地球环电流动力学过程研究

庄 雁，乐 超

北京大学 空间物理与应用技术研究所，北京 100871

0 引言

地球环电流是近地空间非常重要的电流体系，它的增强会造成地球表面磁场的整体减小.地球表面磁场的负偏扰被定义为Dst 指数，这是定义地球磁暴大小和空间天气情况最直接的指标.因此，研究地球内磁层环电流的动态变化有助于理解地球磁暴的产生和演化.环电流主要是由被捕获在赤道面区域2～7 个地球半径、能量从几keV 到几百keV的离子贡献的，主要包括氢离子（H+）、氦离子（He+）和氧离子（O+）.每种离子成分对环电流的贡献可以通过等离子体压强来量化.在平静时期，环电流压强主要由H+离子控制.然而，在地磁活跃时期，环电流增强，O+离子对环电流等离子体压强的贡献显著增加，有时甚至起主导作用（Forster et al.,2013; Claudepierre et al.,2016; Yue et al.,2018;2019a）.局地观测和模拟研究（Daglis et al.,1999;Fok et al.,2001; Denton et al.,2005; Ebihara et al.,2006; Yue et al.,2011; Claudepierre et al.,2016;Kistler et al.,2016）证实了来自地球电离层的O+离子在地磁活跃期对地球内磁层的等离子体压强有显著贡献.这种成分的变化可能影响粒子的多个动力学过程，如粒子的输运和电荷交换损失、电磁波的激发和传播、投掷角散射引起的环电流损失、磁层不稳定性以及磁层顶磁重联等（Fok et al.,1991;Summers et al.,2007; Yu et al.,2013a,2013b; Zhang et al.,2016,2020）.

众所周知，内磁层中的等离子体是由电场和磁场调控的.大尺度的电场，包括对流电场和共转电场，驱动带电粒子（离子和电子）向东漂移.电场漂移速度的大小与粒子能量无关，只与电场和磁场强度相关.同时，由于地球磁层中磁场的不均匀性，具有一定能量的粒子存在磁场的梯度和曲率漂移.磁漂方向与电荷的正负相关，离子向西漂移而电子向东漂移，并且漂移速度与粒子能量相关.一般来说，低能粒子的运动主要遵循电场漂移，而高能粒子主要遵循磁场漂移（Yue et al.,2017）.

地球内磁层的粒子主要从磁尾等离子体片注入或者直接从电离层进入内磁层（Chappell et al.,1987,2000,2008; Delcourt et al.,1992; Sheldon et al.,1998; Huddleston et al.,2005; Kronberg et al.,2014;Keika et al.,2016,2018; Gkioulidou et al.,2019; Yue et al.,2020）.在这些传输过程中，粒子可以通过大尺度对流电场的绝热输运或中尺度脉冲电场的非绝热加速以及波粒相互作用获得能量（Yang et al.,2011; Zhou et al.,2012; Zong et al.,2012; Keika et al.,2013），同时会造成环电流的增强（Yang et al.,2015,2016）.当地磁活动减弱时，这些粒子（特别是O+离子）由于库仑碰撞和与地冕的电荷交换（ Fok et al.,1991; Daglis et al.,1999）以及电磁离子回旋（EMIC）波引起的投掷角散射（Kennel and Petschek,1966; Jordanova et al.,1997; Meredith et al.,2003; Jordanova,2007; Shreedevi et al.,2021）或电流片散射（Sergeev and Tsyganenko,1982; Sergeev et al.,1983,1993; Donovan et al.,2003; Liang et al.,2014; Yue et al.,2014; Yu et al.2020）被损失，从而导致环电流衰减到平静期的水平.

本文主要介绍不同成分的离子，特别是氧离子对环电流的贡献.同时通过数据和模拟结果的对比，强调电荷交换是环电流在磁暴恢复相期间损失的主要机制.

