地磁脉动pc5在2000年7月15-16日磁暴期间的特征.doc

地磁脉动pc5在2000年7月15_16日磁暴期间的特征
摘　要　采用IMAGE链22个台站的地磁脉动10 s数据,分析了2000年6月15~16日磁暴期间Pc5地磁脉动的频率、振幅、位相和极化特征:(1)磁暴初相和主相期间Pc5脉动的主频率随纬度的升高而降低,但是恢复相期间主频率随纬度的升高而升高,主相期间Pc5的主频率比初相和恢复相期间的低;(2)Pc5脉动初相期间的振幅有一个主峰在64°N附近,主相期间在66°N附近,恢复相期间在71°N附近;位相在主峰两侧随着纬度变化了大约180°,从初相到恢复相主峰位置向高纬地区大约移动了7°;(3)Pc5地磁脉动的偏振极化椭圆初相期间在PEL站(63·46°N)接近线偏振,主相期间在MAS站(66·07°N)接近线偏振,恢复相期间在BJN站(71·33°N)接近线偏振,并分别在这几个台站两侧的偏振椭圆的旋转方向反向.
关键词　磁暴　地磁脉动Pc5　IMAGE
链文章编号　0001-5733(2003)03-0322-06　　
中图分类号　P318　　
收稿日期　2002-01-23,2002-11-03
　　1　引　言当人们观测到地球空间的地磁脉动,就意识到了它的重要性,现在地磁脉动已成为了解太阳风和磁层能量输运过程的重要手段之一,而且也是研究磁层-电离层耦合过程的基本手段,对地磁脉动的理解有助于认识磁层的动态特征.虽然国内外学者对地磁脉动做了大量工作,但是仍有很多问题有待研究,例如, (1)在地磁高纬地区(极隙和极盖区)的基金项目　中国科学院青年创新基金(10132170).
　　作者简介　杜爱民,男,1970年生,1993年毕业于河北大学物理系,中国科学院地质与地球物理研究所在读博士研究生.主要从事地磁脉动的研究地磁脉动的特征;(2)地磁脉动在地磁高纬和低纬之间的耦合;(3)局域的磁流体动力学(MHD)波在磁层等离子体区的传播及其非线性效应等.高纬地区(极隙和极盖区)的ULF(Ultra Low Frequency)波的研究非常有益于人们理解能量从日侧及磁尾磁鞘传输进入磁层和电离层的过程,而且有助于理解波传输的动力学过程,例如通量传输事件或日侧极光瞬态事件,波能量通过地球电离层波导管输运能量问题,高纬和低纬之间的耦合需要进一步的研究.
　　Pc5(频率f≈2~6 mHz)地磁脉动的特征得到了广泛的研究.场线共振可以被相对广泛的源激发,如Kelvin-Helmoltz不稳定性、瞬态日侧重联和太阳风的动压节跃变化等[1].高纬地区Pc5脉动与由磁层顶上的Kelvin-Helmholtz不稳定性所激发的磁层顶表面波有关,这种波渗透到磁层边界区内侧与高纬闭合磁力线振荡相耦合,并沿磁力线传播到高纬地区[2].不稳定的波总是随着磁鞘流(即磁尾)传播.
　　在磁层两侧的驻点是一个自然点,穿过这个点,环型Pc5的特征将改变.穿过正午的偏振变化是由于改变传播方向的结果.
　　Kelvin-Helmholtz不稳定波与场线共振有关.这些不稳定波是快模表面波,能量可以穿过磁力线到共振点,根据线性耦合模式,在共振点产生环型振荡.
　　按照场线共振理论,压缩表面波与磁力线耦合产生Alfven模式振荡. Green[3]指出ULF波上午向西传播,下午向东传播 5 (ULF)在L=8RE(L为地球磁力线与赤道平面的交点到地心的距离,RE为地球半径)区域,压缩(沿磁场)波动经常伴随着径向波动,而且在1.6~3.3 mHz的频率范围内振幅很大.这种脉动与外辐射带的等离子体云有着非常密切的关系[4].
　　漂移反弹共振机制也可能是Pc5地磁脉动激发的机制,在环电流内边缘的O+和H+共振是一种可能的激发情形[5]. O+和H+共振的频率直接影响Pc5的频率.通过分析地磁脉动Pc5在磁暴期间的频率变化,有可能反映环电流中离子的变化,对进一步研究Pc5的激发机制有一定帮助.本文对磁暴期间Pc5脉动的纬度效应进行尝试性的研究.
