極光電激流的地方時(shí)和季節(jié)變化特性研究：CHAMP衛(wèi)星觀測(cè)

仲云芳， 王慧， 鄭志超， 何楊帆， 張科燈， 孫璐媛， 高潔

武漢大學(xué)電子信息學(xué)院空間物理系， 武漢 430072

0 引言

在高緯度地區(qū)，極光電激流主要沿極光橢圓帶流動(dòng)，在昏側(cè)為東向電激流，在晨側(cè)和夜晚為西向電激流.極光電激流的形成機(jī)制比較復(fù)雜，既受對(duì)流電場(chǎng)又受電離層電導(dǎo)率的控制.在亞暴發(fā)生期間，晨側(cè)較強(qiáng)的西向電激流和昏側(cè)較強(qiáng)的東向電激流與對(duì)流電場(chǎng)的增強(qiáng)有關(guān).而子夜附近西向電激流是亞暴電流楔的電離層回路的重要組成部分，與極光粒子沉降有關(guān)(Kamide and Akasofu, 1976; Kamide and Nakamura, 1996; Kamide and Kokubun, 1996; Baker et al., 1996; Ahn et al., 1999; 徐文耀, 2009; D′Onofrio et al., 2014; 張靜等, 2017).極光電激流是引起地磁感應(yīng)電流的主要因素，它會(huì)引發(fā)輸電線(xiàn)路超載、油氣管道腐蝕、通信中斷等自然災(zāi)害，是空間天氣學(xué)研究的熱門(mén)話(huà)題，因此開(kāi)展極光電激流的統(tǒng)計(jì)學(xué)研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值.

過(guò)去，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們利用地磁臺(tái)站和衛(wèi)星磁場(chǎng)觀測(cè)資料研究了太陽(yáng)風(fēng)、行星際磁場(chǎng)(Interplanetary magnetic field, IMF)和地磁活動(dòng)(如亞暴和磁暴)對(duì)極光電激流的強(qiáng)度和位置分布的影響(Nishida, 1968; Shue and Kamide, 2001; Wang et al., 2008; 徐文耀, 2009; Pulkkinen et al., 2011; D′Onofrio et al., 2014; Guo et al., 2014a，b; Huang et al., 2017; Klimenko et al., 2018; Ohtani et al., 2019)，這些研究極大地促進(jìn)了人們對(duì)極光電激流的認(rèn)識(shí)，但仍有一些科學(xué)問(wèn)題有待解決.

前人的研究表明，極光電激流與電離層霍爾電導(dǎo)率密切相關(guān).Ohtani等(2019)利用IMAGE(International Monitor for Auroral Geomagnetic Effects)單一地磁臺(tái)站的磁場(chǎng)觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)白天時(shí)段極光電激流與太陽(yáng)天頂角(Solar Zenith Angle, SZA)變化趨勢(shì)相反，即與太陽(yáng)輻射引起的電離層電導(dǎo)率變化趨勢(shì)相同；而夜間不同經(jīng)度、不同半球的地磁臺(tái)站觀測(cè)到的極光電激流與SZA的變化趨勢(shì)不一致，其中有些經(jīng)度段的極光電激流與SZA變化趨勢(shì)相反，有些經(jīng)度段的極光電激流在SZA的中值達(dá)到峰值.Ohtani等(2019)的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SZA和地球偶極傾角(Dipole Tilt Angle, DTA)都較小時(shí)，極光電激流就會(huì)增加，這表明太陽(yáng)輻射和地球偶極傾角對(duì)極光電激流有很大影響.極光電激流與場(chǎng)向電流之間存在內(nèi)在的緊密聯(lián)系，但以往的研究表明，白天側(cè)場(chǎng)向電流與太陽(yáng)輻射引起的電離層電導(dǎo)率變化趨勢(shì)相同，而夜間太陽(yáng)輻射對(duì)場(chǎng)向電流的影響不明顯(Wang et al., 2005a,b).很顯然，夜側(cè)極光電激流與場(chǎng)向電流對(duì)SZA的依賴(lài)性并不一致，需要進(jìn)一步開(kāi)展分析.我們注意到，Ohtani等(2019)的工作主要是以地磁單站在63.8°～71.5° 地磁緯度(Magnetic Latitude, MLat)的觀測(cè)為基礎(chǔ)的.本文指出，地磁臺(tái)站不一定都位于極光電激流的峰值區(qū)域范圍內(nèi)，這會(huì)導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差.本文利用CHAMP衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)白天和夜間極光電激流對(duì)SZA和DTA的依賴(lài)關(guān)系進(jìn)行了深入研究，以彌補(bǔ)地磁臺(tái)站觀測(cè)范圍的不足.

