地球磁層對不同太陽風動壓響應研究

全小川++萬韜隅

摘 要：太陽風是太陽活動與地球空間環境之間進行聯系的一個關鍵媒介，其中太陽風動壓與行星際磁場則是能夠引起地球磁層變化的主要因素。一旦太陽風動壓發生增加或者減少均會壓縮或釋放一定的能量，從而導致地球磁層全球性響應的產生。其中同步軌道磁場與地面磁場一般又是受磁層電流以及電離層電流影響的兩個最典型研究對象。該文探討了地球磁層對太陽風動壓響應的觀測結果和物理機制，分析了不同太陽風動壓脈沖對磁層頂進行作用過程中，地球同步軌道磁場以及地球水平磁場之間存在的相應的響應關系，據此來獲取在太陽風動壓變化基礎上磁層電流系的變化對不同區域磁場所帶來的影響。

關鍵詞：地球磁層 太陽風動壓 地磁指數SYM-H

中圖分類號：P182.8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（c）-0013-04

太陽風、磁層和電離層三者構成了一個較為復雜的耦合系統。當太陽風經過地球磁層頂時，其中相當一部分的能量、動量以及等離子體等都會借助行星際磁場的作用與地球磁場發生磁重聯或通過磁層邊界層所具有的似粘性作用來輸送至磁層，這種情況下就會導致磁層內部發生對流運動，并且會形成磁層大尺度電場以及電流。與此同時，太陽風磁場以及等離子體所發生的變化也會在一定程度上影響到太陽風和磁層之間的藕合效率，從而導致磁暴、磁層亞暴或者磁層穩態對流等多種磁層的多時空尺度擾動現象[1]。Borodkova[2]研究了行星際太陽風擾動引起的磁場響應可以被地球同步軌道衛星觀測到，并指出磁層對太陽風動壓的變化有明顯的響應過程。Wing[3]研究了地球同步軌道磁場與太陽風動壓和行星際磁場Z分量之間的關系，發現地球同步軌道磁場對太陽風動壓和行星際磁場南向分量的變化有短暫的響應過程。本文首先對組成地球磁層的各結構對太陽風動壓響應研究進行了綜述，最后通過衛星實際觀測數據分析了一次典型的地球同步軌道磁場與太陽風動壓擾動的響應事件。

1 太陽風動壓脈沖結構的相關磁層響應

1.1 地磁場的擾動

在太陽風動壓和磁層二者之間相互作用的過程中，會導致磁層電流系統發生一定程度的增強，包括磁層頂電流、場向電流以及磁層對流驅動形成的電離層電流等。基于此，我們可以得出太陽風動壓脈沖結構必然會對于磁層、各個區域的磁場變化情況帶來一定程度的影響[4]。在空間物理學上，把高緯度區域地磁場水平分量發生的突然降低，同時還會持續一段時間的現象叫做負灣擾。并且在過去常將其作為判定地磁亞暴出現的關鍵標志，然而隨后發現地磁亞暴并非是導致負灣擾出現的唯一機制。因為在磁層穩態對流的作用下，實際上也能夠造成負灣擾，也稱為對流灣擾。尤其是在行星際磁場南向持續時間超過30 min之后，行星際激波或是動壓脈沖結構到達地球磁層時，也能夠觸發負灣擾 [5-6] 。

1.2 極光擾動

在太陽風動壓脈沖結構作用下，可能導致大尺度極光活動的出現，這種擾動主要體現在極光快速和全面的增強，同時極光卵的極向邊界還會不斷向極區靠近。如果動壓脈沖結構開始沖擊地球，那么極光卵中的相當一部分區域就會同時形成一種增亮效應。需要注意的是這種極光全面增強的現象和極光亞暴問題之間存在著非常顯著的差異。在極光亞暴發生期間極光活動限制在午夜前后一段時間的MLT（中間層和低熱層大氣）之內，而極光活動則是先在高緯午夜側附近發生，接著才會慢慢向極側附近靠近，并且以東西方向來不斷擴展，造成這種現象出現的原因和亞暴電流楔的形成以及方向擴展之間存在密切的關系。除了地球同步軌道磁場的響應之外，太陽風動壓增強導致的其他磁層效應實際上也和行星際磁場之間存在著極為密切的關系，如行星際磁場為北向以及南向時，那么磁層響應就會發生很大的不同：一般來說，當行星際磁場南向時，那么幾乎全部的電流均會出現大幅度的增強；但是如果行星際磁場北向時，那么這些響應則會表現的相對較弱[7]。

