極隙區(qū)緯度Pc1-2波的統(tǒng)計(jì)分布特征

邱奕婷 劉勇華 趙浩峰

（1南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京210044；2中國(guó)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(dòng)或地磁微脈動(dòng)，非?；钴S。這些波動(dòng)事件的發(fā)生往往與當(dāng)時(shí)的磁層活動(dòng)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(yáng)風(fēng)特性和太陽(yáng)活動(dòng)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(duì)進(jìn)一步研究磁層物理和極地空間環(huán)境有重要價(jià)值。

超低頻波的一個(gè)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(cè)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(cè)到許多Pc1-2波，它們由從磁尾向日對(duì)流的環(huán)電流或等離子體片離子驅(qū)動(dòng)，但一些高緯觀測(cè)臺(tái)站的觀測(cè)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(gè)地面臺(tái)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明當(dāng)極隙區(qū)的赤道向邊界非常接近觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)候，Pc1-2波的發(fā)生率有最大值。此時(shí)的場(chǎng)線是穿過(guò)磁鞘和極隙區(qū)的，于是他們推測(cè)Pc1-2波在日側(cè)的磁鞘區(qū)域產(chǎn)生。

雖然國(guó)外一些學(xué)者對(duì)Pc1-2波的季節(jié)、磁地方時(shí)、頻率和振幅變化已經(jīng)做過(guò)相關(guān)研究，如Kuwashima等統(tǒng)計(jì)了1977—1979年南極低緯和高緯兩個(gè)臺(tái)站Memambetsu和Syowa的Pc1波事件，發(fā)現(xiàn)在高緯臺(tái)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(cè)到的時(shí)候?yàn)榇呵锛荆琒yowa站Pc1波的平均頻率峰值在0.3—0.4 Hz左右，但是文中并沒(méi)有涉及振幅隨磁地方時(shí)和季節(jié)的變化情況。Anderson等對(duì)1990年南極點(diǎn)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(jìn)行了研究，結(jié)果顯示這3個(gè)高緯臺(tái)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(shí)候，不過(guò)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(jì)發(fā)現(xiàn)磁流體哨聲發(fā)生率在2、3月份有最大值，同時(shí)他們也并沒(méi)有研究Pc1-2波的頻率和振幅變化情況［15-16］。

中國(guó)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(jì)，可組成短基線研究空間ULF波，數(shù)據(jù)記錄在磁盤(pán)，精度可達(dá)1 ms［17］。

目前，國(guó)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(dòng)態(tài)譜和互譜分析方法，分析南極中山站和戴維斯站觀測(cè)的感應(yīng)式磁力計(jì)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(shí)空變化特征，可以進(jìn)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(gè)月觀測(cè)的感應(yīng)式磁力計(jì)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)分別來(lái)自中國(guó)第20次南極科學(xué)考察隊(duì)和澳大利亞南極考察隊(duì)）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(jì)輸出為二進(jìn)制文件，包括南北（H）和東西（D）兩個(gè)分量，可通過(guò)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(diǎn)漢寧窗函數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)譜分析來(lái)選擇Pc1-2波事件（圖1），當(dāng)動(dòng)態(tài)譜圖中0.1—5 Hz頻帶信號(hào)明顯增強(qiáng)且持續(xù)30 min以上時(shí)，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(shí)發(fā)生的事件。事實(shí)上，對(duì)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(shí)觀測(cè)到。然后對(duì)相應(yīng)的時(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)行互譜分析，將頻率設(shè)定在0.1—5 Hz，當(dāng)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(shí)，就獲得一個(gè)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(dòng)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(cè)的Pc1-2波的動(dòng)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(shí)左右。觀察所有波事件的動(dòng)態(tài)譜（文中以3月9日的波事件為例）可發(fā)現(xiàn)圖中動(dòng)態(tài)譜并沒(méi)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(jì)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(duì)應(yīng)頻率為在兩站傳播的波動(dòng)的最相關(guān)頻率即中心頻率，對(duì)應(yīng)的互譜相位為該頻率波動(dòng)在兩站之間傳播的相位差［18］。

最后，統(tǒng)計(jì)事件的頻率和振幅的季節(jié)變化和磁地方時(shí)變化特征，將各天相同時(shí)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(shí)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(gè)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(duì)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(jì)數(shù)據(jù)做上述處理后，共篩選獲得2 932個(gè)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(shí)變化特征。

2.1 Pc1-2波頻次的季節(jié)和磁地方時(shí)變化

圖3（a）為這4個(gè)月的Pc1-2波事件的發(fā)生頻次統(tǒng)計(jì)，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(cè)的波事件較多，分別觀測(cè)到1 506和768個(gè)事件，各占51.4%和26.2%；12月次之，為 546個(gè)，占 18.6%；6月最少，為 112個(gè)，占3.8%。