極光電激流存在明顯的季節(jié)變化(Wu et al., 1991; Ahn et al., 1999; Lyatsky et al., 2001; McPherron et al., 2013)，Guo等(2014a,b)基于54°～75° MLat的31個(gè)IMAGE地磁臺(tái)站的數(shù)據(jù)，對(duì)22—06磁地方時(shí)(Magnetic Local Time, MLT)扇區(qū)西向電激流的季節(jié)變化展開(kāi)了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，西向電激流呈明顯的半年變化(春秋分強(qiáng)于冬夏至)，而年變化則與地方時(shí)有關(guān)：在22—01 MLT，西向電激流冬季強(qiáng)于夏季，這與冬季極光粒子沉降強(qiáng)于夏季有關(guān)；而在03—06 MLT，西向電激流夏季高于冬季，這主要是因?yàn)橄募倦婋x層輻射電離更強(qiáng)；在01—03 MLT，年變化特征較弱.由于地磁臺(tái)站觀測(cè)的范圍有限，Guo等(2014a,b)的統(tǒng)計(jì)學(xué)工作僅限于22—06 MLT.本文利用衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究了所有地方時(shí)的極光電激流的季節(jié)變化特征.

Davis和 Sugiura(1966)利用分布在62°～70° MLat的12個(gè)地磁臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)建立了AE(Auroral Electrojet Index)、AU(Auroral Electrojet Upper Index)和AL(Auroral Electrojet Lower Index)指數(shù).這些指數(shù)被廣泛用于描述極光活動(dòng)和亞暴強(qiáng)度(Ahn et al., 1999; Lyatsky et al., 2001; Newell et al., 2002; Shue and Kamide, 2006; Singh et al., 2013).AU指數(shù)和AL指數(shù)是地面臺(tái)站測(cè)量的磁場(chǎng)水平分量與靜態(tài)值的最大正偏差和最大負(fù)偏差，其中AU指數(shù)表征東向電激流的強(qiáng)度，AL指數(shù)表征西向電激流的強(qiáng)度，AE則是AU和AL的差值.然而由于地磁臺(tái)站的位置受到限制，這些指數(shù)對(duì)極光電激流的強(qiáng)度的描述存在地方時(shí)偏差(Akasofu et al., 1973; Lui et al., 1976; Ahn et al., 1999; Wang et al., 2008).因此，Newell和Gjerloev(2011)使用100多個(gè)北半球地磁臺(tái)站(分布在55°～87° MLat)計(jì)算出SME(SuperMAG Electrojet Index)、SMU(SuperMAG Electrojet Upper Index)和SML(SuperMAG Electrojet Lower Index)指數(shù)(分別與AE、AU和AL指數(shù)相對(duì)應(yīng)).在以往的研究中，未對(duì)地磁臺(tái)站的極光活動(dòng)指數(shù)與衛(wèi)星測(cè)量的極光電激流進(jìn)行對(duì)比分析，這也是本文所做的工作之一.通過(guò)這種對(duì)比，不僅可以檢驗(yàn)地面極光活動(dòng)指數(shù)的準(zhǔn)確性，而且為衛(wèi)星與地面聯(lián)合觀測(cè)建立極光活動(dòng)指數(shù)提供了一個(gè)新思路.

本文利用9年的CHAMP衛(wèi)星高精度的標(biāo)量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)反演出極光電激流，分析了極光電激流與太陽(yáng)天頂角和地球偶極傾角的關(guān)系，研究了極光電激流的季節(jié)分布，并與已有的極光活動(dòng)指數(shù)進(jìn)行了比較.這有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)極光電激流的空間分布特征和相關(guān)形成機(jī)理.

1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方法

德國(guó)CHAMP(Challenging Minisatellite Payload)衛(wèi)星的運(yùn)行時(shí)間為2000年7月至2010年9月.CHAMP衛(wèi)星為極軌衛(wèi)星，軌道傾角為87.3°，最初飛行高度為456 km，2006年下降至370 km左右.衛(wèi)星飛行周期大約為93 min，每130 d覆蓋所有地方時(shí)(Reigber et al., 2002).本文使用CHAMP衛(wèi)星2000年7月26日至2010年9月4日的標(biāo)量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)反演得到極光電激流，在此期間衛(wèi)星軌道可均勻覆蓋所有季節(jié)和所有地方時(shí).

