分层极光下的离子漂移

文|春风

图|春风

PJ/SAID或极光下的离子漂移，会导致极光下电离层的空间位置突然发生结构变化。例如等离子体不规则的出现，在F层高度形成深电子密度槽，热层风，垂直等离子体传输，对无线电波传播条件产生重大影响，反映了空间天气的变化。尽管PJ/SAID的实验和理论研究已经进行了几十年，但其性质和性质尚未得到充分研究，对这种现象的研究仍然是近地环境物理学中最重要的问题之一。

根据宇宙-184卫星的数据，首次在电离层的极光下区域检测到向西漂移的狭窄离子流，被称为“极化射流”（PJ），SAID则是使用来自Atmosphere Explorer C的数据发现的。将利用卫星和地面雷达数据，研究PJ/SAID的大尺度特性及其形成机制。

除了研究PJ/SAID的大尺度性质外，研究PJ/SAID的小尺度结构也很重要。利用Millstone Hill雷达和DMSP卫星的测量结果，在PJ/SAID赤道边界检测到数十公里范围内的电场高度结构化，这导致形成Farley-Buneman不规则性和极光雷达反向散射斑块。在Makarevich和Bristow中考虑了SAPS（极光下极化流）中PJ / SAID的外观与SAPS中的小规模电场结构之间的联系。SAPS是极光下纬度的一种现象，包括PJ / SAID和更广泛的向西漂流。

由于PJ/SAID相对较小（纬度1°-2°），其小尺度结构需要具有高空间分辨率的测量，因此大量科学工作致力于研究SAPS的小尺度结构，其宽度范围为纬度3°至5°。通常，暗示驱动SAID和SAPS的极向电场由于相似或相同的机制而发展。然而，SAPS 与黄昏边流有关，SAID 与午夜前流有关。亚暴开始后，黄昏侧的SAPS和数十个keV环形电流注入比等离子梯度曲率漂移时间快得多。

此外，通常在亚风暴开始后的几分钟内观察到接近午夜的SAID频道。时间滞后是重新连接注入的热等离子体射流到午夜前等离子体层和亚风暴电流楔到黄昏的传播时间的数量级。他们的观察指出了快速时间黄昏SAPS和环流注入与亚风暴电流楔的双回路电路的关系。SAPS可能会影响低纬度地区的过程，例如赤道电射流和热层中性风。

这篇文章介绍了使用DMSP-F15卫星对SAPS波结构（SAPSWS）的小规模结构的研究。研究发现，准静电和电磁波结构可以在物理上接近共存，并且它们通常具有较窄的频谱。使用来自CRRES和DMSP卫星的数据研究了SAPSWS，并提出了在SAPS赤道侧形成升高的电子温度和超热通量的情景。根据DMSP F13和F14卫星的数据，对电子密度的不规则性进行了研究。

【分析方法和测量结果】

为了分析等离子体参数的小尺度不规则性，除了电子密度和温度外，还使用了ΔN/N和ΔT/T等参数：ΔN/N=N-SMA（N）=ΔT/T*T-SMA(T)

参数 ΔN/N 显示了 N 在不同尺度下与平均值的偏差。使用此参数，可以检测等离子体参数的不规则性并确定这些不规则性的空间维度。本研究中的参数 ΔN/N 是针对每个移动平均窗口单独计算的，空间维度从纬度的 0.01° 到 1°，步长为 0.01°。上述方法也适用于参数ΔT/T，其差值为ΔT/T表示电子温度的偏差。该图构造如下：沿横坐标轴绘制地磁纬度，沿纵坐标轴绘制移动平均窗口（Δ），绘制ΔN/N或ΔT/T值作为色标。

尽管m-NLP仪器的采样率很高，但数据中存在技术噪声，因为NorSat-1卫星最初不是为科学目的而设计的。因此，数据在500点窗口SMA上取平均值，以消除ΔN/N和ΔT/T参数中的高频噪声。此外，为了排除低强度噪声，绘制了“地磁安静”日参数ΔN/N和ΔT/T，在此期间地磁活动较低（Dst ∼ 1991 nT）。图中的红线和蓝线分别表示电子温度和密度。众所周知，PJ/SAID中的电子温度增加，电子密度降低，因此色标的值具有不同的符号：ΔN/N的负值和ΔT/T的正值。此外，通过设置色标的限制（ΔT/T的上限，ΔN/N的下限），可以找到噪声变得明显的边界值。对于ΔN/N，这些极限值为−05.0，对于ΔT/T为03.0。在随后的图中，将值 −05.0 设置为ΔN/N 的上限，将 03.<> 设置为ΔT/T 的下限，从而排除了各种来源的噪声对观测结果的影响。