1 同步轨道内不同成分的粒子对环电流的贡献

环电流压强主要由氢离子（H+）、氧离子（O+）、氦离子（He+）和电子组成.内磁层中环电流离子空间结构的动态变化是了解环电流压强变化的关键，然而前人的研究主要集中在地球同步轨道或更远的轨道上（Fu et al.,2001; Liu et al.,2005;Forster et al.,2013; Maggiolo and Kistler,2014;Kistler and Mouikis,2016），主要是因为极少有卫星在环电流主要存在的区域——地球同步轨道以内的赤道面区域进行原位探测并有足够的空间和能量覆盖.范艾伦探测器在2012 年8 月底发射上天以后，主要在近地的赤道面进行探测，是研究地球环电流动态变化过程的理想观测卫星，它能够帮助我们了解环电流中不同种类粒子的空间分布以及它们对环电流的相对贡献.Zhao 等（2015）研究了地球磁暴过程中环电流离子能量密度和总的环电流能量的变化情况.他们发现在磁暴主相期间，能量小于50 keV 的离子比能量更高的离子对环电流有更显著的贡献，而高能质子在恢复阶段和平静时期都占主导地位.Denton 等（2017）调查了54 个从平静期到磁暴期间的事件和21 个从地磁活动到平静期的事件，发现在从平静期到磁暴期间的转变过程中，H+离子是等离子体片中的主导离子，而重离子（O+和He+）在内磁层变得越来越重要.在较长的平静时间内，由于电荷交换作用导致H+离子的损失比O+或He+离子更快.Fernandes 等（2017）进行了统计研究，发现0.1～30 keV O+/H+通量比在L> 5 时随Kp 增加而增加，而在L< 5 时，O+/H+通量比值随Kp 的增大而减小.

虽然之前的研究提出了在不同地磁扰动的驱动下离子成分变化的重要特征，但是他们的研究要么只关注一个特定能量范围的等离子体群，如等离子体层或环电流粒子（Denton et al.,2017; Jahn et al.,2017），要么仅限于特定MLT 的个例研究（Zhao et al.,2015）.正如之前Yue 等（2017）的研究所示，不同粒子群的行为是不同的.为了全面了解地球同步轨道以内等离子体压强的空间分布，以及不同地磁活动条件下不同能量的各类粒子对环电流的相对贡献，Yue 等（2018）通过使用范艾伦探测器上的HOPE 和RBSPICE 仪器的数据进行了统计研究.结合这两个仪器的数据，Yue 等（2018）分析了从1 eV～1 MeV 的离子和从15 eV～1 MeV 的电子对地球同步轨道以内的等离子体压强的贡献.

图1 显示了两个AE 范围（AE<100 nT 和AE>300 nT）等离子体压强中值的统计分布以及赤道面上不同种类粒子的相对贡献情况.图中的黑线是等离子体层顶的位置，定义为电子数密度中值为80 cm−3的点.图1a、1b 从上到下分别描绘了H+、O+、He+离子和电子的压强.如图所示，在夜间AE水平较高的时期，等离子体层被侵蚀，H+、O+、He+离子和电子的压强都有显著增加，H+离子压强在等离子体层内占主导地位，等离子体层顶外的O+、He+离子和电子压强高于等离子体层内的压强.这可能是由于在高AE 期间，对流电场增强，离子可以渗透到较低的L 壳层，导致观测到更强的压强.此外，我们还观察到强烈的晨昏不对称性，离子压强在黄昏至午夜后达到峰值，而电子压强在午夜前至黎明处达到峰值.Kronberg 等（2015）基于7 年的Cluster 观测建立了高能质子和O+离子（>274 keV）的空间分布，也报道了这种离子压强的晨昏不对称性.图2c、2d 展示了不同成分的粒子对等离子体压强的相对贡献（从上到下分别是H+、O+、He+离子以及电子对环电流的相对贡献，即不同粒子的等离子体分压与等离子体总压强的比值）.不论是在平静时期还是活跃时期，H+离子都是等离子体总压强的主要贡献者.其中，在平静时期，H+离子在等离子体层内对等离子体总压强的相对贡献>90%，等离子体层外>70%；在活跃时期，H+离子在等离子体层内对等离子体总压强的相对贡献>80%，等离子体层外>60%.同时，由于在日侧，其他种类粒子的贡献较小，H+离子在日侧对等离子体总压强的相对贡献大于夜侧的相对贡献.此外，在夜侧、等离子体层外的高L值处，O+离子和电子从平静时期到活跃时期对等离子体总压强的相对贡献也从～10%和～5%分别增加到25%和20%，然而，He+离子的贡献在地磁活跃和平静时间几乎没有变化.

