高纬极区电离层离子声波谱线增强事件的研究

薛 昆 许正文 吴 健 张雅彬 徐 彬 赵海生 马征征 谢守志

高纬极区电离层离子声波谱线增强事件的研究

薛 昆 许正文 吴 健 张雅彬 徐 彬 赵海生 马征征 谢守志

（中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术国家重点实验室，山东青岛266107）

通过对子午扫描光度计以及欧洲斯瓦尔巴特群岛非相干散射雷达2004年1月22日的数据分析，发现非相干散射谱中出现的离子声波谱线增强发生在红色极光散射的区域内或附近，光学数据表明红色极光散射强度范围为4～32kR，而在发生离子声波谱线的自然增强现象时红色极光散射强度水平高于15kR.因此，极光粒子沉降与离子声波谱线增强具有一定的相关性.基于场向电流不稳定性模型，对发生离子声波谱线增强的雷达数据进行了分析，反演得到的场向电流量级达到了mAm－2量级.进一步采用修正的场向电流不稳定解释离子声波谱线时，由于场向热流的引入，反演得到的场向电流会变的更大.

离子声波谱线的自然增强；场向电流密度；非相干散射谱；非相干散射雷达

Key wordsnaturally enhanced ion acoustic lines；field－aligned current density；incoherent scatter spectra；inchohrent scatter radar

引 言

利用非相干散射雷达对高纬极区电离层进行探测时，雷达接收到的功率谱在离子声波频率处经常出现增强的现象，比如出现离子声波谱线的上谱峰、下谱峰或者上下谱峰同时增强，这种现象称为离子声波谱线的自然增强（Naturally Enhanced Ion Acoustic Lines，NEIAL）.根据非相干散射雷达的观测结果，可以看出，发生NEIAL时离子谱线的强度要比正常情况下高出2～3个量级.在非相干散射雷达观测数据中发现自然离子声波谱线增强的现象20多年了，许多的研究者对其进行了研究与讨论，提出了不同的机理解释与说明，但是到目前为止仍然存在争议.

早在1988年，Foster等利用位于美国马萨诸塞州（磁纬55°）的Millstone Hill雷达（440MHz）第一次观测到了NEIAL现象［1］.随后1991年Collis和Rietveld等人在极光区利用欧洲非相干散射联合会（European Incoherent Scatter，EISCAT）位于挪威特罗姆瑟（磁纬66°）的超高频和甚高频雷达（224 MHz，930MHz）也观测到了该现象，并且Collis等指出该离子声波谱线增强的现象与强红极光弧的边缘具有一定的相关性.而Rietveld等指出软电子的场向流动在电离层中形成电场导致产生的热电子的漂移引起了等离子体的不稳定性［2－3］.另外，Wahlund等人则认为离子声波谱线增强现象与等离子体的外流以及极区粒子沉降具有很强的相关性［4］.Sedgemore等在离子声波谱线增强的时候，利用极光光度扫描仪在极尖／极隙区，观测到了向极区运动的极光瞬时现象，顶部的电子离子温度比大约是3［5］.Blixt等在发生离子声波谱线增强时的向阳面极尖／极隙区发现了非常活跃的极光［6］.此外，在以上的所有事件中，利用光学数据都得到了红色极光散射.StrØmme等指出由于低能电子束（8～80 eV）的存在使得离子线谱和等离子体线谱同时出现了增强［7］.2007年，Lunde等人的研究表明，高能粒子沉降对于产生NEIAL现象起着很重要的作用［8］.2008年Sullivan等人的研究结果表明，NEIAL现象的发生与低能（100eV）光学散射的直接关系是和低能电子流驱动的朗谬尔参量衰减理论解释NEIAL一致［9］.

目前用于解释NEIAL现象的理论主要分为以下三种：

1）电流驱动的不稳定性.所谓的电流驱动的不稳定性，是由于热电子的漂移引起了离子声波的不稳定性.它需要量级约为1mAm－2的场向电流密度，这么强的电流密度是由于沉降粒子引起的平行电场或者水平电导率引起的［1－2］.

2）离子－离子双流不稳定性.这种不稳定性的发生是由于两种离子成分的相对漂移而引起的.Wahlund最早提出了采用离子－离子双流不稳定性的理论来解释离子声波谱线增强的现象［4］.

3）朗缪尔波的参量衰减.离子声波与高频朗缪尔（等离子体）波通过准线性波耦合产生了朗缪尔波参量衰减，从而导致离子声波起伏增强［7］.沉降的电子可能导致朗缪尔波的增强，进而激发波－波相互作用.因此，只要粒子束参数选择合适，那么粒子驱动的朗缪尔波的参量衰减就能够使得离子声波谱线的上谱峰、下谱峰或者同时出现增强.

