极隙区一次长时间ELDI事件的观测研究

谷骏,蔡红涛,胡坤,潘建宏,高顺祖,张宏

武汉大学电子信息学院，武汉 430072

0 引言

地球电离层是中性大气主要受太阳远紫外辐射和X射线辐射电离形成的.电离层与磁层以及热层紧密地耦合在一起,导致电离层表现出一系列显著的异常现象（Rishbeth and Mendillo,2001;Liu et al.,2006）.其中,一部分电离层异常主要表现在时间变化上,如冬季异常等（Yonezawa and Arima，1959；Yonezawa，1971；Cai et al.,2007）;另一部分电离层异常则表现在空间结构上,如赤道异常（Liang，1947；Nanan et al.，2018），偶发E层（Es）（Mathews，1998）和赤道扩展 F（Farley et al.,1970；Ajith et al.,2021；Huang et al.,2021）等.这些异常蕴含了丰富的物理过程，认知异常结构是电离层研究的重要内容.

按照经典的电离层生成理论，电离层可近似为水平分层，从下至上依次为D、E和F层.通常情况下最大电子密度出现在F层，F层在垂直结构中占主导地位，E层电子密度峰值比F层的峰值低约1个数量级.F层在垂直结构中占主导地位.Mayer和Jakowski（2009）利用cosmic卫星在极区观测到一种特殊的电离层垂直结构：E层占优电离层（E-Layer Dominated Ionosphere,ELDI）.在这种结构中（如图1a），电子密度峰值出现在E层高度，而不是通常的F层.Mayer和Jakowski（2009）利用COSMIC/CHAMP掩星观测数据，统计分析了ELID发生率，指出夜间ELDI发生率可高达80%，并非偶然发生.武业文等（2013）利用2007—2010年间的COSMIC掩星数据,在修正地磁纬度-磁地方时标系下统计对比分析了南、北极区极夜期间ELDI的空间分布特征.观测表明极夜期间电离层ELDI特征明显,而且在夜侧发生率较高，超过90%.Kamal等（2020）分析了近20年（2001—2018年）的COSMIC/CHAMP卫星观测数据，他们还发现ELDI发生率与太阳活动水平呈现负相关：在低太阳活动期间ELDI数高，而在高太阳活动期间低；ELDI发生率在磁暴期间明显增大，且ELDI的高发区表现出轻微向低纬移动的迹象.

由于ELDI和偶发Es都表现为E层电子密度的大幅增加，为了进一步判断ELDI是否是一种区别于偶发Es电离层特殊结构，众多学者对ELDI的时空分布特征和形态学特征进行了深入研究.Kamal等（2020）对Mayer和Jakowski（2009）的工作进行了拓展和延伸，重点考察了ELDI的时空分布.他们发现ELDI的发生率在高纬地区明显高于中低纬地区,冬季半球高于夏季半球，而偶发Es则更容易发生在夏季半球（Hocke et al.,2001）以及中纬度地区（Arras et al.,2008）.沈格等（2014）利用太阳活动低年期间（2009—2011年）EISCAT/EISCAT Svalbard Rader（ESR）雷达场向电子密度数据，确认了ELDI的季节变化特征；并在此基础上，详尽分析了地面雷达观测到的ELDI的形态学特征，发现其峰高HmE多出现在120 km，平均厚度在30～40 km.偶发Es则主要出现在95～110 km，厚度0.5～3 km（Arras et al.,2008）.ELDI有着明显区别于偶发Es的时空分布特征和形态学特征，这足以表明ELDI是一种新的电离层异常结构.

另一方面，ELDI的形成机理还需要进一步的研究.从ELDI的空间分布看，极区沉降的能量粒子引起极区E层电离增强通常被认为是主要机制（Mayer and Jakowski，2009；武业文等，2013；Mannucci et al.，2015；Kamal et al.，2020）.Arras等（2008）也认为在纬度高于60°的区域，增强的E层多与粒子沉降相关.ELDI高发区域与极光椭圆区位形高度吻合也似乎支持此观点.沈格等（2014）发现极尖/极隙区观测到的ELDI主要发生在磁正午扇区，此时沉降粒子以软电子（能量低于500eV）为主（Newell et al.，2002）.根据沉降电子与中性大气相互作用的规律，其引发的电离增强峰值应出现在F层高度，而不是E层高度（Rees，1963；Cai et al.，2007）.因此，沉降粒子无法解释极尖/极隙区ELDI的高发生率.Cai等（2014）利用地面非相干散射雷达观测到的ELDI与背景电子密度剖面对比，从形态学的角度揭示了ELDI可能的三个类型:（a）E电子密度峰值（NmE）增强，F2层峰值电子密度（NmF2）保持不变;（b）NmE保持不变,NmF2减弱；（c）NmE增强，同时NmF2减弱.粒子沉降能引起NmE增强，却无法解释NmF2减弱.这暗示粒子沉降并非ELDI唯一的主导机理.