　　2　数据分析选择了IMAGE台链22个台站,采样率为10 s的地磁脉动数据,IMAGE纬度链记录的地磁三分量X,Y,Z(地理坐标)转换成地磁坐标H、D、Z[6].对于IMAGE台链磁地方时MLT≈UT+3h. IMAGE台链的地理坐标和地磁坐标示于表1中,φ为地磁纬度,λ为地磁经度.
　　表1　IMAGE链台站列表Tabel 1　The list of geomagnetic coordinates for chain stations台站代码台站名地理纬度/(°)地理经度/(°)φ/(°)λ/(°)NAL Ny Alesund 78.92 11.95 76.07 112.25LYR Longyearbyen 78.20 15.82 75.12 113.00HOR Horsund 77.00 15.60 74.02 110.48HOP Hopen Island 76.51 25.01 72.93 115.91BJN Bear Island 74.50 19.20 71.33 108.73TRO Tromso 69.66 18.94 66.54 103.44AND Andenes 69.30 16.03 66.36 100.92KEV Kevo 69.76 27.01 66.21 109.73MAS Masi 69.46 23.70 66.07 106.92KIL Kilpisjarvi 69.02 20.79 65.78 104.31LEK Leknes 68.13 13.54 65.40 97.84ABK Abisko 68.35 18.82 65.21 102.27KIR Kiruna 67.84 20.42 64.60 103.14LOZ Lovozero 67.97 35.08 64.10 114.89SOD Sodankyla 67.37 26.63 63.82 107.71PEL Pello 66.90 24.08 63.46 105.38RVK Rorvik 64.94 10.98 62.26 93.81LYC Lycksele 64.61 18.75 61.36 99.73DOB Dombas 62.07 9.11 59.33 90.47HAN Hankasalmi 62.30 26.65 58.62 104.99NUR Nurmijarvi 60.50 24.65 56.81 102.54UPS Uppsala 59.90 17.35 56.45 96.223233期　　　　　　　　　　杜爱民等:地磁脉动Pc5在2000年7月15~16日磁暴期间的特征　　Pc5脉动是连续型脉动,周期在150~600s之间,其波形呈现准正弦波形态.首先,从磁暴期间地磁脉动记录中选出Pc5脉动事件,并且符合如下条件:(1)周期在150~600s之间的连续型脉动;(2)持续时间20 min以上,振幅不低于3 nT; (3)波形呈明显的准正弦波形.
　　图1　IMAGE链各台站2000年7月15日09:00 UT~16日09:00 UT在Pc5频率段(1.7~6.5 mHz)滤波后的地磁X分量(a)及Dst指数和北京十三陵台站HBMT分量(b)Fig.1　Variations of theXcomponent of geomagnetic pulsationsat stations in IMAGE chain on July 15~16 in 2000. (a) in thefrequency band 1.7~6.5mHz; (b)Dstindex and BMT (Bei-jing Ming Tomb Station)Hcomponent对Pc5脉动在1~6 mHz频率段进行数字滤波,然后对滤波后的脉动事件进行FFT谱分析.确定功率谱的主峰,将主峰对应的频率选择为主频率.图1a是滤波后22个台站Pc5频段的地磁脉动波形图(横坐标为世界时tUT,纵坐标为各台站地磁X分量,振幅为200nT),存在3段地磁脉动比较密集区:
　　15日14:40~23:50UT、16日3:00~6:00UT和7:00~8:00 UT.因为磁暴主要发生在下午,即在磁层的侧翼,磁层顶的波导谐波传输能量到深部磁层内场线共振区[7].而且根据波导模型[8],波导模数可以被注入的能量放大.所以Pc5非常明显.图1b中画出了Dst变化曲线,HBMT为北京十三陵台站的H分量,从图1b可 UT左右主相开始,此时Dst指数急剧下降,于22:00 UT达到-300nT的最低点,整个主相过程仅持续了2 h.随后Dst指数逐渐增大,磁暴进入恢复相.
　　图2　初相(a)、主相(b)和恢复相(c)期间Pc5脉动主频率随纬度的变化Fig.2　The variations of the main frequencies for Pc5 pulsationswith latitude during initial (a), main (b) and recovery(c) phase3　分析与讨论通过计算磁暴三个阶段Pc5功率谱尖峰对应的主频,得出初相、主相和恢复相期间Pc5脉动主频率随纬度的变化(见图2).可以看出,在初相和主相期间Pc5的主频率随着纬度的升高而降低.初相期间主频率最大值3·84mHz在PEL台站(63·46°),最小值2·78mHz在UPS台站(56·45°). Pc5脉动的主频率从高纬到低纬大约下降了1·1mHz.在主相期间,Pc5脉动的最大值3·16mHz在LOZ台站(64·1°),最小值2·14mHz在NUR台站(56·81°). Pc5脉动的主频率从高纬到低纬大约下降了1·0 mHz.
