北極黃河站上空低熱層中性風(fēng)場(chǎng)對(duì)行星際激波的響應(yīng)

陳瑤 張燕革 艾勇 劉玨 熊波 張國(guó)華

（武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢430072）

0 引言

日地物理學(xué)的研究中，由太陽(yáng)耀斑產(chǎn)生的行星際激波在某種程度上來(lái)說(shuō)，可以算是最為極端的太陽(yáng)活動(dòng)表現(xiàn)，普遍認(rèn)為，太陽(yáng)耀斑中的大部分能量由行星際激波分散到太陽(yáng)風(fēng)和其行進(jìn)路徑里的天體中［1］。因而行星際激波作為日地空間環(huán)境中傳輸能量的重要載體，也一直受到廣泛關(guān)注。行星際激波與熱層的相互作用可以對(duì)熱層的空間環(huán)境產(chǎn)生劇烈影響，各高度的熱層中性大氣對(duì)行星際磁場(chǎng)的變化也有著不同時(shí)間尺度以及運(yùn)動(dòng)方式的響應(yīng)［2］。高層大氣不僅影響生活環(huán)境和地球氣候，同時(shí)也成為航空航天等活動(dòng)必須考慮的環(huán)境因素，因此在最近數(shù)十年間越來(lái)越多的科研人員開(kāi)始關(guān)注研究高層大氣。高層大氣，包括中間層、低熱層，作為外層空間和地球大氣交互的重要樞紐，是目前空間天氣觀測(cè)的主要對(duì)象。熱層大氣中，中性風(fēng)場(chǎng)是研究區(qū)域動(dòng)力學(xué)的重要手段之一，1993年Sastri等［3］就曾經(jīng)利用經(jīng)向中性風(fēng)對(duì)地磁暴的響應(yīng)展開(kāi)了相應(yīng)研究。因此準(zhǔn)確獲取中性風(fēng)場(chǎng)的幅值及方向?qū)τ诟玫乩斫夂脱芯繜釋觿?dòng)力學(xué)有著重要意義。但目前關(guān)于行星際擾動(dòng)和低熱層中性大氣風(fēng)場(chǎng)之間的討論分析仍然尚不多見(jiàn)，國(guó)內(nèi)相關(guān)分析就更加少見(jiàn)。本文著重討論了2011年11月28日晚行星際擾動(dòng)對(duì)于風(fēng)場(chǎng)行為的影響，對(duì)于OI 557.7 nm輻射的高度約為97 km［4］的風(fēng)場(chǎng)行為產(chǎn)生變化的原因進(jìn)行了初步分析。

Rees和Greenaway［5］在1983年提出多普勒成像系統(tǒng)（Doppler Imaging System，DIS），即為全天空法布里-珀羅干涉儀（all-sky Fabry-Perot Interferometer，all-sky FPI）的原型。國(guó)內(nèi)對(duì)于熱層中性大氣的研究起步較晚，1998年，Ai等［6］在國(guó)內(nèi)首次介紹了利用法布里-珀羅干涉儀（Fabry-Perot Interferometer，F(xiàn)PI）進(jìn)行氣輝觀測(cè)，提出在低熱層和中間層通過(guò)測(cè)量多普勒頻移和氣輝輻射展寬對(duì)垂直風(fēng)和二維大氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，并且介紹了掃描式和全空式兩種不同類(lèi)型FPI。2006年，Zhao等［7］利用名古屋大學(xué)Shiokowa博士提供的氣輝輻射干涉圖首次在國(guó)內(nèi)進(jìn)行獨(dú)立研究，提出并驗(yàn)證了風(fēng)速反演方法，風(fēng)速計(jì)算和誤差均與Shiokowa博士的結(jié)果取得了較好一致性。2008—2010年間，國(guó)內(nèi)風(fēng)速數(shù)據(jù)處理方法日趨完善［8-9］，中科院空間研究中心也成功安裝了一臺(tái)三通道掃描式FPI（Scanning Fabry-Perot，SFPI）觀測(cè)設(shè)備，利用FPI設(shè)備與流星雷達(dá)同時(shí)對(duì)中間層進(jìn)行對(duì)比測(cè)風(fēng)，發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)較為吻合，驗(yàn)證了FPI設(shè)備風(fēng)速測(cè)量的準(zhǔn)確性［10-11］。為了更進(jìn)一步檢驗(yàn)FPI設(shè)備風(fēng)速測(cè)量的可靠性，中科院空間研究中心的Yuan等人［12］將FPI設(shè)備獲取的OH 892.0 nm、OI 557.7 nm以及OI 630.0 nm輻射高度的風(fēng)速數(shù)據(jù)與水平風(fēng)模型2007（HWM07）進(jìn)行了全面的比較，發(fā)現(xiàn)觀測(cè)結(jié)果在OH 892.0 nm和OI 557.7 nm的高度上與HWM07模式較為一致，但是在OI630.0 nm的高度上與模式結(jié)果差別較大，這些對(duì)比分析不僅驗(yàn)證了FPI設(shè)備風(fēng)速測(cè)量的準(zhǔn)確性，還為HWM07模式的改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。武漢大學(xué)參加2010年中國(guó)北極科學(xué)考察任務(wù)并將自主研發(fā)的all-sky FPI安裝在位于挪威斯瓦巴特群島的北極黃河站（78.92°N，11.93°E），同年開(kāi)始了對(duì)極區(qū)熱層風(fēng)場(chǎng)的正式觀測(cè)。針對(duì)2011年11月28日的行星際擾動(dòng)事件，將平靜期2011年11月26日以及12月1日中的同時(shí)段水平風(fēng)與擾動(dòng)期水平風(fēng)進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)擾動(dòng)期全天空視線風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了研究，并結(jié)合行星際數(shù)據(jù)分析擾動(dòng)期風(fēng)場(chǎng)變化的可能原因。