利用CHAMP衛(wèi)星反演電離層Hall電流的具體方法可以參考Olsen(1996)和Ritter等(2004)的工作，本文只做簡(jiǎn)單介紹.首先用衛(wèi)星測(cè)量的磁場(chǎng)|B0+b|減去地球主磁場(chǎng)模型(Potsdam Magnetic Model Earth, POMME)給出的主磁場(chǎng)B0，得到極光電激流產(chǎn)生的擾動(dòng)場(chǎng)dB，即

dB=|B0+b|-|B0|，

(1)

其中|B0|是模型的標(biāo)量磁場(chǎng)，|B0+b|是衛(wèi)星測(cè)量的標(biāo)量磁場(chǎng).由于擾動(dòng)場(chǎng)遠(yuǎn)小于主磁場(chǎng)B0，(1)式可近似表達(dá)為

(2)

由于場(chǎng)向電流對(duì)沿著B(niǎo)0方向的擾動(dòng)場(chǎng)的貢獻(xiàn)很小，該擾動(dòng)場(chǎng)dB主要來(lái)自極光電激流的影響.假設(shè)極光電激流由一系列垂直于衛(wèi)星軌道平面的無(wú)限長(zhǎng)的線(xiàn)電流組成，電流距地面高度為115 km，線(xiàn)電流之間的間距為1°(約為110 km).電流強(qiáng)度為I的線(xiàn)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以表示成

(3)

(4)

其中bx是北向分量，bz是垂直地面向下的分量，I為電流強(qiáng)度，x是測(cè)量點(diǎn)的北向位移，h是測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于電流的高度，μ0是真空磁導(dǎo)率(Olsen, 1996; Ritter et al., 2004).

根據(jù)線(xiàn)電流與擾動(dòng)場(chǎng)的關(guān)系，可得到線(xiàn)電流與擾動(dòng)磁場(chǎng)的線(xiàn)性方程組，再利用最小二乘法擬合就得到極光電激流的強(qiáng)度和空間位置.為消除環(huán)電流的影響，±50° MLat處的電流強(qiáng)度歸零處理.我們記錄了每個(gè)軌道極光電激流的峰值，正值代表東向電激流，負(fù)值代表西向電激流.同時(shí)記錄每個(gè)峰值電流所在的地磁緯度、地磁經(jīng)度、地方時(shí)和世界時(shí)，并計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)天頂角和地球偶極傾角.在數(shù)據(jù)選擇過(guò)程中，電流強(qiáng)度峰值的絕對(duì)值低于0.04 A·m-1(Ritter et al., 2004)，以及峰值所在地磁緯度高于85°的事件被剔除.2000年至2010年期間，我們?cè)谀?北)半球共挑選出82481(95072)個(gè)事件，用來(lái)做統(tǒng)計(jì)學(xué)分析.

2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.1 極光電激流的時(shí)空分布

圖1 極光電激流強(qiáng)度隨MLT和MLat的變化圖(a)和(b)是地磁平靜期北半球極光電激流； (c)和(d)是擾動(dòng)期北半球極光電激流； (e)和(f)是平靜期南半球極光電激流； (g)和(h)是擾動(dòng)期南半球極光電激流.左側(cè)是東向電激流，右側(cè)是西向電激流.Fig.1 MLT and MLat variations of the auroral electrojet(a) and (b) are the auroral electrojet during quiet period in the Northern Hemisphere; (c) and (d) are the auroral electrojet during disturbance period in the Northern Hemisphere; (e) and (f) are the auroral electrojet during quiet period in the Southern Hemisphere; (g) and (h) are the auroral electrojet during disturbance period in the Southern Hemisphere. The left and right columns are for eastward and westward electrojet, respectively.

如圖1所示，在地磁平靜期，東向電激流在昏側(cè)較強(qiáng)，西向電激流在夜間和晨側(cè)較強(qiáng).隨著地磁活動(dòng)的增強(qiáng)，東、西向電激流向較低緯度擴(kuò)展，覆蓋了較大的地方時(shí)扇區(qū).由于南北半球的地磁軸與地理軸的夾角不同，極光電激流的空間分布存在一定的半球差異.

2.2 電離層電導(dǎo)率的影響

我們使用太陽(yáng)天頂角代表日照的強(qiáng)度，太陽(yáng)天頂角越小，表示日照越強(qiáng)，從而導(dǎo)致電離層電導(dǎo)率(日照引起的部分)增大.圖2為極光電激流的密度隨磁地方時(shí)和SZA的分布圖.SZA以每5°為間隔，磁地方時(shí)以每小時(shí)為間隔，以極光電激流峰值密度的中值表示各網(wǎng)格中的分布.為更好地展示極光電激流隨SZA的變化特征，我們將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)的電流強(qiáng)度做歸一化處理，即除以所在磁地方時(shí)電流峰值密度的中值.

圖2a是北半球東向電激流隨地方時(shí)和SZA的分布圖，可以看到，在所有磁地方時(shí)扇區(qū)，當(dāng)SZA較小時(shí)，東向電流增強(qiáng)，而當(dāng)SZA較大時(shí)，東向電流減弱.06—18 MLT內(nèi)電流隨SZA的變化比18—06 MLT更顯著.這意味著東向電激流強(qiáng)度在所有MLT都與SZA變化趨勢(shì)相反，白天SZA對(duì)東向電激流的影響強(qiáng)于夜晚.