　　324地球物理学报(Chinese J. Geophys.)　　　　　　　　　　　　　　　46卷按照环行模型,在极光纬度,磁力线的振荡频率是磁力线壳半径的函数,随着纬度的增加,它的频率降低[9].因为纬度高的台站的Pc5的周期长,纬度低的周期短,所以ULF波由磁层顶向地面传输时,会形成一个波阵面,先到达纬度低的台站,后到达纬度高的台站(如图3).
　　图3　Pc5地磁脉动X分量在初相阶段的波阵面Fig.3　Wavefront ofXcomponents of Pc5 pulsationsduring the initial phase1954年Dungey给出了磁流体扰动遵守的耦合微分方程.结合Maxwell方程和流体动力学方程,采用球极坐标(R,θ,φ),有4πρ 2 t2-1(Rsinθ)2(B0·Δ)(Rsinθ)2(B0·Δ)+B20 2 φ2VφRsinθ=1(Rsinθ)3BRR θ-B0 RRsinθ Eφ φ, (1)4πρB202t2- 2 R2-R-2sinθ θ(sinθ)-1 θ(RsinθEφ)=sinθBR θ-BθR R(Rsinθ)-1 Vφ φ, (2)式中B0为偶极子场,Eφ为电场的水平分量,Vφ为等离子体粒子速度的水平分量,ρ为等离子体密度,Bθ为在经度方向的磁场分量,Bφ为磁场水平分量,BR为磁场径向分量.
　　这些耦合方程还没有解出来.不过,通过寻找最简单的理想解,可以有本征周期的初步估计.设磁流体波随着eilφ变化,有下面两种情况:(1)轴对称型, / φ=0,l=0,导致方程(1)和(2)解耦合.方程(1)简化描述一个在完全磁壳中的横模或Alfven模,呈现环行振荡,这种模式叫做环行模.等离子体的运动和磁壳的扭曲(假设场线固定在电离层中)产生脉动.如果等离子体的密度随地心距的6次方变化,那么Alfven波速在一个特定的场线上的各个点的速度都一样.波印廷矢量E×b指向偶极子场B0,磁流体波导和磁壳的周期随着纬度变化. (2)轴对称极型, / φ=0,l=0,方程(2)简化,并且描述一个快波模,这个快波模对应着整个磁层(或等离子体层)的交替压缩和膨胀.因此,等离子体和地磁场线在子午面上,电场E为东西方向,并且波的磁场中有BR和Bθ分量在子午面上.在地球表面上,Bθ对应着H分量(南北的水平分量).对于第一谐波,极型模有一个磁场分量指向主场线,它的本征周期近似的是快模磁流体.极型模的波的波印廷矢量穿过场线,磁流体能量扩散填充到这个体积,而不像环行模沿着场线被有选择的疏导.因此,在这种情况下整个空腔共振,相同的周期可以在空腔的各个点观测到,也就没有了纬度效应.
　　与初相和主相的结果相反,在恢复相期间Pc5的主频率随着纬度的升高而降低. Pc5脉动的最大值3.90 mHz在UPS台站(56.45°),最小值2.64 mHz在LEK台站(65.40°). Pc5脉动的主频率从低纬到高纬大约增加了1.3 mHz.有可能是因为恢复相期间极型振荡为主所导致.另外,由于等离子体密度的变化, mHz附近,主相降至2.52 mHz附近,恢复相的平均频率在3.29 mHz附近.主相期间的Pc5脉动的主频率比初相期间和恢复相期间的都低,可能还与中低纬度电离层大尺度电流体系空间结构稳定性的特征有关[10]. Pc5的谐波频率与行星际磁场B成正比.在初相时磁层被太阳风压缩,磁层的压缩可以导致脉动频率的增加[11].在主相期间,重离子所占比例增大,使Pc5的传播速度和频率降低.到恢复相阶段,重离子逐步消失,Pc5的频率回升.磁暴急始和初相是太阳风动压的突然增加引起磁层压缩的物理过程反映在地球表面磁场上的现象.磁暴主相主要是由环电流形成和发展造成的.
　　平静时环电流以质子为主,随着地磁活动增强,O+所占比例增大,在大磁暴期间以O+为主.环电流的O+主要来自高纬电离层.环电流中的质子源还不太清楚,估计平静时外环电流(L=5~7)中的35%和内环电流(L=3~5)中的75%来自电离层,而磁暴时外环电流中的30%和内环电流中的65%来自电离层[12].磁暴恢复相主要是由环电流的衰减形成3253期　　　　　　　　　　杜爱民等:地磁脉动Pc5在2000年7月15~16日磁暴期间的特征的.环电流的衰减主要由环电流中的H+、O+等各种离子与外大气层中性粒子的电荷交换、这些离子与热等离子体的Coulomb碰撞以及波-粒相互作用.