如果行星際磁場屬于弱南向磁場，也即是Bz不超過-5nT，同時南向磁場持續時間超過30 min以上，隨后出現行星際磁場南向磁場的變化，就有可能會導致經典的亞暴出現。如果行星際磁場屬于微弱南向時，那么此時太陽風動壓增強就會對整個的磁層進行壓縮，造成全面極光增強活動的出現。反之，如果行星際磁場屬于強南向，也即是Bz的值不超過-8nT 的范圍之內時，那么行星際磁場的變化也會導致亞暴的出現。

1.3 極蓋區變化

當行星際磁場為穩定南向時，那么極光卵幾乎全部磁地方時的極向邊界都會出現極向移動現象，極蓋區區域會從整體上出現一定程度的縮小。當太陽風動壓增強，行星際磁場的值基本上為零時，也就是行星際磁場處于北向或南向，那么我們就能夠在夜側觀察到極光卵極開始朝向邊界的極向方向而進行移動，然而與此同時在陽側則不會出現任何變化。這是由于這種極蓋區的反應實際上是在磁尾重聯以及磁層對流增強作用下而出現的[6～7]。

當處于穩定行星際磁場的情況之下，如果太陽風動壓突然增強，極蓋區指數幾乎同時也會發生相應的增強現象，這就證明了太陽風動壓脈沖結構實際上是能夠導致極蓋電場和極區電離層DPZ電流跨極部分發生瞬時變化。一旦太陽風動壓發生突然的增加，那么極蓋區指數也會表現為兩相變化，也就是首先發生急速下降造成一種負峰結構，接著再突然增加到遠遠超過太陽風動壓脈沖到達前所具有的水平；如果太陽風動壓出現突然減小，那么極蓋區指數也會相應的表現出相反的變化，也就是首先出現急速上升形成一種峰結構，接著再發生突然下降。通常來說，峰值結構會持續3分鐘左右。需要注意的是，急速變化的時刻和磁層壓縮而造成的A E 指數上升的時刻以及地球同步軌道粒子通量突然上升的時刻二者之間是相同的。這揭示了太陽風動壓的突然變化很可能會導致磁層對流的瞬時變化。

1.4 磁尾的響應

在磁尾尾瓣區，受到太陽風動壓脈沖結構作用而造成的磁層壓縮會使得尾瓣磁場一個較短的時間內迅速發生增強現象。主要有兩種物理機制能夠對于尾瓣SI現象來進行解釋，一種是太陽風動壓顯著增強會導致在地球磁層頂出現激發磁流體波動，而在該波動的攜帶作用下磁通量也會跟隨其向陽側傳輸到磁尾，這種情況下磁通量的堆積會造成磁尾尾瓣磁場發生較為明顯的增強。還有一種是磁尾壓縮模型，也即是在太陽風動壓脈沖結構在磁鞘中進行傳播的過程中，部分增強的等離子體動壓會沿著磁層頂側翼方向以對稱的方式對磁尾進行擠壓，而尾瓣磁壓和磁鞘內等離子體動壓之間始終會保持一種平衡。這樣就會造成磁尾磁場的變化，進而出現一些相應的等離子體運動[8]。具體的壓縮模型如圖1所示，如果假設磁尾尾瓣等離子體壓強能夠忽略不計，那么我們就可以用下列公式來表示磁尾與磁鞘太陽風壓強間存在的平衡關系：

上式中的Tsw表示的是太陽風電子溫度以及質子溫度二者間的和， Pdy代表的含義是太陽風動壓，Bsw，nsw代表的含義分別是太陽風磁場強度以及數密度，字母K代表的含義是太陽風動壓拖曳衰減系數，主要是用來衡量太陽風粒子進入到磁層頂的一個動量傳輸系數，α代表的含義是太陽風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，主要是由太陽風動壓的大小而決定的[9～10] 。

1.5 地球同步軌道磁場擾動

在磁平靜時期，一般太陽風動壓越高，那么相應的磁場水平分量也就會越強，同時地球同步軌道中午側的磁場也會出現相應的增強。在高分辨率地球同步軌道衛星的幫助下，我們還能夠發現當行星際磁場處于南向時，動壓增強造成陽側磁場受到壓縮而出現較為顯著的增強，然而在夜側磁場則呈現出了明顯的偶極化。