北半球西向電激流的分布如圖2b所示，可以看出不同MLT內(nèi)西向電激流隨SZA的變化趨勢(shì)并不相同.在06—18 MLT內(nèi)當(dāng)SZA偏小時(shí)，西向電流較大，相反，在18—06 MLT扇區(qū)內(nèi)當(dāng)SZA偏大時(shí)，西向電流較大.這說(shuō)明白天時(shí)段西向電激流強(qiáng)度與SZA變化趨勢(shì)相反，而夜晚時(shí)段西向電激流與SZA變化趨勢(shì)相同.

圖2c和圖2d分別給出南半球的東向和西向電激流隨MLT和SZA的變化圖，從圖中可看出南半球極光電激流對(duì)SZA的響應(yīng)與北半球幾乎一致.

圖2 極光電激流強(qiáng)度隨MLT和SZA的變化圖(a)和(b)分別是北半球東向和西向電激流； (c)和(d)分別是南半球東向和西向電激流.Fig.2 MLT and SZA variations of the auroral electrojet(a) and (b) are the eastward and westward electrojet in the Northern Hemisphere; (c) and (d) are the eastward and westward electrojet in the Southern Hemisphere.

2.3 地球偶極傾角的影響

地球偶極傾角是地球偶極軸(地磁場(chǎng)近似為偶極子場(chǎng))與日地連線(xiàn)間夾角的余角，當(dāng)?shù)厍蚺紭O軸指向太陽(yáng)時(shí)地球偶極傾角為正(北半球夏季)，背離太陽(yáng)時(shí)為負(fù)(北半球冬季).圖3給出極光電激流隨地球偶極傾角和磁地方時(shí)的變化，地球偶極傾角為每5°間隔，磁地方時(shí)為每小時(shí)間隔，以極光電激流峰值密度的中值代表其在各網(wǎng)格中的分布.

圖3a是北半球的東向電激流，可以看出，在所有磁地方時(shí)DTA越大，東向電激流越強(qiáng)，在DTA為30°時(shí)東向電流達(dá)到峰值.圖3b是北半球的西向電激流，04—18 MLT內(nèi)西向電激流隨DTA的增大而增大，但18—04 MLT內(nèi)DTA的影響不明顯.

圖3 極光電激流隨MLT和DTA的變化圖(a)和(b)分別是北半球東向和西向電激流； (c)和(d)分別是南半球東向和西向電激流.Fig.3 MLT and DTA variations of the auroral electrojet(a) and (b) are eastward and westward electrojet in the Northern Hemisphere; (c) and (d) are eastward and westward electrojet in the Southern Hemisphere.

圖3c和圖3d給出南半球的東向和西向電激流隨地方時(shí)和DTA的分布.南半球的極光電激流隨DTA和MLT的分布幾乎與北半球呈鏡像對(duì)稱(chēng)，南半球所有MLT時(shí)段內(nèi)的東向電激流和04—18 MLT內(nèi)的西向電激流都在DTA為-30°時(shí)達(dá)到峰值，在18—04 MLT內(nèi)西向電激流與DTA相關(guān)性不明顯.

2.4 季節(jié)變化

圖4(a，b)給出東向電激流和西向電激流隨季節(jié)和MLT的變化圖，其中MLT為每小時(shí)間隔，季節(jié)為每月間隔，以極光電激流峰值密度的中值表示極光電激流密度在各網(wǎng)格中的分布.從圖4a中可以看出，東向電激流的強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在6月份的10—16 MLT.觀察每個(gè)MLT分區(qū)內(nèi)東向電激流的季節(jié)變化，可以看出在所有MLT內(nèi)，東向電激流的最大值都出現(xiàn)在夏季.而關(guān)注每個(gè)月份內(nèi)東向電激流隨MLT的分布，可以發(fā)現(xiàn)夏季東向電激流在正午達(dá)到最大，但是越靠近冬季，電流強(qiáng)度最大值出現(xiàn)得越晚，最晚的東向電激流峰值出現(xiàn)在1月份的18—20 MLT.東向電激流在夏季的最大值遠(yuǎn)大于其在冬季的最大值.

圖4 (上圖)極光電激流隨季節(jié)和MLT的變化，(中圖)極光電激流的年變化圖，(下圖)極光電激流的半年變化圖左側(cè)為東向電激流，右側(cè)為西向電激流.Fig.4 (Top) Seasonal and MLT variations of the auroral electrojet. (Middle) Annual variations of the auroral electrojet. (Bottom) Semiannual variations of the auroral electrojetThe eastward electrojet is in the left panel and the westward electrojet is in the right panel.