1 all-sky FPI設(shè)備與數(shù)據(jù)處理

1.1 all-sky FPI的硬件構(gòu)成

all-sky FPI探測(cè)設(shè)備由光學(xué)接收部分、濾波部分、干涉部分、圖像采集部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分五個(gè)主要部分組成。光學(xué)接收部分包括一個(gè)超高通光率的DOME罩和一個(gè)擁有180°廣角視場(chǎng)的魚(yú)眼鏡頭。濾波部分包括可選擇性的557.7和630.0 nm兩個(gè)波段的濾波片，根據(jù)實(shí)際觀測(cè)需要酌情選取。干涉部分為法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，此處使用的是高于90%涂層反射率的固體標(biāo)準(zhǔn)具。圖像采集部分采用的是ANDOR公司生產(chǎn)的iKon-M型科學(xué)級(jí)半導(dǎo)體制冷CCD，像素為1024×1024。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分是首先通過(guò)放置在北極黃河站的計(jì)算機(jī)完成對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的初步存儲(chǔ)，然后通過(guò)遠(yuǎn)程文件傳輸將數(shù)據(jù)從北極黃河站傳回本地計(jì)算機(jī)，以便完成進(jìn)一步的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。

1.2 all-sky FPI觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理

all-sky FPI探測(cè)并獲得的原始數(shù)據(jù)是一系列干涉圓環(huán)圖像。干涉圓環(huán)包含著諸多重要信息，例如各級(jí)圓環(huán)的大小、圓環(huán)的中心位置、圓環(huán)的可用干涉級(jí)次、圖像的明暗度，有時(shí)也可從干涉圖中觀測(cè)到極光。因?yàn)橹饕康氖谦@取風(fēng)場(chǎng)行為，所以這里考慮的重點(diǎn)就在于各級(jí)干涉圓環(huán)圓心以及大小的確定。確定圓心及大小的目的是為了獲取各級(jí)干涉圓環(huán)的半徑，由此根據(jù)各級(jí)干涉環(huán)半徑的變化量即可對(duì)多普勒頻移和氣輝輻射展寬進(jìn)行測(cè)量，從而獲取探測(cè)區(qū)域中性大氣的運(yùn)動(dòng)速度。

通過(guò)分析all-sky FPI獲得的干涉環(huán)半徑變化來(lái)得到多普勒頻移和氣輝輻射展寬信息并來(lái)反演風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，多普勒頻移的大小可以求出氣輝在觀測(cè)方向的運(yùn)動(dòng)速度，稱(chēng)之為視線風(fēng)速。而這里的多普勒頻移是相對(duì)于零風(fēng)速干涉圖，目前獲得零風(fēng)速干涉圖的方法主要有兩種［13-15］：（1）利用校準(zhǔn)激光的干涉圖。將校準(zhǔn)激光的干涉圖中心定為零風(fēng)速干涉條紋中心，零風(fēng)速干涉條紋半徑即可由校準(zhǔn)激光干涉半徑換算得到，繼而模擬出零風(fēng)速干涉圖；（2）利用多云天氣時(shí)的氣輝輻射干涉圖。多云天氣下，氣輝輻射被云層散射，散射出現(xiàn)的平均效果將消除多普勒頻移，此時(shí)獲得的干涉圖可被視為零風(fēng)速干涉圖。兩種方法相互配合可以大大減少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差，提高數(shù)據(jù)精度。

