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極隙區(qū)緯度Pc1-2波的統(tǒng)計分布特征

2014-03-08 01:25:17邱奕婷劉勇華趙浩峰
極地研究 2014年3期
關(guān)鍵詞:磁層中山站戴維斯

邱奕婷 劉勇華 趙浩峰

(1南京信息工程大學,江蘇 南京210044;2中國極地研究中心,上海200136)

0 引言

相較于中低緯度,在高緯地區(qū)尤其是在極隙區(qū)附近,超低頻(ULF)波,也稱地磁脈動或地磁微脈動,非?;钴S。這些波動事件的發(fā)生往往與當時的磁層活動情況,如極區(qū)磁暴、亞暴、極光、磁層內(nèi)帶電粒子的能量通量變化,以及太陽風特性和太陽活動等一系列相關(guān)現(xiàn)象有密切關(guān)系。研究極區(qū)超低頻波現(xiàn)象可以獲得極區(qū)空間電磁環(huán)境的大量信息,對進一步研究磁層物理和極地空間環(huán)境有重要價值。

超低頻波的一個重要分支是Pc1-2波(0.1—5 Hz)。這是一種電磁離子回旋波,由離子回旋不穩(wěn)定性激發(fā),其頻率接近離子回旋頻率[1-2]。在地面,尤其是在高緯極隙區(qū)觀測到的Pc1-2波具有豐富形態(tài),根據(jù)是否出現(xiàn)重復(fù)的珠型結(jié)構(gòu)可將Pc1-2波分為結(jié)構(gòu)型和非結(jié)構(gòu)型兩種[3-5]。有研究顯示,結(jié)構(gòu)型Pc1-2波常在中低緯出現(xiàn),而非結(jié)構(gòu)型Pc1-2波則主要出現(xiàn)在高緯地區(qū)[3,6-9]。

盡管在地球磁層的閉合磁力線上觀測到許多Pc1-2波,它們由從磁尾向日對流的環(huán)電流或等離子體片離子驅(qū)動,但一些高緯觀測臺站的觀測結(jié)果顯示 Pc1-2波或與極隙區(qū)有關(guān)[4,10-13]。Bolshakova等[14]利用在63°—85°地磁緯度范圍的 6個地面臺站的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,結(jié)果表明當極隙區(qū)的赤道向邊界非常接近觀測點的時候,Pc1-2波的發(fā)生率有最大值。此時的場線是穿過磁鞘和極隙區(qū)的,于是他們推測Pc1-2波在日側(cè)的磁鞘區(qū)域產(chǎn)生。

雖然國外一些學者對Pc1-2波的季節(jié)、磁地方時、頻率和振幅變化已經(jīng)做過相關(guān)研究,如Kuwashima等統(tǒng)計了1977—1979年南極低緯和高緯兩個臺站Memambetsu和Syowa的Pc1波事件,發(fā)現(xiàn)在高緯臺站Pc1波集中發(fā)生在日側(cè),且在磁中午(~13 MLT)向后1 h左右有最大值,它最常被觀測到的時候為春秋季,Syowa站Pc1波的平均頻率峰值在0.3—0.4 Hz左右,但是文中并沒有涉及振幅隨磁地方時和季節(jié)的變化情況。Anderson等對1990年南極點站(South Pole)和麥克默多站 (McMurdo)以及1988年麥克默多站和Sondrestromfjord的磁流體(HM)哨聲(Pc1-2波的一種)數(shù)據(jù)進行了研究,結(jié)果顯示這3個高緯臺站的磁流體哨聲也明顯地發(fā)生在日側(cè)靠近磁中午的時候,不過由于數(shù)據(jù)的不完整或缺失,他們從可用的數(shù)據(jù)中統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)磁流體哨聲發(fā)生率在2、3月份有最大值,同時他們也并沒有研究Pc1-2波的頻率和振幅變化情況[15-16]。