從圖4b中可以看出，西向電激流的最大值出現(xiàn)在4月和10月的凌晨以及3月和4月的子夜前.關(guān)注每個(gè)MLT內(nèi)西向電激流的季節(jié)變化，可以發(fā)現(xiàn)在18—06 MLT內(nèi)西向電激流在春秋分和冬季達(dá)到最大值，在06—18 MLT內(nèi)西向電激流在夏季達(dá)到最大值.而觀察圖中每個(gè)月份內(nèi)西向電激流隨MLT的分布，發(fā)現(xiàn)夏季西向電激流在06—18 MLT內(nèi)達(dá)到峰值，春秋分時(shí)在00—06 MLT 及18—24 MLT內(nèi)達(dá)到最大值，而冬季在19—21 MLT內(nèi)達(dá)到峰值，且兩分點(diǎn)的最大值大于兩至點(diǎn)的最大值.

我們利用余弦函數(shù)擬合各地方時(shí)扇區(qū)的電流強(qiáng)度的季節(jié)變化趨勢(shì)，得到東、西向電激流的年和半年變化圖，如圖4(c，d)所示，其中正值表示相對(duì)電流的年均值有所增加，負(fù)值表示減少.可以看出，東向電激流表現(xiàn)出顯著的年變化，在所有MLT內(nèi)東向電激流在夏季電流強(qiáng)度增加，在冬季電流減少.西向電激流也有明顯的年變化，并且對(duì)MLT有很強(qiáng)的依賴(lài)性，在04—18 MLT內(nèi)西向電激流夏季強(qiáng)于冬季，而在18—24 MLT內(nèi)西向電激流在冬季強(qiáng)于夏季，00—04 MLT的年變化特征不明顯.

圖4(e，f)給出東向和西向電激流的半年變化.在幾乎所有MLT內(nèi)東向電激流都在兩至點(diǎn)季節(jié)附近最強(qiáng)，在兩分點(diǎn)季節(jié)附近最弱，22 MLT附近電流的強(qiáng)度較弱.而西向電激流的半年變化與MLT密切相關(guān)，在04—20 MLT，西向電流的峰值都發(fā)生在冬夏季，而在子夜前后(20—04 MLT)峰值發(fā)生在春秋季.南半球的結(jié)果與北半球基本類(lèi)似(圖形沒(méi)有給出).

3 討論

3.1 電離層電導(dǎo)率的影響

由以上觀測(cè)可以看出，白天時(shí)段太陽(yáng)天頂角對(duì)東、西向電激流強(qiáng)度的影響相同，SZA值越小(太陽(yáng)輻射引起的電離層電導(dǎo)率越大)，極光電激流越強(qiáng)，這與Ohtani等(2019)的研究結(jié)果相吻合.但夜間東向電激流基本不隨SZA變化.西向電激流與SZA變化趨勢(shì)相同，SZA值越大，西向電激流越強(qiáng)，這與Ohtani等(2019)的研究結(jié)果存在差異.

夜晚時(shí)段的西向電激流受亞暴過(guò)程的影響.亞暴期間有兩個(gè)機(jī)制會(huì)導(dǎo)致西向電激流的增強(qiáng)，其一是對(duì)流電場(chǎng)增大，導(dǎo)致晨側(cè)西向電激流和昏側(cè)東向電激流的增大，與太陽(yáng)風(fēng)-磁層耦合的直接驅(qū)動(dòng)過(guò)程有關(guān)；其二是極光粒子沉降導(dǎo)致電離層電導(dǎo)率的增強(qiáng)，使子夜西向電激流增強(qiáng)，與太陽(yáng)風(fēng)磁層耦合的卸載過(guò)程相關(guān)(Kamide and Nakamura, 1996; Kamide and Kokubun, 1996).亞暴發(fā)生時(shí)，越尾電流片中斷，形成場(chǎng)向電流，在子夜后沿磁力線(xiàn)流入電離層，子夜前又流回磁層.在電離層中，場(chǎng)向電流通過(guò)西向電激流形成閉合回路 (Lui, 1996; 徐文耀, 2009).由于亞暴在沒(méi)有陽(yáng)光照射的情形下發(fā)生得更頻繁，從而導(dǎo)致亞暴粒子沉降越強(qiáng)烈(Newell et al., 1996; Wang et al., 2005b; Liou et al., 2001)，所以較強(qiáng)的西向電激流往往發(fā)生在較大的SZA期.

Ohtani等(2019)認(rèn)為當(dāng)SZA和DTA絕對(duì)值較低時(shí)，西向極光電激流增強(qiáng).本文的研究結(jié)果表明，在北半球，白天時(shí)段，極光電激流的強(qiáng)度隨DTA正值的增大而增強(qiáng)；夜晚時(shí)段，DTA正值的增大導(dǎo)致東向電激流增強(qiáng)，西向電激流減弱.南半球與北半球的變化正好相反.我們注意到，當(dāng)DTA正值較大時(shí)，北半球處于夏季，電離層日照電導(dǎo)率較高，而當(dāng)DTA負(fù)值較大時(shí)，南半球處于夏季.因此南北半球的極光電激流實(shí)際上受控于電離層電導(dǎo)率，與DTA的相關(guān)性不大.我們與Ohtani等(2019)的結(jié)果不一致的主要原因應(yīng)該是，他們使用的是地面單站的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，而我們使用的是衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，因此可以更準(zhǔn)確地探測(cè)出電流的峰值區(qū)域.

