极隙区纬度Pc1-2波的统计分布特征

邱奕婷 刘勇华 赵浩峰

（1南京信息工程大学，江苏 南京210044；2中国极地研究中心，上海200136）

0 引言

相较于中低纬度，在高纬地区尤其是在极隙区附近，超低频（ULF）波，也称地磁脉动或地磁微脉动，非常活跃。这些波动事件的发生往往与当时的磁层活动情况，如极区磁暴、亚暴、极光、磁层内带电粒子的能量通量变化，以及太阳风特性和太阳活动等一系列相关现象有密切关系。研究极区超低频波现象可以获得极区空间电磁环境的大量信息，对进一步研究磁层物理和极地空间环境有重要价值。

超低频波的一个重要分支是Pc1-2波（0.1—5 Hz）。这是一种电磁离子回旋波，由离子回旋不稳定性激发，其频率接近离子回旋频率［1-2］。在地面，尤其是在高纬极隙区观测到的Pc1-2波具有丰富形态，根据是否出现重复的珠型结构可将Pc1-2波分为结构型和非结构型两种［3-5］。有研究显示，结构型Pc1-2波常在中低纬出现，而非结构型Pc1-2波则主要出现在高纬地区［3，6-9］。

尽管在地球磁层的闭合磁力线上观测到许多Pc1-2波，它们由从磁尾向日对流的环电流或等离子体片离子驱动，但一些高纬观测台站的观测结果显示 Pc1-2波或与极隙区有关［4，10-13］。Bolshakova等［14］利用在63°—85°地磁纬度范围的 6个地面台站的数据进行统计，结果表明当极隙区的赤道向边界非常接近观测点的时候，Pc1-2波的发生率有最大值。此时的场线是穿过磁鞘和极隙区的，于是他们推测Pc1-2波在日侧的磁鞘区域产生。

虽然国外一些学者对Pc1-2波的季节、磁地方时、频率和振幅变化已经做过相关研究，如Kuwashima等统计了1977—1979年南极低纬和高纬两个台站Memambetsu和Syowa的Pc1波事件，发现在高纬台站Pc1波集中发生在日侧，且在磁中午（～13 MLT）向后1 h左右有最大值，它最常被观测到的时候为春秋季，Syowa站Pc1波的平均频率峰值在0.3—0.4 Hz左右，但是文中并没有涉及振幅随磁地方时和季节的变化情况。Anderson等对1990年南极点站（South Pole）和麦克默多站 （McMurdo）以及1988年麦克默多站和Sondrestromfjord的磁流体（HM）哨声（Pc1-2波的一种）数据进行了研究，结果显示这3个高纬台站的磁流体哨声也明显地发生在日侧靠近磁中午的时候，不过由于数据的不完整或缺失，他们从可用的数据中统计发现磁流体哨声发生率在2、3月份有最大值，同时他们也并没有研究Pc1-2波的频率和振幅变化情况［15-16］。

中国南极中山站（69.37°S，76.38°E）的建立为我们研究高纬地区地磁与高空大气物理创造了极好的条件，它与澳大利亚南极戴维斯站（68.58°S，77.97°E）的直线距离约120 km，同位于磁层极隙区纬度，两站均安装了相同的感应式磁力计，可组成短基线研究空间ULF波，数据记录在磁盘，精度可达1 ms［17］。

目前，国内关于中山站Pc1-2波的传播特性的相关研究，尤其是频率和振幅方面的研究非常少。这里我们利用动态谱和互谱分析方法，分析南极中山站和戴维斯站观测的感应式磁力计数据，研究Pc1-2波的特性包括其频次、振幅和频率等波参数的时空变化特征，可以进一步深入了解极隙区纬度Pc1-2波的传播特性。