长持续时间的ELDI事件提供了分析其形成机理的绝佳机会.利用地面非相干散射雷达及卫星等协同观测资料，本文报道了2001年7月15日的一次长时间极尖/极隙区ELDI事件并对其形成机理进行了探讨.

1 数据和分析方法

ESR雷达位于极尖、极隙区纬度，地理位置坐标为（78.2°N,16°E），地磁纬度是75°N.它的42 m天线雷达波束固定沿着当地磁力线向上，32 m天线雷达则会改变倾角和方位角观测.二者数据产品的分辨率都是1 min.在本文所关注的时段内，32 m雷达以144°和171°两种方位角朝赤道方向交替观测，雷达探测的高度范围为90～500 km，经度范围为16.0°E—20.3°E；纬度范围为76.3°N—78.2°N.

本文采用沈格等（2014）的方法对雷达数据进行处理，并将一次ELDI事件的判定标准设定如下：

（1） E层峰值电子密度大于F2峰值电子密度（NmE>NmF2）；

（2）NmE所在的高度（HmE）在90～160 km区间内，NmF2所在高度（HmF2）位于160～400 km区间内；

（3）NmE>NmF2持续6 min以上.

前两个条件是判定一个电子密度剖面是否为ELDI的直接依据，如图1a所示；这与其他学者利用无线电掩星观测数据判定ELDI事件的标准（Mayer and Jakowski,2009）基本一致.本文在用地面非相干散射雷达观测数据研究ELDI的过程中，为了消除因观测中的随机误差导致的伪ELDI事件，加入了第三个条件.我们采用了6 min的时间窗口，分析了一个太阳活动周期内的ESR雷达观测数据，计算得到的ELDI发生率在10%～30%之间，我们认为ELDI事件在极隙区并不是一个很常见的现象.图1b展示了一个可判定为ELDI事件的示例，图中曲线为E/F层高度电子密度极值.

图1 （a） ELDI剖面示意图；（b） ELDI事件的判定示例，灰色阴影部分被认定为一个ELDI事件Fig.1 （a） The signal map of an ELDI profile;（b） The decision example for an ELDI case,the grey shade marks an ELDI event

2 ELDI事件观测

图2给出了2001年7月15日SYM-H指数、AE指数以及行星际磁场（IMF）三个分量的日变化，阴影部分为本文所关注的ELDI事件时段.事件当天地磁活动非常平静，SYM-H指数一直在0 nT附近变化；极区AE指数也处于相对较低的水平.在事件期间，IMFBx、By分量均无剧烈变化，Bz分量保持弱南向.

图3a给出了ESR雷达42 m天线观测的电子密度在08∶00—13∶00 UT（MLT≈UT+3h）期间观测到的电离层电子密度伪色彩图，图中空白处为数据缺失.在08∶00—10∶00 UT期间，雷达观测到了极区地磁平静期的电离层电子密度分布：F层电子密度比E层突出.10∶03 UT时刻，E层高度的电子密度突然增强，数值上超过了同期的NmF2；E层电子密度占优势地位，并持续了约30 min.10∶36 UT时刻，E层的电子密度增强快速回落，同时F层电子密度出现幅度更大的耗空.与此同时，ESR 32 m雷达波束以60°仰角面向低纬方向探测.从观测结果看，在更低的纬度范围内同样也发生了显著的F层电子密度耗空（图3b）.

为了更清楚地对比E/F电子密度的相对变化，图3c进一步给出了ESR 42 m雷达在E层高度区间（90～160 km）和F层（250～500 km）的平均电子密度.在10∶00 UT前，F层电子密度均值保持在6×1011/m3左右，是E层密度均值的3倍.在10∶03 UT时刻，E层均值电子密度突然增加，高达1.2×1012/m3，约是F层均值电子密度的2倍，E层的电子密度开始在垂直剖面占据优势地位.10∶40 UT，E层均值电子密度快速回落至之前的数值水平；与此同时，F层电子密度出现超强耗空，均值电子密度下降至之前的10.0%左右.在10∶40—12∶16 UT期间，E层的均值密度继续占据优势地位，是F层均值密度的3～4倍.

图2 2001年7月15日的SYM-H、AE指数和行星际磁场阴影部分标注出本文所关注的ELDI事件时段.Fig.2 SYM-H and AE indices,as well as OMINI IMF components on 15 July,2001Grey shade marks period of the ELDI event focused on in this paper.