3.2 季節(jié)變化

本文研究了所有地方時(shí)扇區(qū)極光電激流的季節(jié)變化，結(jié)果表明，各地方時(shí)扇區(qū)東向電激流和04—18 MLT扇區(qū)內(nèi)的西向電激流均表現(xiàn)為夏季強(qiáng)于冬季，這與夏季日照更強(qiáng)，電離層日照電導(dǎo)率更大有關(guān)(Lyatsky et al., 2001; Wang et al., 2005a; Ohtani et al., 2019).但是，在18—04 MLT中，西向電激流冬季強(qiáng)于夏季，這應(yīng)歸因于亞暴過(guò)程.如3.1節(jié)所述，在亞暴期間，強(qiáng)西向電激流更易發(fā)生.Guo等(2014b)發(fā)現(xiàn)，在03—06 MLT扇區(qū)，西向電激流在夏季比冬季強(qiáng)，主要是受太陽(yáng)輻射的影響，這與本文的結(jié)論基本相符.Guo等(2014b)認(rèn)為，22—01 MLT時(shí)段，西向電激流在冬季比夏季強(qiáng)，并強(qiáng)調(diào)對(duì)流電場(chǎng)在冬季占主導(dǎo)地位，我們認(rèn)為這主要是由于亞暴過(guò)程的影響.Guo等(2014b)發(fā)現(xiàn)01—03 MLT期間西向電激流的年變化較小，這也與本文的研究結(jié)果相吻合.

太陽(yáng)輻射導(dǎo)致的電離層電導(dǎo)率的峰值位于12 MLT，但是圖4a中東向電激流的峰值卻位于11—18 MLT，這應(yīng)該是受對(duì)流電場(chǎng)的影響.根據(jù)Ahn等(1999)的研究，北向和南向?qū)α麟妶?chǎng)的峰值分別位于19—20 MLT和04—05MLT，北向?qū)α麟妶?chǎng)主要影響東向電激流，所以導(dǎo)致東向電激流的峰值時(shí)間向傍晚偏移.由于衛(wèi)星沒(méi)有電場(chǎng)的數(shù)據(jù)，本文無(wú)法討論對(duì)流電場(chǎng)對(duì)極光電激流的影響，今后將結(jié)合其他衛(wèi)星或者地面的數(shù)據(jù)開(kāi)展更為細(xì)致深入的研究.

東向電激流半年變化的峰值出現(xiàn)在夏季和冬季，夏季的高電流強(qiáng)度主要是由太陽(yáng)輻射引起的較強(qiáng)電離層電導(dǎo)率所導(dǎo)致，而冬季的高電流強(qiáng)度則是由于亞暴極光粒子沉降引起的.Newell等(2010)指出，白天時(shí)段粒子沉降在夏季達(dá)到峰值，夜晚時(shí)段在冬季達(dá)到峰值，沉降粒子導(dǎo)致電離層電導(dǎo)率增加.這說(shuō)明太陽(yáng)輻射和沉降粒子共同作用，使兩至點(diǎn)的東向電激流增強(qiáng).

西向電激流的半年變化有明顯的地方時(shí)差異.在04—20 MLT時(shí)段西向電激流在兩至點(diǎn)最強(qiáng)，與東向電激流相同，應(yīng)該來(lái)自太陽(yáng)輻射和沉降粒子的共同影響.而在夜晚時(shí)段(20—04 MLT)西向電激流在兩分點(diǎn)最強(qiáng).已有研究發(fā)現(xiàn)地磁活動(dòng)在兩分點(diǎn)很強(qiáng)(Russell and McPherron, 1973; Lyatsky et al., 2001; Wang et al., 2005a; 徐文耀, 2009)，因此，較強(qiáng)的亞暴活動(dòng)會(huì)在兩分點(diǎn)產(chǎn)生較強(qiáng)的西向電激流.Guo等(2014b)認(rèn)為22—06 MLT西向電激流的半年變化峰值均出現(xiàn)在兩分點(diǎn)，而我們發(fā)現(xiàn)04—06 MLT西向電激流的峰值位于兩至點(diǎn).這些研究結(jié)果的差異應(yīng)與所使用的數(shù)據(jù)不同有關(guān).Guo等(2014b)使用了北歐地磁臺(tái)站的數(shù)據(jù)，而我們則使用了衛(wèi)星的數(shù)據(jù).此外，Guo等(2014b)僅對(duì)22—06 MLT(12—22 MLT)時(shí)段內(nèi)的極光電激流的季節(jié)變化進(jìn)行了研究，而我們采用CHAMP衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)所有地方時(shí)的極光電激流的季節(jié)變化進(jìn)行了研究，得出了較為全面的季節(jié)特征.