1 数据及分析方法

我们选取南极中山站和戴维斯站2004年3、6、9和12月共4个月观测的感应式磁力计数据（数据分别来自中国第20次南极科学考察队和澳大利亚南极考察队）分析Pc1-2波现象。文中数据处理包括数据的格式转化和谱分析。两站的感应式磁力计输出为二进制文件，包括南北（H）和东西（D）两个分量，可通过软件编程将其转换为ASCII码文件。完成格式转换后，采用256点汉宁窗函数，对数据进行动态谱分析来选择Pc1-2波事件（图1），当动态谱图中0.1—5 Hz频带信号明显增强且持续30 min以上时，就初步判断为有效Pc1-2波事件发生了，且所选事件为两站同时发生的事件。事实上，对比两站的Pc1-2波事件之后我们发现Pc1-2波在两站都能被同时观测到。然后对相应的时间段数据进行互谱分析，将频率设定在0.1—5 Hz，当最大振幅大于3倍的背景平均振幅值，且最大振幅大于0.01 nT2Hz时，就获得一个有效的波事件。

图1 中山站（a）和戴维斯站（b）2004年3月9日10：45—14：45 UT的Pc1-2波动态谱：H分量（上帧）和D分量（下帧）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）

图1是2004年3月9日10：45—14：45 UT南极中山站和戴维斯站观测的Pc1-2波的动态谱。从图中可以看出在该事件中波的频率范围在0.1—0.35 Hz之间，属于Pc1-2波，且该事件持续了近4小时左右。观察所有波事件的动态谱（文中以3月9日的波事件为例）可发现图中动态谱并没有表现出“珠型”结构，也印证了在高纬地区出现的主要为非结构型Pc1-2波。

图2为以 2004年 3月9日10：45—10：51 UT为例的两站波事件原始数据记录和相应的经滤波处理后的波形。从图中也可看出，两站的数据波形非常相似，滤波后波形周期在4—6 s左右，处在Pc1-2波的频段范围（0.2—10 s）。

图2 中山站（a）和戴维斯站（b）感应式磁力计数据：H分量原始记录（第1帧，从上到下）、滤波后的H分量（第2帧）、D分量原始记录（第3帧）和滤波后的D分量（第4帧）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

我们选择互谱振幅最大值对应频率为在两站传播的波动的最相关频率即中心频率，对应的互谱相位为该频率波动在两站之间传播的相位差［18］。

最后，统计事件的频率和振幅的季节变化和磁地方时变化特征，将各天相同时段内的波事件的中心频率和最大互谱振幅求平均值并按磁地方时排列，就得到了在两站传播的Pc1-2波的频率和振幅日变化。将每个月内波事件的中心频率和振幅求平均值并按季节顺序排列则得到了Pc1-2波的频率和振幅季节变化。

2 结果和分析

对南极中山站和戴维斯站2004年3、6、9和12月的感应式磁力计数据做上述处理后，共筛选获得2 932个Pc1-2波事件，并获得Pc1-2波的发生频次、中心频率和振幅的季节和磁地方时变化特征。

2.1 Pc1-2波频次的季节和磁地方时变化

图3（a）为这4个月的Pc1-2波事件的发生频次统计，从图中明显可以看出在中山站-戴维斯站地区Pc1-2波发生频次表现出显著的季节变化。其中，在3月和9月观测的波事件较多，分别观测到1 506和768个事件，各占51.4%和26.2%；12月次之，为 546个，占 18.6%；6月最少，为 112个，占3.8%。

图3（b）给出了这4个月的Pc1-2波事件的磁地方时变化统计。在南极中山站和戴维斯站，磁地方时MLT≈UT＋2 h。从图中可以看出，在中山站和戴维斯站，Pc1-2波一般分布在0400—1500 UT这个范围，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侧 （0400—0700 UT）和午后 （1100—1500 UT）。

2.2 Pc1-2波频率的季节和磁地方时变化

图4为Pc1-2波的平均中心频率的季节变化和磁地方时变化分布。从这些结果可以看出，Pc1-2波在6月（南极冬季）的平均中心频率最大，且在午后靠近磁中午附近的平均中心频率比午前的大。