2 地球同步軌道磁層對太陽風動壓響應事件的實例分析

2.1 衛星數據來源

本文研究中選擇的是2006年6月到2007年6月間ACE衛星觀測的太陽風等離子體數密度以及相關速度數據和GOES衛星中的磁場數據以及地磁指數SYM-H數據等。其中太陽風等離子體的相關數據來自ACE衛星的SWE，所采用的數據時間分辨率是64 s。其中，GOES衛星是在同步軌道上來進行運行的，采用了GOES8/10/11/12衛星的磁場數據以及衛星位置，選擇的時間分辨率是60 s。實例分析中用到的SYM-H地磁指數為衡量環電流強度的新型地磁指數，代表的含義是地磁場水平分量所發生的對稱擾動[11]。而在地磁研究中通常使用的Dst指數，它所代表的含義是使用最廣泛的說明磁暴活動強度的指數，主要是從四個低緯度觀測站經過測量所得到的地磁場水平分量減去平靜期平均變化同時參照臺站緯度進行調整后而獲得的，采用的時間分辨率是1小時，它的大小主要是指環電流強度的量度情況。和常規的Dst指數對比，地磁指數SYM-H在獲取數據的觀測站上有所不同，其坐標系也存在一些差異，采用的數據分辨率是1 min，我們能夠將其視為高分辨率的Dst指數。

2.2 地球同步軌道磁場對太陽風動壓擾動事件分析

圖2描述了一個非常典型的太陽風動壓擾動事件。其中圖2a～d表示的就是ACE衛星在L1點觀測到的于2006年8月3日發生的太陽風動壓擾動事件圖。我們可以看到，在14∶30UT，此時太陽風動壓Pd已經由原來的3 nPa在短時間內提升至6.5nPa左右，此時在擾動前太陽風X方向，也就是GSE坐標系的速度分量的值每秒達到了440 km。圖2e到f主要是描述了GOES11衛星以及GOES12衛星二者在太陽風動壓擾動前后觀察到的地球同步軌道磁場Z分量所發生的變化，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還是地磁指數，都存在一個急劇增強的現象，我們能夠將其看做是磁層磁場以及地面磁場對在14∶30UT時ACE所觀察到的太陽風動壓增加事件的響應，同時還注意到這一響應時刻和ACE衛星觀測到的動壓擾動時刻相比，要晚70分鐘左右到達。同時，從圖2d中也能夠明顯觀察到，在16∶10UT時，ACE再次觀察到了一個動壓減小事件，并且在之后17∶20UT無論是同步軌道磁場還是地磁指數均在短時間內發生了較為迅速的下降，我們發現響應時間同樣延遲70 min左右。從上面的分析能夠得出，同步軌道磁場Z分量和地磁指數SYM-H對行星際太陽風動壓的擾動存在非常明顯的正響應關系。同時，軌道磁場Z分量和地磁指數SYM-H響應幅度也非常得明顯。

3 統計與分析

3.1 同步軌道磁場Z分量對于太陽風動壓擾動的響應情況分析

圖3、圖4分別表示的是同步地球軌道磁場Z分量響應幅度dBz及相對響應幅度dBZ/AV_BZ（AV_Bz表示擾動前30分鐘的平均場）二者隨磁地方時變化而發生的相應變化。從圖3中不難發現，當處于地方時正午附近區域的時候，同步軌道磁場對于太陽風動壓擾動響應的幅度存在一個較大的值，但是到了午夜附近響應幅度又開始變得較小，部分情況下可能發生零響應甚至負響應現象。與此同時，上圖中的實線表示的含義是同步軌道磁場在遇到動壓增大事件所發生的平均響應幅度的擬合曲線，虛線代表的含義是動壓減小事件與平均響應幅度所出現的變化的擬合曲線。從圖中可以看到，白天側的同步軌道磁場響應幅度和夜側相比，相對較大，同時圖中還顯示在午夜附近其值達到最小。另外，動壓增大事件平均響應幅度所能夠達到的最大值是發生在11 時左右的時候；而其動壓減小事件平均響應幅度所能夠達到的最大值則是發生在午后13時附近。從圖中也發現太陽風動壓增大和減小事件響應的地方時分布情況實際上是以子午面為對稱軸的近似對稱。

