极光沉降.pdf

书书书第 卷 第期 年月地球物理学报 ，刘晓灿，陈耿雄，徐文耀等极光沉降粒子能量与犃 犈、犇 指数的相关分析地球物理学报，（）：，犃 犈 犇 犆 犺 犻 狀 犲 狊 犲犑犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊（），（）：极光沉降粒子能量与犃 犈、犇狊 狋指数的相关分析刘晓灿，陈耿雄，徐文耀，杜爱民，吴迎燕，陈博，王源，赵旭东，中国科学院地质与地球物理研究所，北京 中国科学院研究生院，北京 摘要对 的 系列极轨卫星观测得到的 年以来近 年的极光沉降粒子半球能量的估算值 （）数据进行了分析，结果表明，极光沉降粒子有显著的春秋分峰值的年变化特征，并且有冬季半球沉降能量较大的南北半球不对称性对 的时均值犘 犪与地磁指数犃 犈、犇 的相关分析得到，犘 犪与犃 犈的相关系数为 ，犘 犪与犇 的相关系数为 把南北半球的时均值犛 犘 犪，犖犘 犪数据分别与犃 犈，犇 指数做相关，发现犛 犘 犪与犃 犈的相关性稍高于犖犘 犪的，犛 犘 犪和犖犘 犪与犇 的相关性近似当时延时，犃 犈与犘 犪的相关最好，表明全球极光沉降粒子和极光电集流的变化同步；当犇 滞后于犘 犪，时延，犘 犪与犇 的相关最好，并且时延为，犘 犪与犇 的相关都好于无时延的水平关键词极光，沉降粒子，亚暴，地磁指数，相关分析文章编号 （）中图分类号 收稿日期 ，收修定稿基金项目国家重点基础研究发展计划项目（）和国家自然科学基金重点项目（）资助作者简介刘晓灿，女，年生，博士生，年毕业于云南大学，主要从事磁暴与亚暴研究 ：犚 犲 犾 犪 狋 犻 狅 狀 狊 犺 犻 狆 狊狅 犳 狋 犺 犲犪 狌 狉 狅 狉 犪 犾 狆 狉 犲 犮 犻 狆 犻 狋 犪 狋 犻 狀 犵狆 犪 狉 狋 犻 犮 犾 犲狆 狅 狑 犲 狉狑 犻 狋 犺犃 犈犪 狀 犱犇狊 狋犻 狀 犱 犻 犮 犲 狊 ，犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲 狅 犳犌 犲 狅 犾 狅 犵 狔犪 狀 犱犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊 犻 犮 狊，犆 犺 犻 狀 犲 狊 犲犃 犮 犪 犱 犲 犿 狔狅 犳犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲 狊，犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 ，犆 犺 犻 狀 犪犌 狉 犪 犱 狌 犪 狋 犲犛 犮 犺 狅 狅 犾 狅 犳狋 犺 犲犆 犺 犻 狀 犲 狊 犲犃 犮 犪 犱 犲 犿 狔狅 犳犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲 狊，犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 ，犆 犺 犻 狀 犪犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 （）（），犪 犪，犃 犈 犇 ，犘 犪，犃 犈 犇 狉 犘 犪 犃 犈 狉 犘 犪 犇 ，犖犘 犪 犛 犘 犪，犛 犘 犪 犃 犈（犇），犘 犪 犃 犈（狉 ），犘 犪 犇 （狉 ），期刘晓灿等：极光沉降粒子能量与犃 犈、犇 