图2 在两种O+离子和H+离子压强比的条件下，O+离子和等离子体总压强随着sym-H 和 L 值变化的统计结果.（a～d）Po/PH >0.35；（e～h）Po/PH <0.15，同时满足PH>0.5 nPa，Po>0.1 nPa 以及磁地方时（MLT）从中午到午夜，以确保O+离子分压和等离子体总压强明显高于噪音水平以及测量范围在主要的环电流区域.从上到下是"概率"（a，e），定义为R>0.35 或R<0.15 条件下，卫星累积时间相对于没有任何R 限制的总累积时间的比率，（b，f）O+离子和H+离子压强比R；（c，g）O+离子压强的中值；（d，h）等离子体总压强.Pt：等离子体总压强（修改自Yue et al.,2019a）Fig.2 The statistical distributions of O+ and total plasma pressures as functions of sym-H and L shells under two levels of pressure ratio between O+ and H+.(a～d) Po/PH > 0.35 and (e～h) Po/PH < 0.15 with the condition of PH > 0.5 nPa and Po > 0.1 nPa and magnetic local time (MLT) from noon to midnight to ensure that the oxygen and total plasma pressures are significantly above the noise level and to make sure the measurements are taken in the dominant ring current region.(a,e) The panels from top to bottom are "probability",which is defined as the ratio of satellite cumulative time under the condition of R > 0.35 or R <0.15 relative to the total cumulative time without any R limitation,(b,f) R,(c,g) the median values of O+ pressure and (d,h)total plasma pressure (modified from Yue et al.,2019a)

2 氧离子对环电流的贡献

对O+离子丰度的测量提供了地磁平静和活跃时期环电流动力学的重要线索.前人的研究大多都是地球同步轨道以外的或者是通过个例分析来描述O+离子动力学过程对环电流的影响（Gloeckler et al.,1985; Mitchell et al.,2003; Kronberg et al.,2015; Kistler and Mouikis,2016），很少有统计研究系统地分析地磁活跃时期环电流处（赤道附近、L<7 处）O+离子的动力学情况（Keika et al.,2016;Kistler and Mouikis,2016; Kistler et al.,2016;Fernandes et al.,2017; Valek et al.,2018）.这主要是因为之前很少有卫星能够长期在内磁层磁赤道附近实现对O+离子高时间分辨率、宽能量覆盖和广空间覆盖的测量.为了深入理解等离子体动力学与相关的波动现象（如地磁活动变化时地球内磁层粒子的来源和损失过程），Yue 等（2019a）对O+离子的行为进行了系统研究.

图2 显示了两类情况下（有氧离子和无氧离子）等离子体压强随着sym-H 和L值变化的统计分布情况.这里把数据分成两类，以研究O+离子的行为如何影响内磁层等离子体的动力学：（1）O+离子压强是等离子体总压强的重要组成部分，表现为O+离子与H+离子的压强比（R=Po/PH）>0.35；（2）O+离子压强是等离子体总压强的次要组成部分，表现为R<0.15.如图2a 所示，当sym-H 较低时，观测到R> 0.35 事件的概率要高得多，特别是当sym-H < −60 nT 时，该概率在所有L 壳层下都高于80%，而且比率R本身大于0.8，在L< 3 时甚至大于1（图2b）.这表明，当sym-H < −60 nT 时，O+离子对环电流的贡献与H+离子相当（R> 0.8），无一例外.另一方面，在O+离子几乎不贡献环电流压强的情况下（R< 0.15），当sym-H<−60 nT，概率在大多数L 壳层上是零（图2e），这进一步从侧面说明O+离子在地磁活跃期间对环电流有重要贡献.此外，如图2e、2f 所示，当sym-H 高于−60 nT 时，概率和R之间有很强的相关性，概率越高，R值越低，而高概率的情况仅限于sym-H >−30 nT和L<5 的区域.所有这些观测特征表明，在相对平静的条件下，O+离子是不存在的，换句话说，它进一步证实了当sym-H 为强负值（<−60 nT）时，O+离子都参与其中，没有O+离子就没有磁暴事件.此外，与R<0.15 的情况相比（图2g～2h），R>0.35时O+离子的压强和总的等离子体压强要大得多（图2c、2d），而且随着sym-H 的降低，压强峰值向低L 壳移动，这与以前的研究一致（Krimigis et al.,1985; Fu et al.,2001; Greenspan and Hamilton,2002）.