Y1的模型回归方程为：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波振幅的季节和磁地方时变化

图5为Pc1-2波的振幅季节变化和磁地方时变化分布。从这些结果可以看出，Pc1-2波的平均振幅在6月份最小，在10 MLT（0800 UT）出现最大值。

图3 2004年Pc1-2波事件发生频次的季节变化（左帧）和磁地方时变化（右帧）Fig.3.The variation of the Pc1-2 waves occurrencewith respect to the season（leftpanel）and themagnetic local time（rightpanel）in 2004

图4 Pc1-2波的平均中心频率季节变化（左帧）和磁地方时变化（右帧）分布Fig.4.The season（the left panel）and themagnetic local time（the right panel）variation of the average center frequency of the Pc1-2 waves

图5 Pc1-2波的振幅季节变化（左帧）和磁地方时变化（右帧）分布Fig.5.The season（the left panel）and themagnetic local time（the right panel）variation of the amplitude of the Pc1-2 waves

3 讨论

我们选取南极中山站和戴维斯站在2004年3、6、9和12月同时观测的感应式磁力计数据，分别考察极隙区纬度Pc1-2波在南极秋、冬、春、夏四季的活动特征，获得了南极中山站-戴维斯站地区Pc1-2波发生频次、波频率和振幅的季节和地方时变化。

图3左帧示出的Pc1-2波的季节分布特征，有两个明显的特点，一是南极冬季（6月）Pc1-2波的发生率很低，仅为3.8%，二是春秋季发生率高，分别达51.4%和26.2%，两者相加达77.6%。这些结果与Kuwashima等［18］的结论一致，他们通过地面观测也得出Pc1-2波事件在高纬地区春秋季出现频率较高，认为出现这种现象的原因可能与电离层电导率的变化有关，6月份南极缺少光照，电离程度低，电离层电导率小，不利于Pc1-2波的传播［15］，故Pc1-2波事件在6月份较少。Natsuo Sato等［19］对非结构型Pc1-2波在极光带地磁共轭台站的季节和日变化发生率特性也进行过研究，结果显示在地面台站观测到的非结构型Pc1-2波强烈地受到电离层顶日光效应的控制。在南北半球，光照可能会引起波从磁层通过电离层向地面传播的不对称性，在日光照射的半球，由于电离层电子密度的增加，会产生沿地磁场线的电子密度梯度，且在夏季电子密度梯度增加，从而为Pc1-2波的产生和传播创造条件。但是，这只能解释南极冬季比夏季观测的Pc1-2波少，而不能解释南极春秋季具有最高的Pc1-2波发生率，因为一般来说春秋季电离层的电导率会明显小于夏季。Pc1-2波主要发生在春秋季，这与地磁扰动在春秋季明显增加的特点一致，说明Pc1-2波的发生与磁层磁场扰动程度具有一定的相关性。一般认为，地磁扰动水平在春秋季增强，是由于地磁偶极轴对黄道面倾斜，磁层磁场与太阳风磁场的夹角随地球公转而变化，结果在春秋季节更加容易触发太阳风磁层之间的磁重联，导致磁层磁场扰动增加，此即所谓Russell-McPherron效应［20］。而地磁活动的半年变化与地球磁偶极轴倾角 （dipole tilt angle）有关，Ables等［21-22］对 2008年斯科特站 （Scott Base）和凯西站（Casey）的Pc1-2波数据进行了研究，他们的图1所示结果也说明了Pc1-2波在春秋季有最大发生率，且出现的时间在由地球磁偶极轴倾角引起的行星际磁场（IMF）的最大地磁效应附近，也就是Russell-McPherron效应的表现，地球磁偶极轴倾角在春秋季比在冬夏季要小，这再一次说明了日侧磁重联对Pc1-2波产生机制的重要性。Feygin和Kerttula等［23-24］对 Pc1-2波的研究中也指出，Pc1波的动态变化很可能是由与地磁活动的发展相关的波动源区位置的径向发展造成的。