指数的相关分析犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊 ，引言极光是来自磁层的高能粒子沉降到高层大气并与中性成分碰撞激发大气发光的现象，是太阳风磁层电离层耦合造成的地球高纬活动的重要表现形式之一，一个表示极光沉降粒子能量的参数对于耦合过程和极光现象的研究有重要意义早期研究结果指出，极光发生率有春秋分最大的季节变化，这是由于地磁轴与日地连线存在夹角造成的随着观测手段的不断进步，极光的研究工作得到更深入的发展 等得出在强烈的电子加速事件（）期间，日照条件下（即太阳天顶角 ）电子沉降产生分立极光时受到压制，冬季和夏季压制比为上行离子束流的发生率被认为与向下加速电子激发分立极光的场向电势降有关，等用 的 卫星环形全角光谱图像仪（）对极光加速区 的 观 测 资 料 研 究 发 现，冬 季 主 要 在 扇区观测到上行离子束流，峰值位于子夜前，发生率超过，夏季发生率很低，小于，并且没有明显的峰值区 等用宇宙噪声吸收成像仪研究极光共轭性，通过分析电离层区和区电子密度增强引起的宇宙电磁波噪声吸收变化，得出冬季半球非常有利于极光事件发生的结论 等分析了南半球 到 高度 卫星电场观测资料，发现电子定位器（）窄带发射与倒型电场事件有很高的相关性，相关主要发生在子夜前 的 地 磁 纬 度 范 围 内，最 大 值 出 现 在 冬 季 和 得出极光电磁离子回旋加速波主要发生在倒型电场区域 和 使用 卫星的电场观测数据研究表明，波出现的峰值多位于冬季极光带纬 度 范 围 子夜 前 扇区 和 分析结果表明极光千米辐射事件（）冬季半球较夏季半球更为活跃 等用 紫外成像仪在北半球拍摄的极光犖 长波段发光率图片得到的极光能量与极盖指数犘 犆做相关得出，冬季的相关性（狉 ）高于夏季（狉 ），夜晚侧的高于白天侧 等 发展了一个用多年 系列卫星观测到的沉降粒子数据估算沉降粒子能量的统计模式，并以模式的值作为实时监测极光活动的指数本文利用该指数来研究极光活动变化以及沉降粒子能量与地磁活动的相互关系介绍 和由 它得出的用于本文工作的数据犘 犪，犛 犘 犪，犖犘 犪，主要的数据分析方法，分析犘 犪数据的变化特征和季 节不对称活动，并考察犘 犪与犃 犈、犇 指数的 相关性数据来源从 年起 相继发射了 颗 卫星，每颗卫星的寿命大约为两年卫星飞行高度范围 ，倾角范围 卫星上的总能量探测器 （）用于监测极光沉降粒子带入地球大气的能量，从（年）开始，监测粒子能量的范围从 扩展到 在卫星一次穿越极区的过程中 探测到的能量积分值被称为能流，能流经过模型估算和标准化矫正后定 义 为 半 球 能 量 的 估 算 值（），记为 ，将飞过极区的中心时刻作为 的数据时间自 年以来，共有近 万次穿越极区的 数据从 到 的 数据按照几何级数分为九个活动等级，即极光活动指数，反映了极光活动从平静到 强烈的不同水平 数据及模型估算得到的极光卵统计位形图都可以通过网站下载获得，网址为 ：虽然系列卫星周期都约为 ，但是每年用于监测的卫星不一定相同，不同卫星之间采样间隔不等，本文将所有南北半球的 数据换算为小时平均值，记为犘 犪（），便于与犇 指数进行对比为了考察南北半球活动的差异，分别把北半球（地磁纬度以上）的时均值记为犖犘 犪，南半球的记为犛 犘 犪由于卫星交替或故障等原因 年几乎没有数据分析方法本文使用时序叠加、相关分析和延时相关等方法分别对沉降粒子能量的不同特征进行统计研究主要原理如下：地 球 物 理 学 