3 环电流在磁暴恢复相期间的损失

在地磁暴期间，环电流的增强被广泛认为是Dst（Sym-H）指数下降的主要原因（Greenspan and Hamilton,2000）.在磁暴主相之后，通常需要几天时间（即磁暴恢复相）环电流才会恢复到平静时期的初始水平.导致环电流衰减的过程有很多，如电荷交换（Dessler and Parker,1959; Stuart,1959;Smith and Bewtra,1978; Smith et al.,1981; Kistler et al.,1989; Ebihara and Ejiri,2003）、库仑碰撞（Fok et al.,1991,1993,1995,1996），波粒相互作用（Jordanova et al.,2001; Zong et al.,2008; Usanova et al.,2010; Yue et al.,2019b）以及径向向外扩散（Zong et al.,2001; Kozyra and Liemohn,2003;Keika et al.,2005; Kasahara et al.,2008）.其中，电荷交换从理论上一直被认为是磁暴恢复阶段环电流衰减的主要离子损失机制（Daglis et al.,1999）.在电荷交换这个过程中，高能离子（如H+、O+、He+和He++离子）与冷的中性原子（通常是外逸层的氢原子）碰撞，随后产生高能中性原子（ENA）和冷的离子.

使用Rairden 等（1986）提供的中性氢密度模型参数，根据AMPTE/CCE 的观测结果，Kistler 等（1989）计算了1984 年9 月至1985 年11 月磁暴主相和早期恢复相阶段H+、O+、He+和He++离子在1.0～300 keV/e 范围内的电荷交换寿命.他们的结果表明，电荷交换是磁暴主相阶段的主要损失机制.Jorgensen 等（2001）使用POLAR 的ENA 测量数据，计算了1998 年3 月10 日磁暴恢复相阶段的ENA 总能量逃逸.他们得出的结论是，电荷交换导致的质子损失在后期缓慢的恢复相阶段中占主导地位.同样，基于IMAGE/HENA 的ENA 成像结果，Keika 等（2011）研究了三个磁暴恢复相阶段的环电流离子（H+为27～120 keV,O+为79～264 keV）的空间平均能谱演变情况.他们发现，电荷交换损失机制在后期缓慢的恢复相阶段发挥了重要作用，而对早期恢复相阶段的贡献很小.

由于卫星轨道、能量覆盖范围及分辨率的限制，只有少数实地测量的观测结果（如Smith et al.,1981）揭示了在磁暴恢复相阶段不同能量的环电流离子的寿命.Chen 等（2021）利用Van Allen 探测器的观测，即位于环电流中心的宽能量范围、高时间和能量分辨率的观测，对磁暴恢复相阶段L值从3～6、能量从1 keV 到几百keV 的环电流离子（H+和O+）的寿命进行了统计分析，并与仅由电荷交换机制引起的环电流离子损失的理论估计结果进行了比较，他们发现，观测寿命与模型的结果基本一致，这证实了电荷交换是磁暴恢复相阶段环电流离子的主要损失机制.

图3 显示了H+离子（左栏）和O+离子（右栏）的观测寿命与模型计算结果随能量E和L值变化的统计分布情况.图3a、3b 显示了观测到的H+离子和O+离子的寿命，它们通常随着L值的增加而增加.在图3a 中，我们可以看到H+离子的寿命在L<～5.5、从1 keV 到几十keV 的范围内相对较低，而在L>～5.5 和E>～50 keV 时则相对较高，这与图3c、3e 所示的理论预测结果基本相符，尽管二者的范围不同.在E< 50 keV 的大多数区域，H+离子的寿命小于40 小时.同时，O+离子的寿命在L<4、E< 50 keV 时随着能量增加而减少，在L> 4、E< 50 keV 时的观测寿命约为40 小时.将图3b 与图3d（3f）相比较，可以看出O+离子的观测寿命和电荷交换导致的理论计算的结果之间有很好的定性的一致性，但也存在一些明显的差异.例如，如图3d 所示，在Chamberlain 模型中，L>4.5 时能量低于10 KeV 的O+离子的寿命相比观测要长得多，而在L<～4.5 时，在Chamberlain 和Hodges 模型中，能量高于100 KeV 的O+离子的模型寿命（图3d、3f）与观测值（图3b）相比要短.