對(duì)于All-sky FPI獲得的某一幅干涉圖，分析第m級(jí)干涉條紋，有

式中，r0為零風(fēng)速干涉圖中的m級(jí)干涉條紋半徑，λ0為無(wú)多普勒頻移時(shí)的輻射波長(zhǎng)，θ為入射光的入射角，μ為法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具間填充物的折射率，d為標(biāo)準(zhǔn)具間距，f為聚焦透鏡焦距。

由式（1）和（2）推出觀測(cè)方向的視線風(fēng)速

因此，只要獲得一幅零風(fēng)速干涉圖和一幅非零風(fēng)速干涉圖，從中提取出被測(cè)點(diǎn)所在級(jí)次干涉環(huán)的半徑，就可以根據(jù)式（3）計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)在視線方向的風(fēng)速，更進(jìn)一步，如果忽略垂直風(fēng)的存在，且水平風(fēng)場(chǎng)平緩變化，則可由視線風(fēng)速反演出水平風(fēng)場(chǎng)的二維分布。

2 事例分析

2.1 行星際擾動(dòng)下的經(jīng)緯中性風(fēng)特性

美國(guó)國(guó)家航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）通過(guò)ACE衛(wèi)星提供了充足的太陽(yáng)活動(dòng)數(shù)據(jù)，圖1是2011年11月28日20：00—23：30 UT期間ACE衛(wèi)星觀測(cè)到的IMF和等離子體參數(shù)以及太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)，自上而下依次是行星際磁場(chǎng)總強(qiáng)度B、Bz分量、太陽(yáng)風(fēng)速度Vx、質(zhì)子數(shù)密度Np及太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓Pdyn。21：51 UT，ACE衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到與日冕物質(zhì)的拋射有關(guān)的行星際激波到達(dá)地球，太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓的強(qiáng)烈波動(dòng)并且隨之增大就是行星際激波的到來(lái)帶來(lái)的變化。激波到達(dá)之前IMF的BZ分量有短時(shí)間、較小幅度的南向分量。激波到達(dá)時(shí)，IMFBZ分量出現(xiàn)強(qiáng)烈南向振蕩，進(jìn)而逐漸變得更加南向。行星際磁場(chǎng)總強(qiáng)度B增加，直至22：12 UT開(kāi)始維持在～15 nT。與此同時(shí)，太陽(yáng)風(fēng)速Vx從約350 km·s－1增大至約550 km·s－1、質(zhì)子數(shù)密度Np從約3 cm－3增加至約10 cm－3、太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓Pdyn的幅值從約1 nPa增大至約5 nPa，此后又繼續(xù)躍遷至7 nPa左右，太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓的增加對(duì)電離層產(chǎn)生直接的影響［16］。圖中豎直虛線示出激波到達(dá)時(shí)刻。

圖1 自上而下依次是2011年11月28日ACE衛(wèi)星觀測(cè)的（a）行星際磁場(chǎng)總強(qiáng)度B；（b）Bz分量；（c）太陽(yáng)風(fēng)速度Vx；（d）質(zhì)子數(shù)密度Np；（e）太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓PdynFig.1.Data Observed by ACE satellite on November 28，2011.From top to bottom：（a）Total strength of the interplanetarymagnetic field B；（b）Bz component；（c）Solar wind speed Vx；（d）Proton density Np；（e）Solar wind dynamic pressure Pdyn

圖2給出的是2011年11月28日ACE衛(wèi)星觀測(cè)的極光電急流指數(shù)、對(duì)稱(chēng)環(huán)電流指數(shù)以及黃河站磁通門(mén)磁力計(jì)測(cè)量的地磁場(chǎng)分量。從圖2可以看出21：51 UT東向電集流AU和西向電集流AL的幅值均開(kāi)始出現(xiàn)擾動(dòng)，總體呈增大趨勢(shì)，AE的幅值也在跳變中升高，最大處接近500 nT。22：12 UT磁力計(jì)顯示地面磁場(chǎng)水平分量Bx顯著下降，幅值接近200 nT，地磁活動(dòng)開(kāi)始出現(xiàn)劇烈變化。激波到達(dá)ACE衛(wèi)星及地球磁層頂?shù)臅r(shí)間是不同的，根據(jù)北極黃河站磁通門(mén)磁力計(jì)的地磁場(chǎng)記錄確定，該激波引起磁暴的時(shí)間確定為22：12 UT。