报（）卷对于两个给定的狀维样本狓和狔，可以用相关系数来量化两者线性拟合的程度相关系数狉是一个标量，定义为两个样本的协方差与两个样本各自标准差乘积的比值：狉（狓，狔）犖犖 犻狓犻犖 犽狓犽（）犖狔犻犖 犽狔犽（）犖犖犖 犻狓犻犖 犽狓犽（）犖槡犖犖 犻狔犻犖 犽狔犽（）犖槡两个以时间狋为变量的函数犡，犢，记为犡（狋）、犢（狋），在狋时刻相关系数为：犚犡 犢狉（犡（狋），犢（狋）延时相关指在狋时刻犡（狋）与狋时刻犢（狋）的相关，此时相关系数为：犚犡 犢狉（犡（狋），犢（狋），其中被称为时延，它有正负，在上式中正表示犡滞后，负表示犡提前数据分析及结果 犘 犪的变化特征 长期变化 年极光沉降粒子能量犘 犪的长期变化如图所示，图中曲线中断的部分是因为数据空缺图地磁活动指数犪 犪、犃 犈、犇（上图），犘 犪（中图），太阳黑子数犚（下图）的长期变化 犪 犪，犃 犈，犇，犘 犪，犚图数据均为月均值 点平滑后的值由图看出犘 犪与犪 犪、犃 犈、犇 三个地磁指数的变化一致，尤其与犪 犪及犃 犈指数趋势起伏基本同步因为极光是高能粒子沿着地磁场的方向进入大气层后激发大气发光的一种现象，并且极光主要分布在环绕地磁极的极光卵带内，其位形与地磁活动强弱密切相关当南北两极区的磁共轭点上同时观测到形态类似的南极光和北极光时，通常是磁层粒子沿同一磁力线沉降到南北两极区的共轭极光所以极光沉降粒子进入近地空间后主要受地磁场控制，具有与地磁指数相类似的变化规律从图看出，犘 犪与太阳黑子 年周期变化的相关性不好此外，犘 犪在太阳黑子极大年之后两年出现了峰值，这与 的结论一致 犘 犪的年变化图为 年极光沉降粒子能量犘 犪数据时序叠加得到犘 犪的年变化，左图（）（）（）分别为犖犘 犪，犛 犘 犪，犘 犪的年变化，可以看出三组数据都显示出明显的春秋分峰值的年变化特征右图（）（）（）为 和 年用 期刘晓灿等：极光沉降粒子能量与犃 犈、犇 指数的相关分析图犖犘 犪、犛 犘 犪、犘 犪与地磁活动指数犝年变化的比较（右图引自 和 （）犖犘 犪，犛 犘 犪 犘 犪 犝（）年的日均犝指数按照活动高年、活动中等年、活动低年分为活动、中等、平静三种情况所得到的犝指数的年变化特征，犝指数等效为连续的犇 指数日均值之间的差值可以看出，犝指数也有春秋分峰值的变化特征地磁活动的半年变化特征很早就被人们所认识（例 如 ，；和 ，），近年来较为广泛接受的解释是 效应，他们指出在两分点（月 日或月 日），太阳穿过地球的地理赤道在月日和月日，地球穿过太阳的自转赤道太阳风磁场垂直于流向的分量在地磁偶极轴上投影大小，引起地磁活动的改变，在春分：以及秋分点：，地球的偶极轴与黄道面法线的夹角最大，为 根据太阳风磁场犅是指向或背离太阳，理想阿基米德螺线磁场垂直于流向的分量犅将有一个分量，犅 ，在日下点相对于地磁场如果投影向南，将出现明显的耦合，此时地磁活动最为剧烈在其他时间，黄道面上磁场的南北分量较小，地磁活动的程度也较弱，我们认为行星际磁场南向分量的季节变化对极光沉降粒子的变化也起着主要的调制作用，地磁轴与日地连线的夹角在春秋分点达到最大，行星际磁场犣分量南向时，分量值会较其他时间更大，类似地，磁活动沉降粒子能量也会出现峰值 犛 犘 犪与犖犘 犪的南北半球不对称性南北半球沉降粒子呈现一致的年变化（见图左图（），（），为了考察南北半球的差别，按照三个劳埃德季节分别进行了研究图、分别给出夏至月份（，月，用表示），冬至月份（，月，用表示），分点月份（，用表示）犛 犘 犪和犖犘 犪月均值的线性相关关系，拟合直线方程中的狔表示犛 犘 犪，狓表示犖犘 犪可以看出，所有季节相关性都在 以上在月份（图），比例因 