子漂移速度磁赤道要量化暴时离子漂移增强度,必须建立静默参考这一点很重要,因为卫星测量的离子速度数据可能包括偏移静时参考取自磁暴前后5天共10个宁静日的数据DMSP数据处理细节由Huang等人提供[14..
图解一号e-一号h) 显示2003年10月29-31日暴风雪阴暗间隔表示IMF南游电离层流速度由DMSPF13卫星测量图绿线一号g) 静时参考值接近2003年10月风暴时积聚,红色点表示暴时离子垂直速度离子垂直速度,包括参考值,大都为负值(向下)近1800LT获取F13数据,在静态和主相间段应显示前向增强图中明显下游一号表示F13垂直速度测量值偏差离子速度差暴时参考值由渗透电场产生并达约120ms一号.特别是,增强离子垂直漂移持续约6小时14..
DMSP测量图解一号e-一号显示赤道电离层黄昏垂直漂移的重要特征以响应磁暴离子垂直向上移动显著增强增强离子漂移持续向南IMF最长可达6小时,并将F区移到高高度,有利于产生Rayleigh-Taylor不稳定和等离子泡
集中生成赤道等离子泡 后IMF南转 强磁暴图2描述(a)IMFB级复元+50摄氏磁度间离密度由DMSPF14卫星于2000MLT测量,和cDMSPF15卫星于2003年10月29日2130MLT测量离密度DMSP卫星的轨道周期为~102分钟,每颗卫星每24小时有~14个完整轨道图中2(a)UT以垂直轴绘制,黄灰表示IMF南向间距图中2(b)并2(c)离子密度用对数尺度绘制,UT表示卫星跨磁赤道时间离心密度一般介于103和105m3级纬度范围为++50摄氏度图中绘制14个轨道的离密度分布2(b)图解2(c))密度值不为每个特定轨道标注
(a)
(b)
(c)
IMF向南逆转0637至0656UT,最小值-48NT,图中黄灰表示2(a).816UT检测到强离密度耗竭2(b))和0958UT时(图绿线2(b))类似地,F15在0859和1042UT检测到离子密度耗竭固态横向红绿线图2(a)表示UT时F14检测离子密度耗竭,折红绿线表示F15时间离子密度显示正常变化 8800UT前的纬度,离子密度耗竭是在IMF向南转后不久检测到的IMF南转0637UT与F14在0 816UT首次检测等离子耗竭间延迟为~100分钟
IMF一般向北9800至1800UT,电离层恢复宁静IMF自1800UT后向南强劲发展F14检测到2011年和2151UT高离密度耗竭,F15检测到2054年和2236UT离密度耗竭IMF南转1800UT和F142011UT首次检测等离子耗竭时间为~2.2小时
图中显示2003年10月30日数据3持续图2同一场暴风雪IMF向南持续到0300UT,F15检测离子密度耗竭时为014和0153UTIMF大都北向0300至1830UT,1600至1830UT间有一些波动,1830UT后再次南移2039UT和2221UT检测到离密度耗竭,2137和2315UTF14检测到离密度耗竭IMF南转1830UT和F152039UT首次检测等离子耗竭时间为~2.1小时
(a)
(b)
(c)
图解2并3显示IMF向向和电离层等离子耗损发生之间的重要关系电离层在IMF北转期间相当宁静,在IMF向南转2小时后发生了严重的等离子耗竭赤道电离层等离子耗竭由南向IMF引起
低纬度电离层深离密度耗竭赤道等离子泡由Rayleigh-Taylor不稳定的非线性演化产生等离子泡的一个独有特征是存在极化电场在耗竭区内部引起的大向上漂移(例如,[43号))为了显示特征,我们在图中绘制离密度和离子垂直速度4.图解4a)和4提交2003年10月29日F15约0859UT测量数据,阴暗区域表示离子密度耗竭离子密度下降~2级星位,上移速度达2千米以上一号.大向上离子速度为等离子E级×B级由极化电场引起的漂移证明等离子耗减为泡等离子粒泡向上移动E级×B级沿磁场线滑向高纬度