图3 （a，b）观测到的寿命；（c，d）使用Chamberlain 模型模拟的寿命；（e，f）使用Hodges 模型模拟的寿命.其中，左栏显示的是H+离子的结果，而右栏显示的是O+离子的结果（修改自Chen et al.,2021）Fig.3 (a,b) The observed lifetime;(c,d) Modeled lifetime by using Chamberlain model;(e,f) Modeled lifetime by using Hodges model.The left column shows the results of H+,while the right column shows the results of O+ (modified from Chen et al.,2021)

4 讨论与总结

近地磁层和等离子体片中的离子组成对于分析磁层中的物理过程和相关的不稳定性至关重要.在环电流占主导地位的地球同步轨道内，Yue 等（2018）发现，H+离子在等离子体总压强的贡献中通常占主导地位（平静期为90%，活跃期为60%），重离子和电子分压随着地磁活动的增强而增加.另一方面，在夜侧，当处于等离子体层外的高L值时，O+离子和电子从平静时期到活跃时期对等离子体总压强的相对贡献也从～10%和～5%分别增加到25%和20%.然而，He+离子的贡献几乎没有变化.类似的结果在磁暴期间也被发现.例如，Greenspan 和Hamilton（2002）统计调查了1985～1989 年太阳活动低年附近的67 次地磁暴事件中H+离子和O+离子对环电流能量的贡献，结果表明，在94%的磁暴事件中，O+离子的能量密度低于H+离子的能量密度，在大多数情况下（72%的磁暴情况下），O+离子对环电流能量的贡献小于23%.Yue 等（2018）使用了2012 年10 月至2017 年12 月的范艾伦探测器数据，表明O+离子对等离子体压强的贡献率低.这可能与太阳的相对平静的状态有关（从2009 年开始到2018 年的太阳周期24 是一个相对较弱的太阳周期），这种状态改变了顶部电离层中的O+离子含量.

虽然O+离子对等离子体压强的贡献不占主导地位，但在磁暴时期，O+离子对环电流的作用不可忽视.Yue 等（2019a）提出的结果在很大程度上证实了这一点，这也与前人的研究结果相符（Smith and Hoffman,1973; Krimigis et al.,1985; Hamilton et al.,1988; Fu et al.,2001; Greenspan and Hamilton,2002）.在地磁活动时期，环电流中出现更多的O+离子，它和总的等离子体压强在磁暴主相阶段急剧增加，并在sym-H 最小值附近达到峰值.然后它们在磁暴恢复阶段逐渐衰减，O+离子压强的衰减速度明显快于总压强的衰减速度.此外，统计结果还证实O+离子贡献小的情况（R< 0.15）只出现在sym-H > −60 nT 时，这表明在相对平静的地磁条件下，O+离子很少出现在环电流中.另一方面，当sym-H<−60 nT 时，O+离子对环电流有很大贡献，无一例外.电离层O+离子对环电流的贡献较大可能与磁暴时期较强的亚暴活动有关，亚暴期间产生的强对流和粒子沉降（McPherron et al.,1968; Hasegawa and Sato,1979; Liu et al.,2015; Yue et al.,2015）会导致更多的H+离子和O+离子外流（Welling et al.,2015;Zou et al.,2017），然后在从磁尾等离子体片向内部磁层的传输过程中被加速，对磁暴时期的环电流作出贡献.

通过使用范艾伦探测器的观测数据，Chen 等（2021）对磁暴恢复相阶段L值从3～6、能量为1 KeV 到数百KeV 的环电流中H+离子和O+离子的寿命进行了统计.Chen 等（2021）的研究结果表明：一方面，H+离子和O+离子的观测寿命一般随着L值的增加而增加；另一方面，当E<～50 keV 时，H+离子的观测寿命比O+离子的短，而当E>～50 keV 时，情况正好相反.同时，利用两个中性氢密度模型，Chen 等（2021）计算了电荷交换寿命的理论预测结果，并与磁暴恢复相期间观测到的H+离子和O+离子寿命比对，二者高度的吻合性证实了电荷交换是环电流离子的重要损失机制，这也与以前的研究结果相符（Kistler et al.,1989; Daglis et al.,1999）.然而，不可忽略的差异提醒我们，电荷交换不是唯一的机制.其他机制，如电离层中被激发的H+离子外流、库仑碰撞损失、投掷角散射沉降等，也可能在环电流动力学中发挥作用.值得注意的是，从磁层中到磁鞘的离子外流和等离子体片离子的流入可能在某种程度上相互抵消.未来的工作需要以定量的方式确定各机制对磁暴恢复相阶段环电流离子寿命的相对贡献.