本文给出了利用EISCAT位于Longyearbyen（78.150°N，16.030°E）的Svalbard雷达（EISCAT Svalbard Radar，ESR）在2004年1月22日观测到的NEIAL事件，ESR是一个500MHz的单站非相干散射雷达，其发射的峰值功率约为1MW，同时具有25%的占空比.这套雷达系统由两个抛物线天线组成，直径分别为32m和42m.我们选取ESR雷达在世界时（Universal Time，UT）08：00－10：00时间内的雷达观测数据，发现在这个时间段雷达观测数据出现了多次NEIAL现象.同时Longyearbyen当地的地磁指数K大约为5，在午夜过后达到了最大值7.表明在观测时段内发生了中等强度的磁暴.这可能与2天前发生的日冕物质抛射事件有关.同样通过Dst指数也证明了这一点.这和1996年Rietveld对观测的5 000小时数据统计分析很一致，他指出在发生NEIAL现象时K指数一般都是大于或者等于4［10］.

1 光学与非相干散射雷达的观测结果

1.1子午扫描光度计

利用位于Longyearbyen站的子午扫描光度计（Meridian Scanning Photometer，MSP）从另一方面给出了极光的观测结果，该观测站点距离非相干散射雷达站约7km左右.

图1给出了2004年1月22日Longyearbyen的MSP从UT00：40至10：15期间的观测结果，摘自网站http：／／photon.gi.alaska.edu／～msparc／lyrarchive.html，从上到下依次为486.1nm［Balmer Hβ］，557.7nm［OI］，427.8nm［1NG］和630.0nm［OI］散射谱线.图中给出的是南北向的极光活动，0°表示水平方向地磁北向，90°表示地磁天顶方向，180°表示水平方向地磁南向，强度是以颜色来表示的，单位为瑞利（Rayleighs，R）.由图1可以看出：大约UT01：45开始MSP得到的所有谱线均出现了增强现象，此时观测点的位置位于统计上的极盖区域内，这种活跃性一直持续了1.5h；大约UT03：00时刻开始出现向赤道方向的减弱；而在UT06：00时刻以后，在记录点往南又重新出现了增强.

图1 从北向南MSP的极光散射测量结果

1.2非相干散射雷达的观测结果

本文使用的数据是利用EISCAT位于斯瓦尔巴德岛的ESR雷达的42m天线得到的，其方位角为182.1°，仰角为81.6°.观测距离在78～1 250km之间.积分时间为6.4s.

通过对雷达数据的分析表明，在UT08：50－10：00时间内确认总共发生了68次NEIAL事件，UT08：53第一次观测到了NEIAL事件，最后一次出现NEIAL事件在UT09：55.

分析其中41次发生的中等离子声波谱线增强的事件，结果表明：9次离子声波左右两边的谱线强度同时出现了增强；28次离子声波左边的谱线强度增强大于右边；只有4次离子声波右边的谱线强度增强大于左边.这和Rietveld得到的结果基本一致［10］.类似的，Blixt等的研究表明，NEIAL事件常常发生在500km以上的高度［6］.Forme等人利用甚高频雷达的观测结果发现NEIAL事件发生在800km高度［11］.

图2 UT09：10－09：55不同时刻离子声波谱线强度随高度和频率变化的剖面图

图2 给出了一个发生离子声波谱线增强最明显的事例.从顶部的两幅图可以看出离子声波谱线强度出现了明显的不对称现象.较低的高度上，离子声波右边的谱线强度明显强于左边，而在较高的高度上，离子声波左边的谱线强度强于右边.

图3给出了电子密度、电子温度、离子温度、离子漂移速度以及Longyearbyen的MSP的630.0 nm［OI］散射强度随时间和高度变化的剖面图.在发生NEIAL的时间内，图3（a）给出的电子密度在整个F层的高度上达到了1011～1012m－3.约UT 08：50开始，300km以上电子温度出现了增强，电子温度变得非常高，达到了4 000～5 000K.在经常出现NEIAL事件的600km高度处，电子温度大致从3 000K增大到了5 000K.而在没有发生NEIAL事件的400km以下的高度，电子温度只有约2 500～3 500K.具体参见图3（b）.

而在发生NEIAL事件的时间段内，离子温度的升高并不明显，在230～600km高度范围的区间内离子温度大约为2 000～3 000K左右，在没有发生NEIAL事件时，电子离子温度比约为1.7.而在NEIAL现象第一次发生UT08：53前后，离子温度的大小约为1 500～1 800K，此时电子离子温度的比值出现了明显的增加，达到了约2.5，这和Wahlund给出的发生离子声波谱线增强时的电离层参数值一致［12］.具体参见图3（c）.

图3（d）给出了离子漂移速度随高度和时间变化的剖面图（正值表示离开雷达），可以看出在发生NEIAL事件期间，在500km高度以上，向上的离子漂移速度达到了400m／s，这个观测结果和Wahlund等人的研究结果是一致的［12］.