3.3 極光電激流與極光活動(dòng)指數(shù)的對(duì)比

這節(jié)我們將對(duì)CHAMP衛(wèi)星極光電激流和極光活動(dòng)指數(shù)的季節(jié)和世界時(shí)(Universal Time, UT)分布進(jìn)行對(duì)比分析.圖5顯示了北半球東、西向電激流強(qiáng)度與AU/AL指數(shù)、SMU/SML指數(shù)的季節(jié)和世界時(shí)分布情況.本文選取了06—18 MLT內(nèi)的東向電激流、AU指數(shù)和SMU指數(shù)，以及18—06 MLT內(nèi)的西向電激流、AL指數(shù)和SML指數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.如圖5所示，CHAMP衛(wèi)星的東向電激流在夏季的08—22 UT達(dá)到峰值，隨著冬季的臨近，東向電激流強(qiáng)度逐漸減弱.AU指數(shù)的峰值則主要出現(xiàn)在02—13 UT和19—21 UT，最大值也出現(xiàn)在夏季.SMU指數(shù)在夏季的10—22 UT達(dá)到峰值.比較結(jié)果表明，東向電激流與SMU指數(shù)具有較高的一致性，而與AU指數(shù)有較大差別.AU指數(shù)在16 UT出現(xiàn)一個(gè)較小值，這是AE臺(tái)站位置分布不均造成的.東向電激流、AU指數(shù)和SMU指數(shù)均在夏季達(dá)到峰值，這與夏季電離層電導(dǎo)率增加有關(guān).

圖5 北半球極光電激流與極光活動(dòng)指數(shù)的季節(jié)和世界時(shí)分布(a)和(b)是極光電激流，(c)和(d)表示AU和AL指數(shù)；(e)和(f)表示SMU和SML指數(shù).Fig.5 Seasonal and universal time variations of auroral electrojet and auroral electrojet indices(a) and (b) represent auroral electrojet, (c) AU, (d) AL, (e) SMU, (f) SML.

CHAMP衛(wèi)星的西向電激流的峰值主要分布在兩分點(diǎn)季節(jié)：4—6月的22—09 UT 和8—11月的04—14 UT.AL指數(shù)的峰值主要分布在3—6月的05—13 UT和9—12月的08—14 UT.SML指數(shù)的峰值出現(xiàn)在3—6月的05—12 UT和8—11月的06—14 UT.結(jié)果表明，西向電激流與AL指數(shù)和SML指數(shù)具有較好的一致性.西向電激流、AL指數(shù)和SML指數(shù)在兩分點(diǎn)達(dá)到高峰，主要與這一時(shí)期亞暴發(fā)生的頻繁增加有關(guān).極光電激流和SuperMAG極光活動(dòng)指數(shù)的一致性給出了一種新的思路，即可以利用低軌衛(wèi)星的本地測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)極光活動(dòng)進(jìn)行表征.

Singh等(2013)研究了1997年至2009年的AU、AL、SMU及SML指數(shù)的UT和季節(jié)變化，其中AU指數(shù)、SMU指數(shù)及SML指數(shù)的分布與本文的結(jié)果基本一致，但AL指數(shù)的分布差異較明顯.Singh等(2013)發(fā)現(xiàn)AL指數(shù)的最大值出現(xiàn)在08—20 UT，而本文發(fā)現(xiàn)AL指數(shù)在05—14 UT達(dá)到最大值.顯然，我們對(duì)AL指數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與西向電激流以及SML指數(shù)的分布一致性更好，這是因?yàn)镾ingh等(2013)使用的數(shù)據(jù)來(lái)自所有地方時(shí)，而我們只選取了西向電激流占主導(dǎo)地位的18—06 MLT扇區(qū)，因此，三者之間具有較高的一致性.