圖2 自上而下依次是ACE衛(wèi)星于2011年11月28日觀測(cè)的（a）極光電急流指數(shù)AE；（b）極光電急流指數(shù)AL；（c）極光電急流指數(shù)AU；（d）對(duì)稱(chēng)環(huán)電流指數(shù)SYMH，黃河站磁通門(mén)磁力計(jì)測(cè)量的；（e）地磁場(chǎng)Bx分量；（f）地磁場(chǎng)By分量；（g）地磁場(chǎng)Bz分量Fig.2.Data observed by ACE satellite on November 28，2011.From top to bottom：（a）Auroral electrojet AE index；（b）AL index；（c）AU index；（d）SYM-H index，Data observed by fluxgatemagnetometer；（e）Geomagnetic Bx component；（f）Geomagnetic By component；（g）Geomagnetic Bz component

圖3中從左至右依次是all-sky FPI于UT時(shí)間2011年11月26、28日，12月1日獲得的OI 557.7 nm輻射高度的水平風(fēng)速圖，其中圖3（a）、（c）、（e）為經(jīng)向風(fēng)，（b）、（d）、（f）為緯向風(fēng)。黑色實(shí)線代表觀測(cè)區(qū)域上空同一高度的HWM07模式結(jié)果，五種彩色點(diǎn)線代表五級(jí)干涉環(huán)反演出的風(fēng)速，紅、黃、綠、藍(lán)，紫色分別代表以觀測(cè)點(diǎn)為中心由內(nèi)向外依次輻射的五個(gè)環(huán)狀區(qū)域，每?jī)蓚€(gè)區(qū)域之間間隔為5—10 km。在多數(shù)的觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)五級(jí)干涉環(huán)反演出的風(fēng)速變化趨勢(shì)都是基本一致的，五個(gè)不同區(qū)域風(fēng)場(chǎng)共同給出了觀測(cè)區(qū)域上空的風(fēng)場(chǎng)行為。但是它們的幅值卻并非完全一樣，有時(shí)甚至出現(xiàn)彼此相背離的風(fēng)向，這是因?yàn)樗鼈兯囱莸膮^(qū)域并不相同，一級(jí)環(huán)和五級(jí)環(huán)所反演區(qū)域之間的距離可以達(dá)到50 km以上。圖3（a）、（b）、（e）、（f）均為行星際平靜期的風(fēng)速圖，可以看到平靜期的水平風(fēng)場(chǎng)整體行為較為穩(wěn)定，幾乎很少出現(xiàn)各級(jí)環(huán)反演出的經(jīng)緯向風(fēng)同時(shí)大幅度切變的情況，風(fēng)場(chǎng)整體變化趨勢(shì)與HWM07模式較為吻合。對(duì)于圖3（c）、（d），能夠看到經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)的風(fēng)速幅值幾乎均在50 m·s－1以?xún)?nèi)，經(jīng)向風(fēng)速幅值較緯向風(fēng)速幅值整體更為平穩(wěn)。15：00—21：00 UT之間，除了緯向風(fēng)第四級(jí)干涉環(huán)計(jì)算出的風(fēng)速有一個(gè)強(qiáng)烈的東向偏轉(zhuǎn)，其余干涉環(huán)計(jì)算的風(fēng)速幅值均相對(duì)平穩(wěn)，這暗示電離層E區(qū)當(dāng)前空間環(huán)境較為穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)大量能量流動(dòng)影響中性風(fēng)場(chǎng)。但是從圖3（c）、（d）可以看出，在22：00 UT左右的地磁擾動(dòng)期出現(xiàn)了較為突然的風(fēng)切變，經(jīng)向風(fēng)的風(fēng)速表現(xiàn)得猶為一致，都有一個(gè)北向風(fēng)的增長(zhǎng)趨勢(shì)。緯向風(fēng)則出現(xiàn)了強(qiáng)烈的東向風(fēng)加速，特別是第三級(jí)干涉圓環(huán)所計(jì)算的風(fēng)速，其幅值增加至40 m·s－1左右，其余各級(jí)干涉環(huán)計(jì)算出的風(fēng)速也均有不同程度的增加。經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)同時(shí)出現(xiàn)幅值和風(fēng)向的突變。這種變化明顯區(qū)別于平靜期的風(fēng)場(chǎng)正常行為，是由外部能量短時(shí)間內(nèi)大量輸入造成的。