研究了NorSat-1、DMSP F-17和DMSP F-18卫星在2018.03.18、2018.04.10和2018.04.20三次地磁事件中的测量结果，其地磁指数Dst分别为∼−20、∼−21和∼−32 nT。不幸的是，NorSat-1测量中存在几个数据空白，DMSP F-18的数据集中没有电子温度。由于NorSat-1轨道是太阳同步的，并且在夜间扇区，它总是位于00 MLT（磁性本地时间），我们在图中没有提到NorSat-1 MLT坐标。

图的顶部面板显示了DMSP F-18卫星在2018.03.18在19 UT的地磁事件期间的测量结果。在61°–63°地磁纬度约18 MLT区域，在电子密度下降的最深处，水平向西的离子漂移速度增加到3 km/s，垂直向上漂移速度增加到200 m/s，离子温度高达0.4 eV。上述水平和垂直漂移速度、离子温升和 1.5°-2° 纬度是 PJ/SAID 的特征。因此，在所考虑的18 MLT地磁事件期间，PJ / SAID的存在被清楚地表明。因为，平均而言，PJ/SAID沿纬度从∼02扩展到∼16 MLT，PJ/SAID在18 MLT时的存在表明PJ/SAID在整个夜间扇区都存在，包括在NorSat-00卫星进行测量的1 MLT处。

此外，图的中间和底部面板展示了，根据NorSat-1卫星在2018.03.18在19 UT地磁事件期间的高采样率数据对参数ΔN/N、ΔT/T、电子密度和温度的测量结果。图中的PJ/SAID位于52.8°–50.8°。2°纬度的宽度是PJ/SAID的典型宽度。可以看到，根据DMSP F-18（顶部图）和根据NorSat-1（中图和下图）的PJ/SAID位置之间的地磁纬度差异为∼10°。可以解释为，PJ/SAID的平均地磁纬度随着MLT在午夜和早晨扇区的增加而降低，Foster和Vo的SAPS通常位于同一纬度的每小时∼7.2002°。DMSP F-18通道位于18 MLT和NorSat-1通道位于00 MLT，因此在所考虑的情况下，地磁纬度降低的速率为每小时∼1.6°MLT，值得注意的是，这是先前研究显示的两倍多。

当卫星从北极移动到PJ/SAID时，在图的中间面板中，从54.2°到52.8°的地磁纬度区域，电子密度逐渐降低一个数量级，随后在PJ/SAID内∼52.8°-52°纬度区域下降。主电离层槽（MIT）极壁的密度下降是PJ/SAID的特征。根据底图，密度的下降在空间上与电子温度的升高相吻合，而温度峰值与下降的最深处约6.2°地磁纬度重合。电子温度峰值和较低密度倾角点的空间重合是PJ/SAID的典型特征。根据以前的研究，上述特征是PJ/SAID固有的，除了DMSP F-1998数据的直接指示外，还表明所考虑的现象确实是PJ/SAID。

在上述电子密度下降中，通过参数ΔN/N和ΔT/T，可以看到许多小尺度结构——偏振射流地层（以下简称PJS-偏振射流地层），其中两个最大的位于∼52.8°和∼52.7°，宽度为纬度<0.1°。此外，在图的中间面板中，在51.1°–50.8°的地磁纬度区域，电子密度第二次下降。与纬度对应的电子温度峰值如图的底图所示。因此，所考虑的现象是SSAID（分层SAID），因为它不是均匀的PJ / SAID，并且由电子密度和温度的几个PJS组成。

DMSP F-18卫星在2018.04.10 UT05 UT地磁事件期间的测量结果显示在图的顶部面板中。请注意，所展示的DMSP F-18通道位于南半球。从雷达观测中知道和原位测量，如果PJ/SAID或SAPS发生在一个半球，那么它在另一个半球以及磁共轭纬度上也同时观察到。因此，人们可以使用南半球数据来确保PJ/SAID在地磁活动增加期间同时出现在北半球。在∼60 MLT扇区的-5.59°至-7.20°的地磁纬度范围内，电子密度下降，纬度与水平漂移速度增加至1.9 km/s，垂直漂移增加至∼70 m/s，离子温度增加至0.3 eV相吻合。