中國南極中山站(69.37°S,76.38°E)的建立為我們研究高緯地區(qū)地磁與高空大氣物理創(chuàng)造了極好的條件,它與澳大利亞南極戴維斯站(68.58°S,77.97°E)的直線距離約120 km,同位于磁層極隙區(qū)緯度,兩站均安裝了相同的感應(yīng)式磁力計,可組成短基線研究空間ULF波,數(shù)據(jù)記錄在磁盤,精度可達1 ms[17]。

目前,國內(nèi)關(guān)于中山站Pc1-2波的傳播特性的相關(guān)研究,尤其是頻率和振幅方面的研究非常少。這里我們利用動態(tài)譜和互譜分析方法,分析南極中山站和戴維斯站觀測的感應(yīng)式磁力計數(shù)據(jù),研究Pc1-2波的特性包括其頻次、振幅和頻率等波參數(shù)的時空變化特征,可以進一步深入了解極隙區(qū)緯度Pc1-2波的傳播特性。

1 數(shù)據(jù)及分析方法

我們選取南極中山站和戴維斯站2004年3、6、9和12月共4個月觀測的感應(yīng)式磁力計數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)分別來自中國第20次南極科學考察隊和澳大利亞南極考察隊)分析Pc1-2波現(xiàn)象。文中數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)化和譜分析。兩站的感應(yīng)式磁力計輸出為二進制文件,包括南北(H)和東西(D)兩個分量,可通過軟件編程將其轉(zhuǎn)換為ASCII碼文件。完成格式轉(zhuǎn)換后,采用256點漢寧窗函數(shù),對數(shù)據(jù)進行動態(tài)譜分析來選擇Pc1-2波事件(圖1),當動態(tài)譜圖中0.1—5 Hz頻帶信號明顯增強且持續(xù)30 min以上時,就初步判斷為有效Pc1-2波事件發(fā)生了,且所選事件為兩站同時發(fā)生的事件。事實上,對比兩站的Pc1-2波事件之后我們發(fā)現(xiàn)Pc1-2波在兩站都能被同時觀測到。然后對相應(yīng)的時間段數(shù)據(jù)進行互譜分析,將頻率設(shè)定在0.1—5 Hz,當最大振幅大于3倍的背景平均振幅值,且最大振幅大于0.01 nT2Hz時,就獲得一個有效的波事件。

圖1 中山站(a)和戴維斯站(b)2004年3月9日10:45—14:45 UT的Pc1-2波動態(tài)譜:H分量(上幀)和D分量(下幀)Fig.1.The dynamic spectrum of Pc1-2 waves during 10:45—14:45 UT,9 March,2004 at Zhongshan Station(a)and Davis Station(b):H component(upper panel)and D component(lower panel)

圖1是2004年3月9日10:45—14:45 UT南極中山站和戴維斯站觀測的Pc1-2波的動態(tài)譜。從圖中可以看出在該事件中波的頻率范圍在0.1—0.35 Hz之間,屬于Pc1-2波,且該事件持續(xù)了近4小時左右。觀察所有波事件的動態(tài)譜(文中以3月9日的波事件為例)可發(fā)現(xiàn)圖中動態(tài)譜并沒有表現(xiàn)出“珠型”結(jié)構(gòu),也印證了在高緯地區(qū)出現(xiàn)的主要為非結(jié)構(gòu)型Pc1-2波。

圖2為以 2004年 3月9日10:45—10:51 UT為例的兩站波事件原始數(shù)據(jù)記錄和相應(yīng)的經(jīng)濾波處理后的波形。從圖中也可看出,兩站的數(shù)據(jù)波形非常相似,濾波后波形周期在4—6 s左右,處在Pc1-2波的頻段范圍(0.2—10 s)。

圖2 中山站(a)和戴維斯站(b)感應(yīng)式磁力計數(shù)據(jù):H分量原始記錄(第1幀,從上到下)、濾波后的H分量(第2幀)、D分量原始記錄(第3幀)和濾波后的D分量(第4幀)Fig.2.The data from the inductionmagnetometer at Zhongshan Station(a)and Davis Station(b):The original data(the first panel)and the filtered data(the second panel)on H component,the original data(the third panel)and the filtered data(the forth panel)on D component