圖3 all-sky FPI獲得的OI557.7 nm輻射高度的水平風(fēng).2011年11月26日（a）經(jīng)向風(fēng)；（b）緯向風(fēng)，2011年11月28日；（c）經(jīng)向風(fēng)；（d）緯向風(fēng)，2011年12月1日；（e）經(jīng)向風(fēng)；（f）緯向風(fēng).其中紅黃綠藍(lán)紫五種點(diǎn)線分別代表五級(jí)不同干涉條紋計(jì)算得出的風(fēng)速，黑色實(shí)線為HWM07模式計(jì)算得出的結(jié)果，經(jīng)向風(fēng)正方向?yàn)楸毕?，緯向風(fēng)正方向?yàn)闁|向Fig.3.Horizontalwind velocity obtained by all-sky FPIat 557.7 nm oxygen atom layer.November 26，2011（a）Meridional wind；（b）Zonalwind.November28，2011；（c）Meridionalwind；（d）Zonalwind.December1，2011；（e）Meridionalwind；（f）Zonal wind.Five different dotted lines of red，yellow，green，blue，purple represent wind velocity calculations derived from five different interference fringes，the solid black line represents results calculated by HWM07 mode.The north is the positive direction for themeridional wind and the east for the zonalwind

圖3中，all-sky FPI的觀測(cè)數(shù)據(jù)和HWM07模式進(jìn)行了比較，風(fēng)場(chǎng)整體變化趨勢(shì)與HWM07模式較為吻合，但是在2011年11月26日與2011年12月1日兩天平靜期內(nèi)，緯向風(fēng)與模式之間的數(shù)據(jù)對(duì)比在21：00—03：00 UT并不十分一致，反而在2011年11月28日行星際擾動(dòng)期間風(fēng)速急劇增大，使得在該區(qū)間內(nèi)風(fēng)速大小與模式之間的差距得以縮小。雖然數(shù)據(jù)處理的天數(shù)較短，可能對(duì)分析結(jié)果帶來(lái)一定的隨機(jī)性，但是仍然能夠看出觀測(cè)期間all-sky FPI設(shè)備獲取的風(fēng)速數(shù)據(jù)與HWM07模式結(jié)果在OI 557.7 nm輻射高度上有著較好的一致性。

本次事件中，激波于22：12 UT引起磁暴后，太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生磁層對(duì)流電場(chǎng)，磁層對(duì)流電場(chǎng)通過(guò)焦耳加熱和離子拖曳可以直接對(duì)中性風(fēng)產(chǎn)生影響，這里首先分析焦耳加熱影響中性風(fēng)的方式。隨著行星際磁場(chǎng)更加南向偏轉(zhuǎn)，磁層對(duì)流電場(chǎng)強(qiáng)度增加，導(dǎo)致焦耳加熱率迅速提高，焦耳加熱率的提高進(jìn)一步引起了水平壓力梯度改變，導(dǎo)致離子和中性粒子之間的摩擦愈加劇烈，使中性風(fēng)的幅值迅速發(fā)生改變［17］，這是導(dǎo)致22：00 UT之后短時(shí)間內(nèi)經(jīng)向風(fēng)能夠產(chǎn)生北向風(fēng)顯著加速和緯向風(fēng)能夠產(chǎn)生東向風(fēng)顯著加速的主要原因。22：45 UT左右中性風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速達(dá)到最大值，隨后電離層逐漸恢復(fù)平靜，中性風(fēng)的風(fēng)速逐步減小。這一過(guò)程的發(fā)生暗示著行星際磁場(chǎng)南向偏轉(zhuǎn)時(shí)，行星際磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)在向陽(yáng)面磁層頂發(fā)生了磁場(chǎng)重聯(lián)，隨后太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)重聯(lián)磁力線向磁尾運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)風(fēng)能量也被一起攜帶至磁尾［18-19］，隨著磁尾磁場(chǎng)強(qiáng)度提高和磁能增加，磁層對(duì)流電場(chǎng)迅速提升焦耳加熱率，引起水平壓力梯度改變，使低熱層大氣中性粒子行為產(chǎn)生變化，部分太陽(yáng)風(fēng)能量轉(zhuǎn)化為低熱層動(dòng)能。