图的中间和底部面板显示，SSAID由几个电子密度和温度的PJS组成，占据了56.3°-54.9°的地磁纬度区间。随着MLT的增加，地磁纬度降低率为每小时约1.25°，低于第一种考虑的情况。最深的电子密度倾角点位于SSAID极壁附近，位于∼56.3°处。根据图的底图，最大的温度峰值在空间上与最深的密度倾角点重合。

此外，从极壁赤道上可以看到另外两个电子密度下降，与电子温度的上升相吻合，在地磁纬度的55.9°–55.6°和55.1°–54.8°。在图中间和底部面板的SSAID内部，参数ΔN/N和ΔT/T确认在地磁纬度56.3°–56°、55.9°–55.6°、55.3°–55.4°和55°–54.8°存在四个可区分的电子温度和密度PJS，其宽度分别为纬度0.3°、0.3°、0.1°和0.2°。反过来，极壁第二的PJS由几个小地层组成<大小为纬度0.1°。

在∼57 MLT扇区8.61°–17°地磁纬度区域，观察到电子密度下降，这在空间上与水平漂移速度增加至1 km / s，离子（高达0.33 eV）和电子（高达0.5 eV）温度增加相吻合，这表明在指定的地磁事件期间存在PJ / SAID。然而，应该注意的是，在所考虑的事件中，该倾角内的垂直漂移速度是向下的，达到∼600 m / s，这不是PJ / SAID的特征。

【结论】

我们使用来自NorSat-1和DMSP卫星的数据,研究了三种不同地磁事件期间偏振射流内部的小规模不规则性。在每次考虑的卫星通道中，PJ / SAID由电子密度和温度的几个层（PJS-偏振射流层）组成。因此，在所考虑的所有三种情况下，都观察到SSAID（分层SAID）。

应该指出的是，在这项工作的框架内，除了介绍的三个SSAID之外，还调查了其他几个检测PJ / SAID的案例。本文没有介绍这些案例，因为没有DMSP数据可以直接表明PJ / SAID的存在，但是，使用科学文献中PJ / SAID的已知特性，可以得出结论，这些案例确实是PJ / SAID。这些考虑的案例也是SSAID。因此，结论本身表明PJ / SAID总是由一定数量的不同大小的地层组成。为了验证这一假设，需要使用来自大量地磁事件和相应卫星通道的数据对PJ / SAID小尺度结构进行进一步研究。

使用参数 ΔN/N 和 ΔT/T 确定 PJS 的尺寸。大PJS为纬度0.1°–0.3°，小型PJS为<0.1°纬度。平均而言，SSAID由2-4个大型PJS组成，小型PJS的数量可以从几个单位到几十个单位不等。在几个SSAID中发现的这些结构首次使用NorSat-1卫星上的m-NLP仪器的测量结果以如此高的空间分辨率进行观测。此前，使用NorSat-1上的该仪器和Swarm卫星的数据研究了小规模的不规则性，在当前的工作中被解释为大型PJS。

PJS的生产机理，以及PJ/SAID的确切生产机理（科学文献中有多种观点），今天仍然是一个悬而未决的问题。SSAID内部地层的形成可能与PJ / SAID本身具有相同的机制，但规模较小。可以假设区域2场对齐电流密度的不均匀性导致电离层F层的Pedersen电导率不均匀降低。这反过来又导致向西的分层电漂移，纬度为<0.1°和0.1°-0.3°的地层，这些地层几乎不可能用低采样率的漂移计检测到。

PJS可能具有类似的性质，但空间尺度较小。SAPSWS和PJS之间的关系需要进一步调查。

此外，PJS的形成可能是由强（超音速）离子漂移产生的等离子体不稳定性和电离层等离子体测量参数的各种小尺度波动引起的。

因此，在这项工作中，首次研究了几种不同地磁事件的小规模PJ/SAID结构，仪器采样率高达∼1 kHz。本研究获得的主要科学成果如下：

1.发现了一种称为SSAID的新型现象，这是一种PJ / SAID，由内部称为PJS的小规模地层组成。有人建议任何PJ/SAID都由PJS组成。

2.定义了 PJS 典型大小。大型PJS的大小为纬度0.2°–0.3°，小型PJS的大小为<0.1°。平均而言，SSAID由2-4个大型PJS组成，从几个单位到几十个小型PJS组成。

3.就生产SSAID和PJS的可能物理机制提出了建议。

参考文献：

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