子和截距分别为 和 ，犛 犘 犪犖犘 犪，处于图三个劳埃德季节犖犘 犪和犛 犘 犪的线性拟合及相关分布 犖犘 犪 犛 犘 犪 地 球 物 理 学 报（）卷冬季的南半球能量大；在月份（图），比例因子和截距分别为 和 ，当犖犘 犪 时，犖犘 犪犛 犘 犪，对图中散点进行统计可知，的点都分布在 以上的水平，此时处于冬季的北半球，极光沉降粒子能量大在月份（图），比例因子和截距分别为 和 ，当犖犘 犪 （的点）时，犖犘 犪犛 犘 犪综上所述，冬季半球沉降粒子能量大于夏季半球进一步统计得出，月份犛 犘 犪和犖犘 犪的平均值分别为 和 ，冬季半球高出夏季半球；月份犛 犘 犪和犖犘 犪的平均值分别为 和 ，冬季半球高出夏季半球 ；月份犛 犘 犪和犖 犘 犪的平均值分别为 和 ，相差不到应该指出，图中每个散点对应的犛 犘 犪和犖犘 犪由各自半球的 数据小时平均得来，南北 时间并不一定一一对应 等得出，在电子加速事件中，强烈的电子沉降产生的分立极光多出现在黄昏子夜扇区，白天扇区由于日照而受到压制，冬季和夏季受压制的比值约为后来，他又研究得出离子极光在黄昏子夜扇区冬季和夏季半球基本相当，在子夜早晨扇区离 子沉降能 量冬季 半 球 比 夏 季 半 球 约 大 总的来说，离子极光的季节效应弱于电子极光 等研究了北半球白天和夜侧的电子极光，结果表明，在夏季，夜侧极光能量被压制，而日侧能量增强，冬季压制（增强）的程度较弱，约为夏季的类似地，我们得到极光沉降粒子能量的不对称活动，不对称的量为 和，远小于 和 等得到的或值因为 是一个表示所有极光沉降粒子能量的物理量，其中既有电子也有离子，它的变化中和抵消了白天、夜晚不同粒子的不同季节效应，描述的是沉降粒子综合的变化特征 犘 犪，犃 犈，犇 的相关分析 磁暴事件中的 图为 年月 日至 日大磁暴期间 、犃 犈、犇 的变化，其中灰色阴影为犇，实线为 ，点线为犃 犈犃 犈，犇 都为时均值，将 的数据时间也换算为小时值由图可以清楚地看出，与犃 犈、犇 有相似的变化特征，尤其与犃 犈不仅在主相最大值（日：）前后二者的变化一致，在恢复相的多次扰动也吻合得很好因此可以认为，极光沉降粒子能量可以直接地反映出亚暴的活动，为亚暴事件的研究提供了一个新的参考量 和 对的 波段的极光光谱得到的全球极光能量指数 进行极光爆发与亚暴发生时间的延时分析，得到延时大约为 由图还可看出，与犇 最相似的变化在最大相处，并且 的峰提前约，犇 滞后的变化在初相（日：）以及恢复相最低谷处（日：）都清楚呈现犇 相对于犃 犈也有这种滞后的变化特征我们对多个不同强度的磁暴事件进行了分析，均得到相似的结果，表明磁暴期间，与犃 犈和犇 之间具有一致的变化特征 犘 犪与犃 犈，犇 的相关分析为了观察一般情况下极光沉降粒子能量与地磁图 磁暴期间 ，犃 犈，犇 的变化 ，犃 犈 犇 ，期刘晓灿等：极光沉降粒子能量与犃 犈、犇 指数的相关分析指数的相关性，我们分析了犘 犪与犃 犈，犇 的相关关系徐文耀等 指出，犃 犈指数与犃 犔、犃 犝指数有很好的线性关系，可以用犃 犈（乘以适当比例因子）近似代替犃 犔和犃 犝，犃 犈可以近似表征极区总电流以及晨昏电流涡强度因此本文用犃 犈指数做分析，为了方便与犇 指数比较，使用犃 犈的时均值为保证数据的可靠性，选取了 有订正后犃 犈时均值数据的十年做犘 犪与犃 犈，犇 的相关分析图给出了 年期间犘 犪与犃 犈、犇 的相关散点分布，以及各自的相关系数可以看出：犘 犪与犃 犈相关系数狉 ，由于犘 犪和犃 