图3（e）给出了MSP630nm红线极光散射强度增强以及向极向延伸的结果，出现增强的时间段与发生NEIAL事件是对应的，大约从UT08：50开始（摘自Lorentzen［13］）.

但是，需要指出的是，图3中所得到的物理参数都是通过EISCAT的GUISDAP程序包基于标准的麦克斯韦分布得到的.而在发生NEIAL事件时，由于电离层等离子体处于非平衡态，此时得到的结果可能会不准确.

图3 从上到下依次为电离层等离子体参数的剖面图及极光散射强度图

2 理论解释与NEIAL现象的反演研究

2.1NEIAL现象的理论解释

Collis等1991年的观测结果表明红色谱线的强度和NEIAL现象的发生之间存在着很明显的关联.通过对2004年的ESR雷达数据以及MSP数据的分析结果也证实了这一关系.MSP数据观测结果表明630nm红色极光散射强度变化从4～32 kR，在发生NEIAL事件的时间段内，MSP观测到的630nm的红色极光散射强度水平高于15kR.这和Collis等人给出的结论是一致的［2］.而高强度的630nm红色极光散射是发生低能电子沉降的一个显著标志，这样的沉降对于解释NEIAL现象是非常重要的.

通过对2004年1月22日ESR雷达的数据分析表明，在发生NEIAL现象时，电子和离子温度比出现了增强.这与Foster，Rietveld等研究是一致的［1，3］，在NEIAL期间发生的温度和电子密度增强的现象毫无疑问是粒子沉降的结果.

2.2NEIAL现象的反演研究

采用场向电流不稳定性来解释上述的离子声波谱线增强的现象.对于场向电流不稳定性可以通过下面的公式来描述.对麦克斯韦分布下的电子分布函数，考虑引入场向电流密度j‖后，此时一维的电子的分布函数可以表示为

考虑到实际发生电子沉降事件时，沿着地磁场的方向上，不仅可以引起场向电流，同时还会带来热流的贡献.因此，为了更加准确地描述发生电子沉降时电子的离子分布函数，引入场向热流项，对上述的场向电流不稳定性模型进行修正，得到的电子分布函数满足［11］

式中：f（b）＝ne（2π）－3／2β⊥（β‖）1／2exp（－β⊥c2e⊥／2－ β‖／2）为零阶的双麦克斯韦分布，β⊥＝mi／kBTe⊥，β‖＝me／kBTe‖，Te⊥＝Tn和Te‖＝Tn＋（me／kB）u2‖分别为垂直和平行于磁场的电子温度；Φe＝－β2‖／2neme（1－β‖c2e‖／3）qe‖.ce‖，ce＝ve－〈v〉为无规速度，qe‖＝neme〈c2e‖ce〉为平行磁场的热流矢量.由于电子分布函数可以表示成式（3）的形式，于是可以得到平行磁场的离子热流矢量项

沿着磁场方向电子的漂移速度为u‖e3，根据无规速度的定义有ce‖＝（ve－u‖）e3，而ce⊥＝v1e1＋ v2e2，其中v1，v2，v3分别是速度ve的三个分量.e3是平行于磁场的方向.对垂直于磁场方向的平面进行积分，可以得到沿着磁场方向的电子的分布函数为

利用GUISDAP程序包（基于标准的麦克斯韦分布）处理2004年1月22日发生离子声波谱线增强的实测数据，得到离子声波上谱线、下谱线或者上下谱线同时增强的现象.出现离子声波上谱线或下谱线增强时，上下两个谱线的峰值比范围约在2～20之间变化，而理论上的麦克斯韦分布得到的离子声波谱线却是对称的双峰谱线，这就表明理论和实测的谱线之间存在着很大的差异.因此，采用标准的麦克斯韦分布程序来处理发生离子声波谱线增强时的数据时会产生很大的误差，甚至错误.

采用场向电流不稳定性，认为离子速度分布函数满足麦克斯韦分布，而电子速度分布函数可以表示为式（1）或式（5），根据非相干散射理论计算得到离子声波谱线，并与发生离子声波谱线增强的雷达数据进行拟合，可以得到修正场向电流不稳定性模型下的场向电流密度值.

作为示例，选取2004年1月22日UT09：15：24时刻的数据进行研究，选取700～900km的电离层高度范围，图4（a）和（b）分别给出了利用场向电流不稳定性模型和修正场向电流不稳定性模型计算反演得到的场向电流密度.其中，小圆圈代表非相干散射雷达的实测数据，黑实线表示由模型理论计算得到的非相干散射谱线，各个高度上电子密度的取值由IRI2007模型给出，从图中可以看出，两种不稳定性模型反演得到的场向电流密度量级均为mAm－2，这和Collis等人获得的结果是一致的［2］.但是由于该修正模型中引入了场向热流项的贡献，而场向热流项的前面存在负号.因此同等条件下减弱了离子声波谱线的不对称性，进而得到的场向电流结果偏大.