我們選擇互譜振幅最大值對應(yīng)頻率為在兩站傳播的波動的最相關(guān)頻率即中心頻率,對應(yīng)的互譜相位為該頻率波動在兩站之間傳播的相位差[18]。

最后,統(tǒng)計事件的頻率和振幅的季節(jié)變化和磁地方時變化特征,將各天相同時段內(nèi)的波事件的中心頻率和最大互譜振幅求平均值并按磁地方時排列,就得到了在兩站傳播的Pc1-2波的頻率和振幅日變化。將每個月內(nèi)波事件的中心頻率和振幅求平均值并按季節(jié)順序排列則得到了Pc1-2波的頻率和振幅季節(jié)變化。

2 結(jié)果和分析

對南極中山站和戴維斯站2004年3、6、9和12月的感應(yīng)式磁力計數(shù)據(jù)做上述處理后,共篩選獲得2 932個Pc1-2波事件,并獲得Pc1-2波的發(fā)生頻次、中心頻率和振幅的季節(jié)和磁地方時變化特征。

2.1 Pc1-2波頻次的季節(jié)和磁地方時變化

圖3(a)為這4個月的Pc1-2波事件的發(fā)生頻次統(tǒng)計,從圖中明顯可以看出在中山站-戴維斯站地區(qū)Pc1-2波發(fā)生頻次表現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化。其中,在3月和9月觀測的波事件較多,分別觀測到1 506和768個事件,各占51.4%和26.2%;12月次之,為 546個,占 18.6%;6月最少,為 112個,占3.8%。

圖3(b)給出了這4個月的Pc1-2波事件的磁地方時變化統(tǒng)計。在南極中山站和戴維斯站,磁地方時MLT≈UT+2 h。從圖中可以看出,在中山站和戴維斯站,Pc1-2波一般分布在0400—1500 UT這個范圍,且主要分布在午前(0800—1000 UT)靠近磁中午附近,有部分事件分布在晨側(cè) (0400—0700 UT)和午后 (1100—1500 UT)。

2.2 Pc1-2波頻率的季節(jié)和磁地方時變化

圖4為Pc1-2波的平均中心頻率的季節(jié)變化和磁地方時變化分布。從這些結(jié)果可以看出,Pc1-2波在6月(南極冬季)的平均中心頻率最大,且在午后靠近磁中午附近的平均中心頻率比午前的大。

Y1的模型回歸方程為:Y1=-21405.4+2460.99x1+1021.11x2+227.592x3-193.636x12-7.40594x22-0.868309x32-157.577x1x2+5.18425x1x3-3.37819x2x3。

2.3 Pc1-2波振幅的季節(jié)和磁地方時變化

圖5為Pc1-2波的振幅季節(jié)變化和磁地方時變化分布。從這些結(jié)果可以看出,Pc1-2波的平均振幅在6月份最小,在10 MLT(0800 UT)出現(xiàn)最大值。

圖3 2004年P(guān)c1-2波事件發(fā)生頻次的季節(jié)變化(左幀)和磁地方時變化(右?guī)〧ig.3.The variation of the Pc1-2 waves occurrencewith respect to the season(leftpanel)and themagnetic local time(rightpanel)in 2004

圖4 Pc1-2波的平均中心頻率季節(jié)變化(左幀)和磁地方時變化(右?guī)┓植糉ig.4.The season(the left panel)and themagnetic local time(the right panel)variation of the average center frequency of the Pc1-2 waves

圖5 Pc1-2波的振幅季節(jié)變化(左幀)和磁地方時變化(右?guī)┓植糉ig.5.The season(the left panel)and themagnetic local time(the right panel)variation of the amplitude of the Pc1-2 waves

3 討論

我們選取南極中山站和戴維斯站在2004年3、6、9和12月同時觀測的感應(yīng)式磁力計數(shù)據(jù),分別考察極隙區(qū)緯度Pc1-2波在南極秋、冬、春、夏四季的活動特征,獲得了南極中山站-戴維斯站地區(qū)Pc1-2波發(fā)生頻次、波頻率和振幅的季節(jié)和地方時變化。