2.2 行星際擾動(dòng)下的視線風(fēng)特性

行星際激波能夠?qū)е乱箓?cè)扇區(qū)內(nèi)極光爆發(fā)，沉降粒子的能通量在數(shù)量級(jí)上有時(shí)可以達(dá)到典型的亞暴級(jí)別［20］，在IMF的Bz分量南向偏轉(zhuǎn)時(shí)，極光亮度可以隨著｜Bz｜增大而增大［21］。Xiong等［22］也指出極光亞暴對(duì)電離層E區(qū)中性大氣風(fēng)場(chǎng)具有不可忽視的影響。在本次行星際擾動(dòng)事件中，出現(xiàn)了由行星際激波觸發(fā)的極光亞暴事件，圖4示出all-sky FPI獲得到的干涉圖樣，20：34—22：04 UT之間所獲得的干涉圖顯示，其間光強(qiáng)分布較均勻沒(méi)有極光出現(xiàn)，干涉圖最早于22：19 UT開(kāi)始出現(xiàn)極光弧，隨后極光全面爆發(fā)，點(diǎn)亮整個(gè)干涉圖。激波到達(dá)與極光亞暴開(kāi)始的時(shí)間間隔比較短，這可能跟極光亞暴的觸發(fā)原因有關(guān)。Hong等［23］指出，相比孤立亞暴，太陽(yáng)風(fēng)壓強(qiáng)激波觸發(fā)的極光亞暴，具有不同的時(shí)空特征，其一是電離層對(duì)激波的響應(yīng)時(shí)間非常短，激波到達(dá)磁層頂后數(shù)分鐘即可觸發(fā)全球性極光爆發(fā)，其二則是最初爆發(fā)區(qū)域較廣，并不一定像孤立極光亞暴會(huì)出現(xiàn)“西行浪涌”。

圖4 all-sky FPI于2011年11月28日20：34—23：19 UT觀測(cè)到的干涉圖樣Fig.4.Interference patterns observed by all-sky FPI from 20：34 UT to 23：19 UT on November 28，2011

將原始的干涉環(huán)數(shù)據(jù)處理后，得到如圖5所示的相對(duì)應(yīng)的視線風(fēng)速的全天空分布情況。為了更方便和直觀地分析視線風(fēng)的風(fēng)速大小和方向，利用顏色深淺來(lái)表示幅值大小，采用不同顏色來(lái)區(qū)分風(fēng)速方向。藍(lán)色和紅色分別表示為視線方向上靠近和遠(yuǎn)離觀測(cè)點(diǎn)的方向，藍(lán)色和紅色的深淺差異則代表該方向上風(fēng)速大小區(qū)別。從圖中可以看出，起始時(shí)間以東北向的風(fēng)速為主，風(fēng)向尚不太明顯，同時(shí)風(fēng)的幅值也較小，至22：04 UT風(fēng)向趨于明顯，風(fēng)速也開(kāi)始增加。隨著時(shí)間推移，風(fēng)向由東北向風(fēng)開(kāi)始逐漸變得更加北向，至22：49 UT左右，突然出現(xiàn)東向加強(qiáng)風(fēng)速，同時(shí)可以看到風(fēng)速幅值的明顯增加，23：19 UT北向風(fēng)和東向風(fēng)的大小均開(kāi)始減弱，風(fēng)場(chǎng)方向朝著西北向風(fēng)變化。

圖5 2011年11月28日的20：30—23：30 UT時(shí)段557.7 nm輻射高度的全天空視線風(fēng)速分布情況Fig.5.All-sky LOS velocity at557.7 nm oxygen atom layer from 20：30 UT to 23：30 UT on November 28，2011

行星際激波可以對(duì)低熱層中性大氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，焦耳加熱只是其中一種方式，另一種能夠影響中性風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方式是離子拖曳。本次行星際激波事件引發(fā)了極光亞暴，極光電急流指數(shù)AE、AL、AU的相關(guān)響應(yīng)，特別是AE指數(shù)在1 h內(nèi)由50 nT增加至400 nT，說(shuō)明在夜間極光橢圓區(qū)，極光帶電急流正在迅速增加。極光粒子沉降的迅速增強(qiáng)帶來(lái)電離層E區(qū)域的離子密度迅速變大，離子拖曳通過(guò)動(dòng)量傳遞和熱效應(yīng)從而使中性風(fēng)發(fā)生更加多樣性的變化［24］，引導(dǎo)中性粒子朝著特定方向運(yùn)動(dòng)。圖4、圖5對(duì)照觀察可以發(fā)現(xiàn)，極光爆發(fā)的時(shí)候出現(xiàn)了風(fēng)速迅速增加和風(fēng)向快速切變，這一現(xiàn)象的原因可能就是如上所說(shuō)的離子拖曳中性粒子，導(dǎo)致中性風(fēng)場(chǎng)行為發(fā)生變化。