犈指数都是用来描述极光活动的，他们有较好的相关犘 犪与犃 犈的相关没有达到更好是因为，首先两者表征的是极光活动的不同阶段，犃 犈指数由地面观测数据得来、描述极光电集流整体活动，极光电集流分布在电离层区和区 以下的高度 系列卫星常规飞行高度是 ，上面的仪器监测到的粒子在下降的过程中会由于发生极光或焦耳发热消耗掉一部分，到达极光电集流高度粒子成分已经发生了改变其次，卫星有数据时表明确实有沉降粒子被监测到犃 犈指数观测台站虽然全部分布在北半球极光带，但是在强地磁活动期间，极光卵的位置发生偏移，犃 犈指数就不能很好地表征极光电集流的活动 犘 犪与犇 指数呈负的相关，相关系数为 （见图右），此相关程度说明极光沉降粒子与环电流之间存在一定的关系下节将对此关系做进一步的分析图 犘 犪与犃 犈（），犇（）相关散点图 犘 犪 犃 犈（），犇（）犛 犘 犪和犖犘 犪与犃 犈，犇 的相关分析对犖犘 犪和犛 犘 犪与犃 犈和犇 做相关分析，得出犛 犘 犪与犃 犈的相关性略好于犖犘 犪与犃 犈的相关性，表明南半球与北半球极光共轭存在，用观测数据证实了南北极光的共轭性，揭示出南北半球的沉降粒子造成的极光卵的活动以及极光电集流造成的地磁扰动也是同时发生的犖犘 犪和犛 犘 犪与犇 指数的相关系数都接近 犘 犪与犃 犈、犇 的延时分析 ，等 指出犇 监测的是环电流的活动，犪 狆与犃 犈指数监测的是电离层电流，电离层电流对外部变化有更快的反映所以他们对三种指数做延时相关，得到犪 狆与犃 犈无延时时相关最好，犇 滞后一个延时单位（）与犪 狆的相关最好 系列卫星与极光电集流同样位于电离层，极光电集流指数犃 犈对于极光粒子沉降的反映快于环电流指数犇，因此本文也分析了这三种指数的延时相关，来考察极光粒子沉降与极光电集流和环电流可能的相互影响过程图为对 的犘 犪、犃 犈、犇 延时分析得到的结果可以看到，当延迟时间时，犘 犪与犃 犈的相关系数为 ；当犇 滞后，和 时，图犘 犪与犃 犈，犇 的延时相关（为最大相关）犘 犪 犃 犈，犇（）地 球 物 理 学 报（）卷犘 犪与负犇 的相关系数为 ；当犇 滞后，时，与负 的相关系数为 分析该结果可知，犘 犪与犃 犈在无延时的情况下相关最好本文中数据分辨率为，时间尺度小于的过程无法揭示，所以全球的沉降粒子与极光电集流的活动几乎是同步进行的，它们相互影响的时间范围在一个小时之内，要得到更具体的影响过程需要更高精度的数据，但 （见 节）一般一个小时平均只有两个数据，不适合做这项工作时延约为时犘 犪与犇 和犃 犈与犇 的相关最好，首先同样证实了沉降粒子与极光电集流的活动几乎是同步进行的具体分析，犇 滞后、时，犘 犪与犇 相关最好，说明极光粒子沉降可能对环电流产生一定的影响 得出从一个典型的磁暴过程看出，磁暴主相是一个能量积累的过程，这个积累可能由多个亚暴来完成对于犃 犈与犇 的 相 关 已 有 很 多 的 研 究（都 亨 等，；，），其 中 ，（）对犃 犈与犇 做延时相关，得出在犇 滞后时，犃 犈与犇 的相关最好他们的工作数据分辨率为，本文中把分辨率提高到左右从图还可以看出，犇 滞后时延时犘 犪与犇 以及犃 犈与犇 的相关都好于无时延的水平，这与磁暴主相的典型时间尺度大致相符，说明高纬电流或高纬地磁活动对于环电流变化的可能影响主要来自于频发极光现象相关的亚暴过程，影响时间尺度大致为，且在达到最大 结论本文研究了极光沉降粒子能量的变化特征及其与犃 犈、犇 指数之间的相关性，分析了全球极光沉降能量粒子与极光电集流活动以及与环电流活动的相互影响的基本过程主要结论如下：（）犘 