3.2 SYM-H響應幅度和同步地球軌道磁場Z分量響應幅度之間存在的關系

我們知道，能夠對SYM-H指數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，因此對同步軌道磁場造成影響的主要因素應當還是是磁層電流。考慮到在同步軌道的不同區域，磁層電流對同步軌道磁場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區域，其中9-15LT表示的是白天側，15-21LT表示的是昏側，3-9LT表示的是晨側，21-3LT表示的是夜側，在此基礎上就可以分析每一個區域同步軌道磁場Z分量響應幅度和SYM-H響應幅度二者存在的關系。具體的結果如圖所示。從中不難看出，在白天側區域范圍內，同步軌道磁場響應幅度和地磁指數響應幅度二者之間存在一種較為良好的線性關系，二者之間的相關系數高達0.93。考慮到白天側同步軌道磁場響應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對于動壓事件的響應影響認為幾乎都是在磁層頂電流的作用之下而發生的。圖中還明確的顯示了地磁指數響應幅度dSYM-H和同步軌道響應幅度dBz二者之間的相關系數值在晨昏側時較為接近，基本一致，但是到了夜側區域二者的相關性則最差。而之所以在晨昏側和夜側二者的相關性不高，及其原因在于影響上述區域的電流系和白天側相比顯得更加復雜，除了受到磁層頂電流的影響外，還受到來自于場向電流以及磁尾電流二者的共同作用。

4 結語

通過該文研究我們可以得出：

（1）太陽風動壓擾動能夠通過磁層頂的作用，導致磁層、電離層電流出現較為強烈的擾動現象，并能夠進一步對磁層磁場和地面磁場帶來一定的影響。在這一影響過程中，同步軌道磁場Z分量和地磁指數SYM-H二者之間表現出了非常顯著的響應，和夜側相比，白天側響應相對更加強烈。

（2）Z分量對太陽風動壓增大減小事件的響應近似的以子午面為軸呈對稱狀，表現出了非常顯著的地方時分布，同時其平均響應幅度最大值主要分布在地方時11時以及13時前后；而相對響應幅度則基本不會隨著地方時分布的不同而出現相應的變化。

（3）SYM-H響應幅度的大小和同步地球軌道磁場Z分量響應幅度之間在白天側存在著非常良好的線性相關性，同時在晨昏側也存在著類似的線性相關性。不過對比來說，白天側線性相關性要小一些。揭示了影響晨昏側和夜側同步軌道磁場以及地面磁場的磁場電流情況和白天側相比要明顯更加復雜。

參考文獻

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4 結語

通過該文研究我們可以得出：

（1）太陽風動壓擾動能夠通過磁層頂的作用，導致磁層、電離層電流出現較為強烈的擾動現象，并能夠進一步對磁層磁場和地面磁場帶來一定的影響。在這一影響過程中，同步軌道磁場Z分量和地磁指數SYM-H二者之間表現出了非常顯著的響應，和夜側相比，白天側響應相對更加強烈。

（2）Z分量對太陽風動壓增大減小事件的響應近似的以子午面為軸呈對稱狀，表現出了非常顯著的地方時分布，同時其平均響應幅度最大值主要分布在地方時11時以及13時前后；而相對響應幅度則基本不會隨著地方時分布的不同而出現相應的變化。

（3）SYM-H響應幅度的大小和同步地球軌道磁場Z分量響應幅度之間在白天側存在著非常良好的線性相關性，同時在晨昏側也存在著類似的線性相關性。不過對比來說，白天側線性相關性要小一些。揭示了影響晨昏側和夜側同步軌道磁場以及地面磁場的磁場電流情況和白天側相比要明顯更加復雜。

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4 結語

通過該文研究我們可以得出：

（1）太陽風動壓擾動能夠通過磁層頂的作用，導致磁層、電離層電流出現較為強烈的擾動現象，并能夠進一步對磁層磁場和地面磁場帶來一定的影響。在這一影響過程中，同步軌道磁場Z分量和地磁指數SYM-H二者之間表現出了非常顯著的響應，和夜側相比，白天側響應相對更加強烈。

（2）Z分量對太陽風動壓增大減小事件的響應近似的以子午面為軸呈對稱狀，表現出了非常顯著的地方時分布，同時其平均響應幅度最大值主要分布在地方時11時以及13時前后；而相對響應幅度則基本不會隨著地方時分布的不同而出現相應的變化。

（3）SYM-H響應幅度的大小和同步地球軌道磁場Z分量響應幅度之間在白天側存在著非常良好的線性相關性，同時在晨昏側也存在著類似的線性相關性。不過對比來說，白天側線性相關性要小一些。揭示了影響晨昏側和夜側同步軌道磁場以及地面磁場的磁場電流情況和白天側相比要明顯更加復雜。

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