圖3（b）給出了這4個(gè)月的Pc1-2波事件的磁地方時(shí)變化統(tǒng)計(jì)。在南極中山站和戴維斯站，磁地方時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)變化

圖5為Pc1-2波的振幅季節(jié)變化和磁地方時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)觀測(cè)的感應(yīng)式磁力計(jì)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(dòng)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(shí)變化。

圖3左幀示出的Pc1-2波的季節(jié)分布特征，有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)，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(dá)51.4%和26.2%，兩者相加達(dá)77.6%。這些結(jié)果與Kuwashima等［18］的結(jié)論一致，他們通過(guò)地面觀測(cè)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(rèn)為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能與電離層電導(dǎo)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(dǎo)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(duì)非結(jié)構(gòu)型Pc1-2波在極光帶地磁共軛臺(tái)站的季節(jié)和日變化發(fā)生率特性也進(jìn)行過(guò)研究，結(jié)果顯示在地面臺(tái)站觀測(cè)到的非結(jié)構(gòu)型Pc1-2波強(qiáng)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(huì)引起波從磁層通過(guò)電離層向地面?zhèn)鞑サ牟粚?duì)稱性，在日光照射的半球，由于電離層電子密度的增加，會(huì)產(chǎn)生沿地磁場(chǎng)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(cè)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?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)春秋季電離層的電導(dǎo)率會(huì)明顯小于夏季。Pc1-2波主要發(fā)生在春秋季，這與地磁擾動(dòng)在春秋季明顯增加的特點(diǎn)一致，說(shuō)明Pc1-2波的發(fā)生與磁層磁場(chǎng)擾動(dòng)程度具有一定的相關(guān)性。一般認(rèn)為，地磁擾動(dòng)水平在春秋季增強(qiáng)，是由于地磁偶極軸對(duì)黃道面傾斜，磁層磁場(chǎng)與太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)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(yáng)風(fēng)磁層之間的磁重聯(lián)，導(dǎo)致磁層磁場(chǎng)擾動(dòng)增加，此即所謂Russell-McPherron效應(yīng)［20］。而地磁活動(dòng)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(duì) 2008年斯科特站 （Scott Base）和凱西站（Casey）的Pc1-2波數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，他們的圖1所示結(jié)果也說(shuō)明了Pc1-2波在春秋季有最大發(fā)生率，且出現(xiàn)的時(shí)間在由地球磁偶極軸傾角引起的行星際磁場(chǎng)（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(shuō)明了日側(cè)磁重聯(lián)對(duì)Pc1-2波產(chǎn)生機(jī)制的重要性。Feygin和Kerttula等［23-24］對(duì) Pc1-2波的研究中也指出，Pc1波的動(dòng)態(tài)變化很可能是由與地磁活動(dòng)的發(fā)展相關(guān)的波動(dòng)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(dǎo)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(cè)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(dòng)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(dòng)有關(guān)的Pc1-2波事件。這些長(zhǎng)時(shí)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(yáng)風(fēng)的壓縮，外磁層沿磁力線的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布已經(jīng)不同于內(nèi)磁層，其極小值已經(jīng)遠(yuǎn)離赤道，在南北半球高緯區(qū)域形成了兩個(gè)磁場(chǎng)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(shí)，日側(cè)磁層容易受到太陽(yáng)風(fēng)的壓縮，這會(huì)增加被壓縮區(qū)域等離子體的溫度各項(xiàng)異性，從而增加 Pc1-2波發(fā)生的機(jī)會(huì)［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(dǎo)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(dāng)它們向下傳播到電離層時(shí)，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(dǎo)中水平傳播［28-29］。受電離層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的影響，Pc1-2波在電離層中傳播時(shí)將受到最低截止頻率限制，即波頻率低于一定值時(shí)，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(yáng)光照射，電離層電子濃度低，電導(dǎo)率低，因而Pc1-2波的截止頻率高，所以觀測(cè)到的Pc1-2波平均頻率高。

Kim等［32］對(duì)高緯電離層波導(dǎo)中Pc1-2波的傳播特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)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(dǎo)率，且波的能量衰減隨著頻率的增加而增加，因?yàn)椴ǖ哪芰克p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(shí)，Yahnin等［33］在北半球Sodankyla的地面觀測(cè)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?yàn)橄鄬?duì)于較低頻率，較高頻率的波其波長(zhǎng)變小，從而會(huì)更易受到波導(dǎo)的限制，因此波的傳播對(duì)波導(dǎo)邊界的尺度更敏感，而波導(dǎo)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(jì)測(cè)得的2004年3、6、9、12月的數(shù)據(jù)，對(duì)極隙區(qū)緯度Pc1-2波事件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，經(jīng)篩選，共得到2 932個(gè)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(gè)，各占51.4%和26.2%；12月次之，為 546個(gè)，占 18.6%；6月最少，為112個(gè)，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(dǎo)率的影響。

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