图中4和4离子密度和速度由F14测量,2003年10月30日约2137UT磁赤道附近耗竭物内向上电流速度增强,与耗竭区外等离子漂移相比对比之下,离子速度下降至-25度磁度磁场线在-25摄氏磁度上有大底角与赤道等离子泡相联的耗竭磁通量到达此纬度时,等离子流沿磁场线有重要成分高纬度向下离子流与现场对接等离子流相关
离子垂直速度上移图14度磁度等离子耗竭4d)级磁场线14度倾角约15度,离子垂直速度可能受E级×B级向上滑动磁度为-25度时磁场直角约36度,离子垂直速度可受离散等离子流支配并下移此外,DMSP卫星的轨道离磁场线不远14度和-25度磁纬度等离子耗竭纵向差为~10度,可分成两个泡泡离子垂直速度分立泡可能行为不同
应当指出,低纬度电离层损耗在强磁暴期间会变得非常广举例说,2003年10月29日F142151UT测量深等离子耗竭2(b)和2315UT访问2003年10月30日3(b)覆盖度范围为30-40摄氏度如此宽耗竭不是正常等离子泡广等离子耗竭是由强渗透电场驱动的F区连续提升引起的整个F区移到比DMSP轨道高高度时,DMSP轨道离子密度极低广等离子耗竭产生于持续南向IMF 长渗透电场
并使用DMSP测量物识别等离子泡DMSP卫星轨道高度为840公里840千米以下的任何等离子泡均不为DMSP卫星检测我们选择案例的标准如下IMF向南转前10小时没有等离子泡 IMF向南转后不久出现等离子泡我们假设等离子泡的发生是IMF南向转渗透电场的结果
并发现80强磁暴, 最小磁暴值小于-100nt几乎所有强暴都与强南IMF相关暴风雨期间 我们检查DMS测量在某些暴风雨中,离子密度耗竭发生前后IMF向南转出,而这些情况被排除在我们分析之外,因为我们无法确定离子密度耗竭是否与IMF向南转出相关联。终于发现22场风暴满足标准图中提供实例2并3取自此集 。
22次风暴期间Dst索引图解5.时间段选择为最大Dst值时间紧接暴风主相前段,通常与磁暴初始相匹配单次风暴线上的点表示IMF南转后DMSP卫星检测深离密度耗竭的最早时间637UT向南转图2首次检测等离子耗竭由F14卫星在0816UT上完成,而我们不计F15在0859UT上检测,F14在0958UT上检测,F15在1042UT上检测换句话说,图中只计一次磁暴5.可以看到第一次DMSP检测离子密度耗竭发生在2至3小时内,从暴风初始阶段开始统计中的等离子耗竭包括所有事件,而不论它们是Rayleigh-Taylor不稳定生成的等离子泡或东渗透电场大规模耗竭在大多数情况下,先检测出有强向上离子漂移的等离子泡
应当指出,磁暴初始阶段增加Dst索引通常是由太阳风压力突然增强引起的,不一定与IMF向南转渗透电场提升晚区赤道电离层,主要由IMF南移决定。测量渗透电场对赤道等离子泡生成的影响
图6显示货币基金南转和首次检测赤道等离子泡之间的延时变化与货币基金最小值B级复元最大值IEFE级y市最小dst值时间推延时间变短时,IMF向南变大6(a))IEFE级y市主要由IMF判定B级复元.IEFE级y市渗透赤道电离层晚区并提升F区最大IEFE级y市F区向上移动速度越快结果是赤道等离子泡短时间生成,因此当IEF时延时变短E级y市大于数(图层图)6(b))当最小Dst绝对值较大时延时也会变短6(c)表示强风暴延时短图中结果6向南IMF和渗透电场生成赤道等离子泡
(a)
(b)
(c)