3 分析與討論

對(duì)2011年11月28日激波事件分析得知，中國(guó)北極黃河站上空OI 557.7 nm輻射高度的中性風(fēng)場(chǎng)對(duì)行星際激波撞擊磁層表現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性。2011年11月28日21：51 UT監(jiān)測(cè)到行星際激波事件后，根據(jù)北極黃河站磁通門(mén)磁力計(jì)的地磁場(chǎng)記錄確定，該激波引起磁暴的時(shí)間確定為22：12 UT，經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)在幅值及風(fēng)向上出現(xiàn)劇烈變化，隨后引發(fā)了夜側(cè)扇區(qū)極光亞暴事件。視線風(fēng)在22：19 UT出現(xiàn)風(fēng)向變化，逐漸由東北向風(fēng)變化為更加北向，至23：19 UT北向風(fēng)和東向風(fēng)的大小均開(kāi)始減弱，風(fēng)場(chǎng)方向朝著西北向風(fēng)變化，這可能是激波出現(xiàn)期間行星際擾動(dòng)對(duì)磁層產(chǎn)生了強(qiáng)烈作用，進(jìn)而引起電離層中性風(fēng)場(chǎng)發(fā)生顯著變化。這種變化可以在半小時(shí)內(nèi)就反應(yīng)到風(fēng)速變化上面，主要原因可能是行星際磁場(chǎng)南向偏轉(zhuǎn)時(shí)，行星際磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)在向陽(yáng)面磁層頂發(fā)生了磁場(chǎng)重聯(lián)，使太陽(yáng)風(fēng)能量從向陽(yáng)側(cè)傳輸?shù)酱盼矃^(qū)域，然后通過(guò)焦耳加熱和離子拖曳對(duì)低熱層中性風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生影響。行星際激波發(fā)生期間，焦耳加熱迅速增加，引起水平壓力梯度改變，導(dǎo)致中性風(fēng)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈擾動(dòng)，伴隨著焦耳加熱這一過(guò)程的發(fā)生，離子拖曳也可以通過(guò)動(dòng)量傳遞和熱效應(yīng)使中性風(fēng)的行為發(fā)生變化，這個(gè)過(guò)程的發(fā)生使得部分太陽(yáng)風(fēng)能量轉(zhuǎn)化為低熱層動(dòng)能。

行星際激波對(duì)于中性風(fēng)場(chǎng)的影響較為復(fù)雜，目前相關(guān)研究不太多見(jiàn)，接下來(lái)的主要工作是進(jìn)一步改善硬件設(shè)備，這一部分工作正在著手進(jìn)行，系統(tǒng)更加完善性能更加優(yōu)越的新一代all-sky FPI觀測(cè)設(shè)備即將于2014年11月份運(yùn)往北極黃河站，同時(shí)優(yōu)化現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理方法，展開(kāi)新一階段的調(diào)查觀測(cè)。在已經(jīng)開(kāi)展的對(duì)星載FPI探測(cè)低熱層溫度的研究［25］基礎(chǔ)上，討論星載FPI對(duì)低熱層水平風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的可能性，從而與地基FPI實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作，增大FPI設(shè)備的覆蓋網(wǎng)絡(luò)，提高觀測(cè)精度。

致謝行星際磁場(chǎng)和太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)由美國(guó)國(guó)家航天局的ACE衛(wèi)星提供，地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)由北極黃河站磁力計(jì)提供。

1 Dryer M.Interplanetary shock waves generated by solar flares.Space Science Reviews，1974，15（4）：403—468.

2 Richmond A D，Lathuillère C，Vennerstrom S.Winds in the high-latitude lower thermosphere：Dependence on the interplanetary magnetic field.Journal of Geophysical Research：Space Physics（1978—2012），2003，108（A2），doi：10.1029／2002JA009493.

3 Sastri JH，Jyoti N，Somayajulu V V，et al.Ionospheric storm of early November 1993 in the Indian equatorial region.Journal of Geophysical Research：Space Physics（1978—2012），2000，105（A8）：18443—18455.