圖3左幀示出的Pc1-2波的季節(jié)分布特征,有兩個明顯的特點,一是南極冬季(6月)Pc1-2波的發(fā)生率很低,僅為3.8%,二是春秋季發(fā)生率高,分別達51.4%和26.2%,兩者相加達77.6%。這些結(jié)果與Kuwashima等[18]的結(jié)論一致,他們通過地面觀測也得出Pc1-2波事件在高緯地區(qū)春秋季出現(xiàn)頻率較高,認為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能與電離層電導率的變化有關(guān),6月份南極缺少光照,電離程度低,電離層電導率小,不利于Pc1-2波的傳播[15],故Pc1-2波事件在6月份較少。Natsuo Sato等[19]對非結(jié)構(gòu)型Pc1-2波在極光帶地磁共軛臺站的季節(jié)和日變化發(fā)生率特性也進行過研究,結(jié)果顯示在地面臺站觀測到的非結(jié)構(gòu)型Pc1-2波強烈地受到電離層頂日光效應(yīng)的控制。在南北半球,光照可能會引起波從磁層通過電離層向地面?zhèn)鞑サ牟粚ΨQ性,在日光照射的半球,由于電離層電子密度的增加,會產(chǎn)生沿地磁場線的電子密度梯度,且在夏季電子密度梯度增加,從而為Pc1-2波的產(chǎn)生和傳播創(chuàng)造條件。但是,這只能解釋南極冬季比夏季觀測的Pc1-2波少,而不能解釋南極春秋季具有最高的Pc1-2波發(fā)生率,因為一般來說春秋季電離層的電導率會明顯小于夏季。Pc1-2波主要發(fā)生在春秋季,這與地磁擾動在春秋季明顯增加的特點一致,說明Pc1-2波的發(fā)生與磁層磁場擾動程度具有一定的相關(guān)性。一般認為,地磁擾動水平在春秋季增強,是由于地磁偶極軸對黃道面傾斜,磁層磁場與太陽風磁場的夾角隨地球公轉(zhuǎn)而變化,結(jié)果在春秋季節(jié)更加容易觸發(fā)太陽風磁層之間的磁重聯(lián),導致磁層磁場擾動增加,此即所謂Russell-McPherron效應(yīng)[20]。而地磁活動的半年變化與地球磁偶極軸傾角 (dipole tilt angle)有關(guān),Ables等[21-22]對 2008年斯科特站 (Scott Base)和凱西站(Casey)的Pc1-2波數(shù)據(jù)進行了研究,他們的圖1所示結(jié)果也說明了Pc1-2波在春秋季有最大發(fā)生率,且出現(xiàn)的時間在由地球磁偶極軸傾角引起的行星際磁場(IMF)的最大地磁效應(yīng)附近,也就是Russell-McPherron效應(yīng)的表現(xiàn),地球磁偶極軸傾角在春秋季比在冬夏季要小,這再一次說明了日側(cè)磁重聯(lián)對Pc1-2波產(chǎn)生機制的重要性。Feygin和Kerttula等[23-24]對 Pc1-2波的研究中也指出,Pc1波的動態(tài)變化很可能是由與地磁活動的發(fā)展相關(guān)的波動源區(qū)位置的徑向發(fā)展造成的。