IMF南转和DMSP卫星首次检测等离子泡平均延迟142分DMSP卫星可能无法检测所有等离子泡四颗DMSP卫星的测量大都可用于我们的研究F13卫星轨道接近黎明度平面高概率等离子泡局部时间段介于1900-2200LT34号F13通常不在泡沫区完全DMSP环游地球需要~102分钟如果有三颗卫星横跨泡区域,泡区域平均每~35分钟采样一次等离子泡纵向(或局部时间)覆盖有限,如果卫星轨道不完全穿透泡泡,则卫星无法看到泡泡此外,DMSP卫星的轨道高度为~840千米,卫星未检测到840千米以下的所有等离子泡图中的黄灰6覆盖多数据点和图中数据分布6由这些特征DMSP测量卫星肯定会漏出一些泡泡换句话说,等离子泡比DMSP测量法多IMF南转和等离子泡生成间实时延迟应短于142分钟虽然DMSP等离子泡测量中存在一些不确定性,图6清晰显示延时随货币基金最小值下降B级复元最大值IEFE级y市和磁暴强度
3级讨论
IMF南转后渗透电场东向日端和晚端西向反渗透电场不会发生在黎明度线程上(0600-1800立特)。数值模拟15-18号显示低纬度渗透电场在晚区向东并逆转2200-2300立特DMSP卫星测量显示图右列一号显示黄昏渗透电场向东东渗透电场将把F区移高提升F区达到电离中和碰撞频率小到高时,Rayleigh-Taylor不稳定性会快速增长,产生赤道等离子泡图延时6延后IMF南转 并首次检测离子密度耗竭Rayleigh-Taylor先前一定对F底层区域极感兴奋
IMF总体向南强势运行图中显示6IMF向南转和等离子泡检测时间延迟随着IMF规模变短B级复元/IEFE级y市增量特别是等离子泡可达DMSP轨道高度840千米,离IMF南转100分钟多例dst索引和IMF/IEF观察到延时变换说明渗透电场对ESF等离子泡生成的影响有理
赤道等离子泡常引起电离层闪烁闪存主要产生离等离子泡边界近,等离密度梯度大暴风向东渗透电场极强时,晚段赤道F区可移到高海拔,等离子耗竭大度生成图中显示2(b)等离子密度由DMSPF14卫星2151UT测量为极低损耗区内等离子密度姿态变换渐渐平滑,大密度梯度只在边界存在在这种情况下,强闪存接近耗竭区边界,低密度区只有弱闪存Abdu等人[44号分析2003年10月30日磁暴期间电离层闪烁特征
前几类研究三十三-36号发现增强磁活动抑制晚区等离子泡磁暴期间在极光区生成的中立风扰数小时后到达赤道电离层并创建晚间赤道电离层西向电场西向迪那摩电场导致赤道F区域向下移动,抑制Raylei-Taylor不稳定感前期研究中抑制ESF和等离子泡可能与扰动dima
主磁暴阶段发生于IMF南移阶段,恢复阶段一般从IMF向北转起步风暴案例2004年11月9日一号a-一号IMF2043UT北转次日~0400UT超屏蔽电场发生向北IMF2并引起向下等离子漂移 夜晚赤道电离层吉卡马卡雷达实测2043UT后下离子速度,与超屏蔽电场假想一致向北IMF的这种效果也有助于抑制ESF和等离子泡磁暴恢复阶段Abdu等人[45码发现夜前垂直等离子漂移和随后传播F代完全可受屏蔽电场西向极完全抑制我们的观察结果与Abdu等[45码..
4级结论
DMSP卫星测量晚间段840-km高密度和速度 主段22强磁暴,最小Dst值小于-100nt显示黄昏渗透电场向东持续数小时而不设有效屏蔽东渗透电场将赤道F区域移动到高高度,有利于生成等离子泡IMF南转和DMS首次检测赤道等离子耗/泡时间延迟范围为70-220分钟,平均值142分钟,共22次磁暴延时递减货币基金最小值B级复元最大值IEFE级y市后IMF向南转进Dst索引具体地说,当最大IEF值时延时变短E级y市大于表示渗透电场对生成等离子泡的影响IMF总体向南强势运行研究结果显示,预计暴风主段会发生更多等离子泡,而在较强的IMF条件下,等离子泡会更快生成
感知感知
这项工作得到了空军科学研究局FA9550-09-0321奖的支持。作者感谢达拉斯得克萨斯大学空间科学中心和美国空军提供DMSP热等离子数据Jicamarca无线电台由Instituto Geofisico del秘鲁运营,通过康奈尔大学得到NSF合作协议ATM-0432565支持感谢CDAWEB提供太阳风和Dst数据访问