总体上看，在10∶03—12∶16 UT期间，ESR 42 m雷达观测到的E层电子密度显著超过了F层密度，是典型的ELDI事件，并持续了近2.3个小时.图3c中，我们以1040 UT为界将该ELDI事件分成2个阶段，用不同深浅的灰色标识：第1阶段为10∶03—10∶40 UT，在此期间，E层电子密度急剧升高；第2阶段为10∶40—12∶16 UT，在此期间F层电子密度强烈耗空.

图4进一步给出了在上述ELDI事件2个阶段的平均电子密度高度剖面（红色线）.为方便对比，图中同时给出了前一天（2001年7月14日）相同时段（未发生强离子沉降）的平均电子密度剖面（蓝色线）作为参考.相对于参考日，在ELDI的第1阶段（图4a），E层电子密度增强了2～10倍，而F层电子密度相对变化不大；第2阶段（图4b），F层电子密度耗空高达90.0%，F层的耗空在130～160 km的E层空间引起了约30%的耗空，而100～130 km的E层空间并未发生明显的电子密度耗空.本文所关注的ELDI事件2阶段内，E/F层的电子密度表现出绝然不同的的变化特征，这暗示其背后存在不同的物理驱动过程.

3 讨论

本次ELDI事件持续了近2.3 h.根据期间E/F层电子密度的变化特征，该ELDI事件可划分为2个阶段：在第1个阶段里，E层密度突增而F层密度保持不变；在第2个阶段里，E层密度回落至正常水平而F层密度强烈耗空.我们对一个太阳活动周期内的ELDI事件进行过统计分析，大约有四分之一的ELDI事件表现为E层电子密度不变，而F2层发生明显耗空.电子密度不同的变化特征暗示其背后存在着不同的形成机制和物理过程.

图5进一步给出了ELDI事件期间电离层E/F层其他物理参量均值的变化情况.图中灰色区域表示ELDI事件发生的时间段，数字1、2分别表示按上节划分的2个阶段.DMSP各卫星依次飞越ESR雷达上空，图中3条竖直红实线分别标识出各卫星过境的时刻.本节将逐一探讨该ELDI事件的2阶段各自可能的主导物理形成机制.

3.1 第1阶段的主导机制

在第1个阶段，F层高度的电子温度、离子温度以及离子场向速度均没有表现出显著的时间变化特征（图5）.E层高度的电子温度也没有明显变化，这排除了沉降电子对E层密度增强的贡献；同时注意到，与E层密度增强相伴随的是：离子温度均值迅速增至1500 K，增幅超200%；离子场向速度均值出现大幅度摆动，其中，向上的漂移速度超过500 m·s-1，增幅超400%.雷达观测结果表明此时发生了强烈的离子沉降.磁层的高能离子沿磁力线到达E层高度与中性大气相互碰撞，一方面引起电离增强，同时局地沉积能量提升本地的离子温度、驱动部分离子沿磁力线上行.因此，离子沉降是该阶段ELDI事件的主要形成原因.这与武业文等（2013）统计的结果相吻合.根据Rees（1963，1982）的理论，能量超过3 keV的沉降离子才能穿透到150 km以下的高度，激发中性成分电离、引发E层增强.DMSP F12卫星在ELDI事件前15 min飞过ESR雷达上空，也观测到了大于3 keV的高能离子沉降（图6a）.遗憾的是，在ELDI第1阶段内，缺乏雷达上空沉降粒子的观测信息.

图3 （a） 2001年7月15日ESR 42 m雷达观测的电子密度关于UT和高度分布的二维图像;（b） ESR 32m雷达的电子密度二维图像;（c） ESR 42 m雷达在E层高度（90～160 km）和F层（250～500 km）所观测到的均值电子密度；数字1、2分别代表ELDI事件的两个阶段Fig.3 （a） Pseudocolor of electron density from ESR 42 m radar on 15 July,2001;（b） The same as （a）,but from ESR 32 m radar;（c） Average density of E layer （90～160 km） and F layer （250～500 km） observed by ESR 42m radar.Number 1 and 2 present two parts of the ELDI event

图4 ELDI事件2个阶段（红色线）和背景（2001年7月14日）对应时段内（蓝色线）ESR 42 m雷达观测到的电子密度均值高度剖面Fig.4 Average electron density profiles during the two periods of the ELDI event （red lines） and the background （14 July,2001） （blue lines）

图5 2001年7月15日ESR 42 m雷达观测的E层和F层高度区间的平均（a） 电子密度;（b） 电子温度;（c） 离子温度;（d） 离子速度.红色实线表示三颗DMSP卫星飞临ESR雷达上空的时间.Fig.5 Region-mean-values of ESR 42 m radar measurements during July 15,2001（a） Electron density；（b） Electron temperature;（c） Ion temperature;（d） Ion velocity.Vertical solid lines indicate the moments of DMSP fleet flyingover the radar.