為了進(jìn)一步探討AU指數(shù)與CHAMP衛(wèi)星的東向電激流的UT變化不一致的原因，圖6給出CHAMP衛(wèi)星的極光電激流事件數(shù)隨地磁緯度的分布情況.北半球東向電激流事件主要發(fā)生在74° MLat，而AE臺(tái)站所在的62°～70° MLat范圍內(nèi)的東向電激流事件數(shù)僅占了總事件數(shù)的18.7%，因此AU指數(shù)并不能精確地表示東向電激流的峰值強(qiáng)度.北半球西向電激流事件主要發(fā)生在68.5° MLat附近，72.2%的西向電激流事件發(fā)生在AE臺(tái)站緯度范圍內(nèi)，所以AL指數(shù)與西向電激流具有較高的一致性.SME指數(shù)是由廣泛分布在55°～87° MLat的100多個(gè)地磁臺(tái)站測(cè)量得到的，涵蓋了東向和西向電激流事件數(shù)分布的緯度范圍，所以SME指數(shù)與極光電激流具有較高的一致性.Ohtani等(2019)所使用的IMAGE地磁臺(tái)站主要位于63.8°～71.5° MLat，從圖6還可以推斷，這些地磁臺(tái)站無(wú)法探測(cè)到某些極光電激流的中心，尤其是西向電激流.因此，本文的研究結(jié)果與Ohtani等(2019)的結(jié)論存在較大差異.圖6中南半球日側(cè)東向電激流的峰值所在磁緯度的范圍比北半球窄，北半球東向電激流出現(xiàn)兩個(gè)明顯的峰值，一個(gè)在74°附近，另一個(gè)在80°附近，但南半球只有一個(gè)明顯的峰值，位于74°附近，其主要原因是南半球地理軸與地磁軸的夾角大于北半球.而在夜側(cè)南北半球西向電激流的緯度分布差別不大,峰值主要出現(xiàn)在70°附近，這表明地理軸與地磁軸的夾角主要影響白天側(cè)極光電激流的空間分布，而對(duì)夜側(cè)極光電激流的影響不明顯.

圖6 東向電激流(06—18 MLT)和西向電激流(18—06 MLT)的事件數(shù)隨MLat的分布(a) 06—18 MLT的東向電激流; (b) 18—06 MLT的西向電激流.藍(lán)線(xiàn)代表北半球的極光電激流，紅線(xiàn)代表南半球的極光電激流，星號(hào)代表12個(gè)AE臺(tái)站的MLat位置.Fig.6 Event number of the eastward electrojet (06—18 MLT) and westward electrojet (18—06 MLT) as a function of magnetic latitude(a) and (b) are eastward electrojet (06—18 MLT) and westward electrojet (18—06 MLT) in the Northern and Southern Hemisphere. The blue line represents the auroral electrojet in the Northern Hemisphere, and the red line represents the auroral electrojet in the Southern Hemisphere, and the asterisks represent the magnetic latitude of 12 AE stations.

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)CHAMP衛(wèi)星高精度的標(biāo)量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)反演得出極光電激流，并據(jù)此研究了不同地方時(shí)扇區(qū)的日照和地球偶極傾角對(duì)極光電激流密度的影響，分析了極光電激流密度隨季節(jié)和地方時(shí)的變化特征，并與極光活動(dòng)指數(shù)的季節(jié)和世界時(shí)變化進(jìn)行了比較.主要發(fā)現(xiàn)總結(jié)如下：

(1)白天時(shí)段極光電激流密度主要受太陽(yáng)輻射的控制，當(dāng)太陽(yáng)天頂角(SZA)較小時(shí)，極光電激流較強(qiáng).而夜間較強(qiáng)的極光電激流傾向于在較大的SZA中發(fā)生，這主要是由于亞暴的影響，亞暴在無(wú)日照條件下發(fā)生得更頻繁.地球偶極傾角對(duì)極光電激流的影響不大.

(2)東向電激流密度夏季比冬季大，其來(lái)源是太陽(yáng)輻射.太陽(yáng)輻射和亞暴沉降粒子的共同作用，使東向電激流在兩至點(diǎn)增強(qiáng).在04—18 MLT，夏季西向電激流明顯強(qiáng)于冬季，而在18—04 MLT，冬季西向電激流明顯強(qiáng)于夏季，這與亞暴過(guò)程有關(guān).在07—19 MLT中，西向電激流在兩至點(diǎn)增強(qiáng)，而在19—07 MLT中，西向電激流在兩分點(diǎn)增強(qiáng)，這是太陽(yáng)輻射和亞暴的共同作用導(dǎo)致的.

(3)衛(wèi)星測(cè)量的西向電激流與AL、SML指數(shù)相關(guān)性較好.東向電激流與SMU指數(shù)相似，但與AU指數(shù)有較大差異，這可能是由于東向電激流峰值位于AE臺(tái)站的探測(cè)范圍之外.

致謝感謝德國(guó)地學(xué)研究中心提供的CAHMP衛(wèi)星磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可從網(wǎng)站http:∥doi.org/10.5880/GFZ.2.3.2019.004.獲取.感謝J. W. Gjerloev和P. T. Newell提供的SME指數(shù).感謝OMNI網(wǎng)站(https:∥omniweb.gsfc.nasa.gov)提供的太陽(yáng)風(fēng)行星際磁場(chǎng)和AE地磁活動(dòng)指數(shù).感謝國(guó)家自然科學(xué)基金(41974182)和中央高校基本科研專(zhuān)項(xiàng)基金(2042021kf0208)資助.