4 Takahashi H，Shiokawa K，Egito F，et al.Planetary wave induced wind and airglow oscillations in themiddle latitude MLT region.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2013，98：97—104.

5 Rees D，Greenaway A H.Doppler imaging system；an optical device formeasuring vectorwinds.1：General principles.Applied Optics，1983，22（7）：1078—1083.

6 Ai Y，Mamoru I，Minoru K，et al.Airglow observation by Fabry-Perot interferometer.Wuhan University Journal of Natural Sciences，1998，3（2）：175—180.

7 趙正啟，周小珊，艾勇.掃描式法布里-珀羅干涉儀測(cè)量高空大氣風(fēng)速.應(yīng)用光學(xué)，2006，27（6）：558—562.

8 李浩，張燕革.法布里-珀羅氣輝干涉成像儀的大氣溫度測(cè)量原理.應(yīng)用光學(xué)，2008，29（6）：921—925.

9 李浩，張燕革.模擬大氣風(fēng)場(chǎng)及其數(shù)據(jù)處理技術(shù)的研究.應(yīng)用光學(xué)，2009，30（2）：285—290.

10 袁瑋，徐寄遙，馬瑞平，等.我國(guó)光學(xué)干涉儀對(duì)中高層大氣風(fēng)場(chǎng)的首次觀測(cè).科學(xué)通報(bào)，2010，55（35）：3378—3383.

11 Jiang G Y，Xu JY，Yuan W，et al.A comparison ofmesospheric windsmeasured by FPIand meteor radar located at40N.Science China Technological Sciences，2012，55（5）：1245—1250.

12 Yuan W，Liu X，Xu JY，et al.FPIobservations of nighttimemesospheric and thermospheric winds in China and their comparisonswith HWM07.Annales Geophysicae，2013，31（8）：1365—1378.

13 Kubota M.A study onmiddle-scale variations of thermospheric neutralwinds associated with auroral activity over Syowa Station，Antarctica.Japan：Tohoku University，1996.

14 Biondi M A，Sipler D P，Zipf M E，et al.All-sky Doppler interferometer for thermospheric dynamics studies.Applied Optics，1995，34（10）：1646—1654.

15 Nakajima H，Okano S，F(xiàn)ukunishiH，etal.Observations of thermospheric wind velocities and temperatures by the use of a Fabry-Perot Doppler imaging system at Syowa Station，Antarctica.Applied Optics，1995，34（36）：8382—8395.

16 Lu G.High-speed streams，coronalmassejections，and interplanetary shocks：A comparative study ofGeoeffectiveness.RecurrentMagnetic Storms：Corotating Solar Wind Streams，2006：97—111.

17 Tsuda T T，Nozawa S，Oyama S，etal.Accelerationmechanism of high-speed neutralwind observed in the polar lower thermosphere.Journal of Geophysical Research：Space Physics（1978—2012），2009，114（A4），doi：10.1029／2008JA013867.

18 Dungey JW.Interplanetarymagnetic field and the auroral zones.Physical Review Letters，1962，6（2）：47—48.

19 Jing H，Lu JY，Kabin K，et al.MHD simulation of energy transfer acrossmagnetopause during sudden changes of the IMF orientation.Planetary and Space Science，2014，97：50—59.

20 劉建軍，胡紅橋，韓德勝，等.地基觀測(cè)的夜側(cè)極光對(duì)行星際激波的響應(yīng).地球物理學(xué)報(bào)，2013，56（6）：1785—1796.

21 Yang Y F，Lu JY，Wang JS，et al.Influence of interplanetarymagnetic field and solarwind on auroral brightness in different regions.Journal of Geophysical Research：Space Physics，2013，118（1）：209—217.

22 熊波，張燕革，艾勇，等.北極黃河站極光亞暴期間低熱層大氣中性風(fēng)研究.空間科學(xué)學(xué)報(bào)，33（6）：629—636.

23 洪明華，王憲民，Chu D，等.極光亞暴對(duì)太陽(yáng)風(fēng)壓強(qiáng)激波的響應(yīng).科學(xué)通報(bào)，2001，46（13）：1113—1117.

24 Brekke A，Doupnik JR，Banks PM.A preliminary study of the neutralwind in the auroralEregion.Journal of Geophysical Research，1973，78（34）：8235—8250.

25 劉玨，艾勇，張燕革，等.星載FPI探測(cè)低熱層溫度的研究.空間科學(xué)學(xué)報(bào)，33（6）：645—650.