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孙文杰等-JGR-SP:极向风驱动的等离子体耗空区
2022-07-29 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  电离层的等离子体密度受到等离子体产生率、等离子体复合率和输运过程的影响。一般来讲,日出之后由于光电离的作用,等离子体产生率较高,等离子体密度会逐渐增大,并在正午附近达到最大值。但在某些特殊情况下也会观测到白天的等离子体密度耗空,一是强地磁扰动引起的电离层负相暴,二是在弱地磁活动和磁静日都有报道的等离子体密度咬食(bite-out)现象,其中前者一般持续时间较长(可持续数小时至数天)且覆盖范围较广(可能为区域性或全球性事件),而后者则主要发生在正午附近,多为单站观测,对于它的二维形态尚不清楚,驱动因素也尚无定论。 

  由中科院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室建立的IONISE观测网沿着固定经纬度架设的特色观测链在追踪各类电离层变化和扰动方面具有极大优势,图1(上)所示为孙文杰等利用IONISE观测网沿着北纬21°和东经110°的数据观测到的发生于2018710日的一次大尺度等离子体密度耗空事件,在该事例中,本该在日出后持续增大(如图1下所示的月均值)的电子密度总含量(TEC)在世界时02时左右(北京地方时≈世界时+8小时)突然减小,该现象在不同经度上几乎同时发生,并且具有从低纬向更高的纬度传播的趋势。结合其它观测网的TEC数据,孙文杰等将TEC数据投影到二维地图(图2a),发现在世界时02-04时中国中低纬地区出现大范围的TEC耗空区域(15°-35°N/90°-130°E)。进一步地将TEC的变化率(ROT)投影到二维地图(图2b),发现有一个大尺度的负ROT结构,在低纬产生并逐渐向北传播,而这个负ROT结构,就是导致大尺度等离子体密度耗空的“罪魁祸首”。 

1 沿北纬21°和东经110°观测到的北斗同步卫星TEC与对应ROT,(上)2018710日数据,(下)20187月月均值

2 2018710(a) TEC地图和(b) ROT地图  

  在以往的研究中,这种大范围的等离子体耗空一般发生在强烈的地磁暴导致的电离层负相暴期间。但在该事例发生当日,地磁和太阳活动均相对平静,赤道电场为东向,因此不可能是地磁扰动或西向电场导致的负暴效应。利用测高仪的观测结果(图3)发现在大尺度等离子体密度耗空结构出现时,等离子体密度剖面被持续下压,相比于月均值,F2层峰值密度先增大后减小,而TEC只体现为减小。在排除了其他驱动源之后,最有可能产生以上效果的驱动因素是极向的风场。在极向风作用下,等离子体会沿着磁力线被压缩到更低的高度更薄的空间内,因此等离子体总量虽然不变但等离子体密度会先增大;而在更低的高度上,等离子体复合率更高,导致接下来等离子体密度和总量持续减小,进而发生等离子体密度耗空现象。 

3 从上往下依次为在三亚、邵阳和武汉观测到的等离子体密度剖面月均值、事件当日等离子体密度剖面、F2层峰值密度和北斗同步卫星TEC,其中白色点线为F2层峰高,灰色虚线为对应的月均值

  孙文杰等进一步利用IONISE两年的观测数据,对这种极向扩展的大尺度等离子体密度耗空结构进行了统计研究(图4),发现该类结构主要发生在夏季低纬地区,且对应的地磁活动均较为平静(Kp指数一般小于3)。结合以往的文献中对邻近区域热层风场气候学的研究,发现在夏季的上午风场一般体现为北向(极向),而当该极向风场足够大时,则足以驱动产生这种极向扩展的大尺度的等离子体密度耗空结构。该项研究表明,磁静日的电离层也存在大尺度的结构变化,而中性风场在这种大尺度电离层结构变化中具有举足轻重的作用。 

4 极向扩展的大尺度等离子体密度耗空结构的(a)发生日期与不同纬度的耗空强度统计结果与(b)事件对应时间前后12个小时之内的最大Kp指数

  研究成果发表于空间物理学国际学术期刊JGR: Space Physics孙文杰李国主*乐会军陈一定胡连欢,杨思朋,赵秀宽解海永,李怡,宁百齐赵必强刘立波. Daytime ionospheric large-scale plasma density depletion structures detected at low latitudes under relatively quiet geomagnetic conditions [J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2022,127(2): e2021JA030033. DOI: 10.1029/2021JA030033)。该成果受国家自然科学基金(No. 42020104002417278034207419041904141)、中科院国际合作项目、中科院日地网和子午工程等联合资助。 

 
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