犪与犪 犪、犃 犈、犇 指数的变化一致，有两分点峰值的年变化特征，极光沉降粒子的活动表征了地磁活动的特征犛 犘 犪与犖犘 犪有冬季半球沉降能量大于夏季半球的不对称性（）因为犘 犪与犃 犈指数都是用于描述极光活动的，所以它们的相关较高犖犘 犪和犛 犘 犪分别与犃 犈和犇 指数做相关分析发现，与犃 犈的相关性犛 犘 犪好于犖犘 犪，与犇 的相等，证实了南北极光共轭性的存在（）在时延的情况下，犘 犪与犃 犈指数相关达到最高，说明全球极光沉降粒子与极光电集流的活动几乎是同步进行的；犇 滞后 时，犘 犪与犇 相关达到最高，并且时延为时相关高于无时延的（）极光沉降粒子能量 与地磁活动变化的一致性表明，能够很好地表达极光活动的特征，可以作为研究亚暴活动的一个参考物理量，并从统计上能做为磁暴主相时间尺度划分的依据之一参考文献（）曹晋滨等译太空物理学导论北京：科学出版社，：，犖 犪 狋 狌 狉 犲，：，犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊犚 犲 狊犔 犲 狋 狋，：，：，犘 犾 犪 狀 犲 狋犛 狆 犪 犮 犲 犛 犮 犻，：，犑犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊犚 犲 狊，：，犑犌 犲 狆 犺 狔 狊犚 犲 狊，：，犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊犚 犲 狊犔 犲 狋 狋 ，：，犑犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊犚 犲 狊，（），：，犕 狅 狀犖 狅 狋 犻 犮犚 狅 狔犃 狊 狋 狉 狅 狀犛 狅 犮，：，期刘晓灿等：极光沉降粒子能量与犃 犈、犇 指数的相关分析 犑犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊犚 犲 狊，（）：徐文耀地磁学北京：地震出版社，：，犑犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊犚 犲 狊，：，犑犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊犚 犲 狊，（）：，犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊犚 犲 狊犔 犲 狋 狋，（），：徐文耀，陈耿雄极区电离层电流与极光电集流指数关系的定量分析中国科学（），（）：，犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲 犻 狀犆 犺 犻 狀 犪（）（），（）：都亨，谢榴香犇 指数和犃 犈指数的相关关系空间科学学报，（）：，犇 犃 犈 犆 犺 犻 狀犑犛 狆 犪 犮 犲犛 犮 犻（），（）：犃 犈 犇 犑犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊犚 犲 狊，（）：，犃 犈，犇 （）（）犃 狀 狀犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊 犻 犮 犪 犲，：，犇 犇 犑犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊犚 犲 狊，（）：（本文编辑胡素芳）