另一方面，根据图3右帧所示结果，Pc1-2波发生率在磁中午附近呈现峰值，这可能是由于在磁中午两站正处于软电子沉降区，电离层的电导率大，有利于Pc1-2波的传播，从而使Pc1-2波在靠近磁中午附近发生较多［25］。我们注意到，在中山站地区观测的Pc1-2波，主要发生在日侧，在夜侧基本消失。这可能与我们选取波事件的要求有关，即波动持续30 min及以上，从而使得我们获得的Pc1-2波事件非常典型。这可能排除了夜侧与磁暴、亚暴活动有关的Pc1-2波事件。这些长时间持续发生的Pc1-2波主要发生在日侧，尤其是磁中午附近，表明其源区在磁中午附近。中山站地处极隙区纬度，L～14，靠近磁层顶。在白天，由于太阳风的压缩，外磁层沿磁力线的磁场强度分布已经不同于内磁层，其极小值已经远离赤道，在南北半球高纬区域形成了两个磁场极小值区域。该结构可以捕获能量离子，从而形成Pc1-2波的激发源区［26］，其中心位置就在磁中午附近。同时，日侧磁层容易受到太阳风的压缩，这会增加被压缩区域等离子体的温度各项异性，从而增加 Pc1-2波发生的机会［27］。

图4和图5显示，中山站-戴维斯站地区Pc1-2波的平均频率在冬季（6月）最大，而其平均振幅在冬季最小，这又是由于受到了电离层电导率的影响。如上所述，这些Pc1-2波起源于磁层尤其是磁中午附近。当它们向下传播到电离层时，将发生模式转换并继续在电离层峰值电子浓度附近形成的波导中水平传播［28-29］。受电离层波导结构的影响，Pc1-2波在电离层中传播时将受到最低截止频率限制，即波频率低于一定值时，Pc1-2波不能在电离层中传播［30］。而且，研究表明，该最低截止频率与电离层电子浓度成反比［31］。在南极中山站-戴维斯站地区，冬季处于极夜，缺少太阳光照射，电离层电子浓度低，电导率低，因而Pc1-2波的截止频率高，所以观测到的Pc1-2波平均频率高。

Kim等［32］对高纬电离层波导中Pc1-2波的传播特性进行了统计研究，他们指出Pc1-2波的频率变化在很大程度上依赖于电离层电导率，且波的能量衰减随着频率的增加而增加，因为波的能量衰减跟碰撞频率有关。这也就解释了在冬季Pc1-2波频率增加（图 4）而振幅减小（图 5）。同时，Yahnin等［33］在北半球Sodankyla的地面观测中也指出Pc1波的频率在夏季有最小值，这与本文图4的结论也是一致的，即在南半球中山站和戴维斯站Pc1-2波的频率在冬季有最大值。这是因为相对于较低频率，较高频率的波其波长变小，从而会更易受到波导的限制，因此波的传播对波导边界的尺度更敏感，而波导的物理尺度是受电离层的日照条件影响的。因此，冬季受日照影响小，Pc1-2波传播的频率要高于夏季的Pc1-2波频率。

4 结论

本文利用南极中山站和戴维斯站的感应式磁力计测得的2004年3、6、9、12月的数据，对极隙区纬度Pc1-2波事件进行了统计分析，经筛选，共得到2 932个事件。主要结果如下：

（1）在中山站和戴维斯站，Pc1-2波事件出现在3、9月较多，分别有1 506和768个，各占51.4%和26.2%；12月次之，为 546个，占 18.6%；6月最少，为112个，占3.8%；

（2）Pc1-2波主要出现在午前（0800—1000 UT）靠近磁中午附近，有部分事件出现在晨侧和午后；

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

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

这些结果表明，极隙区纬度的Pc1-2波在很大程度上受极区季节变化和电离层电导率的影响。

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