　　对能量高达几百keV的单个带电粒子(如H+、O+)来说,电荷交换中失去电荷的过程是最重要的.
　　图4给出了Pc5脉动功率W和位相Θ随地磁纬度φ的变化.初相期间Pc5脉动的振幅在64°附近有一个很窄的主峰.位相随着纬度变化了大约180°,有可能发生共振[13].这些是一个场线共振(FLR)脉动的明显特征.主相期间Pc5脉动的功率在66°附近有一个主峰,位相随着纬度变化了大约180°,有可能有波导管事件发生.恢复相期间Pc5脉动的功率在71°附近有一个主峰.位相随着纬度变化了大约180°.从图3中也可以看出从初相到恢复相主峰位置向高纬地区大约移动了7°.这有可能是场线共振点向高纬移动,而且频散越来越大.在磁暴期间的不同阶段磁层的位置不同. Pc5的频率也与磁地方时有关,但这还需要进一步探讨.
　　图4　Pc5脉动X分量的功率和位相随地磁纬度的变化Fig.4　The variations of powers and phases forXcomponentsof Pc5 with the geomagnetic latitude不稳定的波总是随着磁鞘流(即磁尾)传播,在磁地方时附近的驻点是一个自然点,穿过这个点,环型Pc5的特征将改变.穿过正午的偏振变化是由于改变传播方向的结果.能量可以穿过磁力线到共振点,在共振点产生环型振荡.
　　图5给出了磁暴初相、主相和恢复相期间NAL、HOR、BJN、MAS、PEL、HAN和NUR七个台站的Pc5脉动的极化方向、椭圆率和旋转方向.磁暴初相期间,在PEL站(63·46°),偏振椭圆接近线偏振;在纬度低于PEL站的台站,偏振椭圆极化旋转方向为左旋;在纬度高于PEL站的台站极化旋转方向为右旋,在PEL台站两侧的极化方向正好反向,说明这个台站接近场线共振点.主相期间,在MAS站(66·07°)接近线偏振,纬度低于MAS台站时,偏振椭圆极化旋转方向为左旋,纬度高于MAS台站时极化旋转方向为右旋,在MAS台站两侧正好反向,说明共振点可能在66°附近.恢复相期间,在BJN站(71·33°)接近线偏振,纬度低于BJN台站极化旋转方向为左旋,纬度高于BJN的台站极化旋转方向为右旋,在BJN台站两侧正好反向,共振点可能在71°附近.从图5中也可看出共振点向高纬移动.以上特征从侧面证明了磁层中存在MHD波导的模式.
　　图5　IMAGE台站2000年7月15日磁暴初相(a)、主相(b)和恢复相(c)期间的极化图实心椭圆代表右旋,空心为左旋Fig.5　Snapshot of Pc5 polarization at seven stations at initial,main and recovery phase4　结　论ULF波的激发机制可以归结为四类:(1)磁层的边界层的等离子体不稳定性;(2)内磁层等离子体分布的不稳定性;(3)波产生于磁层外后传入磁层;(4)磁层结构的巨大变化.
　　Kelvin-Helmholtz不稳定性在磁层顶激发面波是一种激发机制,并且许多观测支持这种与太阳风有关的激发机制. (1)波的东西方向位相差分析说明波的位相在晨昏两侧都是向磁尾传播;(2)ULF脉动倾向于在磁层两翼发生,尤其是上午一侧;(3)ULF326地球物理学报(Chinese J. Geophys.)　　　　　　　　　　　　　　　46卷脉动活动明显受到太阳风流速的调制;(4)ULF波偏振特征也受到太阳风的控制.
　　2000年6月15~16日磁暴期间Pc5脉动初相期间的振幅有一个主峰,并且极化椭圆接近线偏振,在线偏振台站两侧的
　　这说明此磁暴期间Pc5地磁脉动可能是由Kelvin-Helmholtz不稳定性激发的.磁暴初相和主相期间Pc5脉动的主频随纬度的升高而降低,但是恢复相期间主频随纬度的升高而升高.而且,主相期间Pc5的主频比初相和恢复相的低.这些信息显示磁力线的共振模式为环型震荡. Pc5的共振点在初相、主相和恢复相期间分别在64°、66°、71°附近,从初相到恢复相主峰位置向高纬地区移动,大约移动了7°,说明在磁暴的不同阶段,共振点也在发生变化.
　　在磁暴的不同阶段,地磁脉动的振幅、位相和频率的变化可以揭示磁层的变化,而且有利于理解环电流中离子的变化.