下面分别对采用两种不稳定性模型反演的结果进行误差分析.采用反演的均方根误差表征反演结果的好坏.表1给出了UT09：15：24三个高度上反演结果的均方根误差.结果表明，采用修正的场向电流不稳定性模型反演结果优于场向电流不稳定性模型反演的结果.

图4 采用不稳定性模型反演得到的不同高度上的场向电流

表1 两种模型反演结果的均方根误差／（w·（kHz）－1）

3 结 论

本文利用子午扫描光度计对极光事件进行了分析研究，同时对同一时段的EISCAT的雷达数据进行了分析处理.通过对光学数据以及非相干散射雷达数据的研究分析，发现非相干散射谱中出现增强的离子声波谱线发生在红色极光散射的区域内或者附近，因此极光区粒子沉降与离子声波谱线增强存在着一定相关性.MSP数据观测结果表明红色极光散射强度变化从4～32kR，在观测到NEIAL现象时，红色极光散射强度水平高于15kR.这与Collis等人给出的结果是一致的.通过对相应时间段内ESR雷达数据的分析表明，在发生NEIAL现象的时间段，电子和离子温度比出现了增强.这和Foster，Rietveld等人以及Forme等人早期的研究是一致的.在NEIAL期间温度和电子密度的增强现象直接和软粒子沉降有关.另外，非相干散射谱线出现的不对称现象的一般特征是在较低的高度上，离子声波右边谱线强度增强得比较明显，而在较高的高度上，离子声波左边谱强度增强得较为明显.

最后，利用场向电流不稳定性理论反演得到的电流量级和前人得到的结果一致，达到了mAm－2量级.另外本文作为一种尝试，在现有的场向电流不稳定性模型的基础上，认为电子分布函数中不仅需要包含场向电流项，同时引入了场向热流项，这样的电子分布函数更符合实际情况.基于此对场向电流不稳定性模型进行修正，获得的修正场向电流不稳定性模型更符合实际过程.并采用修正的场向电流不稳定性模型对发生离子声波谱线增强的雷达数据进行了反演研究，由于场向热流的引入，反演得到的场向电流会变得更大.随后对两种模型下的反演结果进行了误差分析，结果表明采用修正的场向电流不稳定性模型反演结果优于场向电流不稳定性模型反演的结果.当然更深入细致的工作需要采用大量的实验数据进一步开展研究.

致谢：感谢EISCAT科学协会提供的雷达数据.

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Event of the enhanced ion acoustic line spectra in the high－latitude auroral ionosphere

XUE Kun XU Zhengwen WU Jian ZHANG Yabin XU Bin ZHAO Haisheng MA Zhengzheng XIE Shouzhi
（National Key Laboratory of Electromagnetic Environment，China Research Institute of Radiowave Propagation，Qingdao Shandong266107，China）

The data of meridian scanning photometer and EISCAT Svalbard Radar on Jan 22 2004are analyzed，and the results shows that naturally enhanced ion acoustic lines of incoherent scatter spectra in the vicinity of the red auroral forms.The meridian scanning photometer observations from Longyearbyen near ESR site shows red auroral emission from 4to 32kR.The value of the emission density is more than 15kR when naturally enhanced ion acoustic lines happen.There exists the good correlation of particle precipitation and naturally enhanced ion acoustic lines.According to the field－aligned current model，the data of the naturally enhanced ion acoustic lines are analyzed.The field－aligned current density are obtained by reversion，the magnitude of the values is to mAm－2.The values of the field－aligned current density become small based on the modified field－aligned current model due to introducing the term of the field－aligned heat flow.

TN 95

A

1005－0388（2015）02－0344－07

薛 昆（1981－），男，陕西人，博士，目前在中国电波传播研究所青岛分所工作，主要研究方向为电离层无线电探测技术及理论研究.

许正文（1971－），男，安徽人，研究员，中国电波传播研究所青岛分所重点实验室副主任，主要研究方向为电离层电波传播

吴 健（1962－），男，安徽人，研究员，博士研究生导师，主要研究方向为空间等离子体和尘埃等离子体.

薛 昆，许正文，吴 健，等.高纬极区电离层离子声波谱线增强事件的研究［J］.电波科学学报，2015，30（2）：344－350.

10.13443／j.cjors.2014041401

XUE Kun，XU Zhengwen，WU Jian，et al.Study on the event of the enhanced ion acoustic line spectra in the high－latitude auroral ionosphere［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：344－350.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014041401

2014－04－14

国家自然科学基金（No.41104108，41104102）

联系人：薛昆E－mail：xuekun22s＠163.com