另一方面,根據(jù)圖3右?guī)窘Y(jié)果,Pc1-2波發(fā)生率在磁中午附近呈現(xiàn)峰值,這可能是由于在磁中午兩站正處于軟電子沉降區(qū),電離層的電導率大,有利于Pc1-2波的傳播,從而使Pc1-2波在靠近磁中午附近發(fā)生較多[25]。我們注意到,在中山站地區(qū)觀測的Pc1-2波,主要發(fā)生在日側(cè),在夜側(cè)基本消失。這可能與我們選取波事件的要求有關(guān),即波動持續(xù)30 min及以上,從而使得我們獲得的Pc1-2波事件非常典型。這可能排除了夜側(cè)與磁暴、亞暴活動有關(guān)的Pc1-2波事件。這些長時間持續(xù)發(fā)生的Pc1-2波主要發(fā)生在日側(cè),尤其是磁中午附近,表明其源區(qū)在磁中午附近。中山站地處極隙區(qū)緯度,L~14,靠近磁層頂。在白天,由于太陽風的壓縮,外磁層沿磁力線的磁場強度分布已經(jīng)不同于內(nèi)磁層,其極小值已經(jīng)遠離赤道,在南北半球高緯區(qū)域形成了兩個磁場極小值區(qū)域。該結(jié)構(gòu)可以捕獲能量離子,從而形成Pc1-2波的激發(fā)源區(qū)[26],其中心位置就在磁中午附近。同時,日側(cè)磁層容易受到太陽風的壓縮,這會增加被壓縮區(qū)域等離子體的溫度各項異性,從而增加 Pc1-2波發(fā)生的機會[27]。

圖4和圖5顯示,中山站-戴維斯站地區(qū)Pc1-2波的平均頻率在冬季(6月)最大,而其平均振幅在冬季最小,這又是由于受到了電離層電導率的影響。如上所述,這些Pc1-2波起源于磁層尤其是磁中午附近。當它們向下傳播到電離層時,將發(fā)生模式轉(zhuǎn)換并繼續(xù)在電離層峰值電子濃度附近形成的波導中水平傳播[28-29]。受電離層波導結(jié)構(gòu)的影響,Pc1-2波在電離層中傳播時將受到最低截止頻率限制,即波頻率低于一定值時,Pc1-2波不能在電離層中傳播[30]。而且,研究表明,該最低截止頻率與電離層電子濃度成反比[31]。在南極中山站-戴維斯站地區(qū),冬季處于極夜,缺少太陽光照射,電離層電子濃度低,電導率低,因而Pc1-2波的截止頻率高,所以觀測到的Pc1-2波平均頻率高。

Kim等[32]對高緯電離層波導中Pc1-2波的傳播特性進行了統(tǒng)計研究,他們指出Pc1-2波的頻率變化在很大程度上依賴于電離層電導率,且波的能量衰減隨著頻率的增加而增加,因為波的能量衰減跟碰撞頻率有關(guān)。這也就解釋了在冬季Pc1-2波頻率增加(圖 4)而振幅減小(圖 5)。同時,Yahnin等[33]在北半球Sodankyla的地面觀測中也指出Pc1波的頻率在夏季有最小值,這與本文圖4的結(jié)論也是一致的,即在南半球中山站和戴維斯站Pc1-2波的頻率在冬季有最大值。這是因為相對于較低頻率,較高頻率的波其波長變小,從而會更易受到波導的限制,因此波的傳播對波導邊界的尺度更敏感,而波導的物理尺度是受電離層的日照條件影響的。因此,冬季受日照影響小,Pc1-2波傳播的頻率要高于夏季的Pc1-2波頻率。

4 結(jié)論

本文利用南極中山站和戴維斯站的感應(yīng)式磁力計測得的2004年3、6、9、12月的數(shù)據(jù),對極隙區(qū)緯度Pc1-2波事件進行了統(tǒng)計分析,經(jīng)篩選,共得到2 932個事件。主要結(jié)果如下:

(1)在中山站和戴維斯站,Pc1-2波事件出現(xiàn)在3、9月較多,分別有1 506和768個,各占51.4%和26.2%;12月次之,為 546個,占 18.6%;6月最少,為112個,占3.8%;

(2)Pc1-2波主要出現(xiàn)在午前(0800—1000 UT)靠近磁中午附近,有部分事件出現(xiàn)在晨側(cè)和午后;

(3)Pc1-2波在6月(南極冬季)的平均中心頻率最大,且在午后靠近磁中午附近的平均中心頻率比午前的大;

(4)Pc1-2波的平均振幅在6月份最小,在10 MLT(0800 UT)出現(xiàn)最大值。

這些結(jié)果表明,極隙區(qū)緯度的Pc1-2波在很大程度上受極區(qū)季節(jié)變化和電離層電導率的影響。

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