图6 DMSP卫星飞越ESR雷达上空观测到的电子和离子能谱（a） F12；（b） F14；（c） F15.能谱图从上到下依次是：通量、平均能级（红色代表离子，黑色代表电子）、电子能通量、离子能通量.黑色圆点表示ESR雷达位置.Fig.6 Energy spectrum detected by DMSP fleet flyingover ESR radar（a） F12;（b） F14;（c） F15.From top to bottom:flux、average energy（red express ions,black express electrons ）、energy flux of elctrons、energy flux of ions.The black dots indicate the position of ESR radar.

图7 1 h分辨率的SuperDARN雷达观测确定的12∶00 UT前后全球的等离子体对流图像Fig.7 The 1 h resolution plasma convection map from SuperDARN during the ELDI 2nd stage

3.2 第2阶段的主导机制

在第2阶段，E层电子密度迅速恢复到10∶00 UT前的水平，同时F层密度急剧耗空90.0%，E层密度均值是F层均值的2～8倍，并一直持续到本阶段结束.在此期间，E层的电子和离子温度，以及离子沿场速度与第1阶段相比没有显著变化.DMSP F14和F15卫星观测到的粒子能谱信息（图6b—c）表明，当时雷达上空的确存在能量超过3 keV的离子沉降，但通量比较低，对E层高度电离增强的贡献较弱.这表明离子沉降在ELDI第2阶段的形成机制中并不占主导地位.

值得注意的是，在此期间雷达上空观测到了较高通量的软电子（能量<500 eV）沉降（图6b—c），F层的电子温度也显著抬升，幅度超过100%.这是极尖/极隙区典型的软电子沉降特征，是极区F层特有的附加电离源，通常引起电子密度的增强（Rees，1963；Cai et al.，2007），并不利于形成ELDI.但是，ESR雷达却观测到F层电子密度的急剧耗空.因此，应该存在某个物理过程，不但消耗了软电子沉降引入的F层附加电离增强，还进一步导致了F2层密度的严重耗空.

对流电场会引起剧烈的焦耳加热，导致热层膨胀、F区固定高度上热层成分（O，O2,N2）密度的增加（周云良等，2007）；N2密度相对O密度的增加会加速O+的损失率（Kil et al.,2011），进而导致电子密度的耗空.利用物理模式，Cai等（2001）定量考察了等离子体对流与F区密度耗空的关系.数值模拟结果表明，800 m·s-1（相当于32 mV·m-1的对流电场）持续45 min，可引发F层电子密度40%左右的耗空，而且密度耗空对等离子体对流增强的响应时间非常快（～10 min）.为此，我们考察了ELDI事件第2阶段期间ESR雷达附近等离子体对流情况，如图7所示.DMSP F15在12∶00 UT左右飞越ESR雷达上空，观测到了水平方向超过1000 m·s-1的等离子体漂移速度.同时，超级双重极光雷达网络（SuperDARN）在ESR雷达附近也观测到超过600 m·s-1的等离子体对流（图8）.按照数值模拟结果（Cai et al.，2001）做简单的线性外推，这会直接导致F层电子密度50%左右的耗空.如果进一步考虑强对流持续的时间，则会进一步加剧F层的密度耗空程度.因此，地面雷达和卫星观测到的等离子体对流理论上可以引起如图3所示的ESR雷达观测到F层电子密度的高强度耗空.

图8 DMSP F15在ESR雷达上空观测到的的离子漂移速度Fig.8 Ion drift velocities observed by DMSP F15 fleet over ESR radar

另一方面，我们注意到在第2阶段，ESR雷达在E/F层高度上都观测到强的离子上行，DMSP F15在雷达上空顶电离层高度也同样观测到速度超过400 m·s-1的离子上行（图7）.这是强等离子体对流驱动的结果（霍亮等，2006），E/F层离子温度的增强，也印证了这一推测.

综上，我们认为增强的等离子体对流是本阶段ELDI形成的主要机制.

4 结论

本文报道了发生在2001年7月15日的一次持续2.3 h的ELDI事件.根据电子密度变化的不同特征，此ELDI事件可分为两个阶段.

第一阶段表现为E层增强，此时F层等离子体温度和密度未发生明显变化，E层电子温度也没有明显变化.E层离子温度大幅上涨超过200%，DMSP卫星也观测到了高能的沉降离子.因此离子沉降是第一阶段ELDI形成的主要原因.

第二阶段表现为F层耗空，此时等离子体温度和密度较第一阶段未发生明显变化，DMSP卫星观测到高能沉降离子的通量较低而等离子体的水平漂移速度超过了1000 m·s-1，SuperDARN雷达也在ESR雷达附近观测到超过600 m·s-1的等离子体对流，结合前人等离子体对流对F区密度耗空的模拟研究，我们认为增强的等离子体对流是第二阶段ELDI形成的主要原因.

致谢感谢国立极地研究所（NIPR）（http:∥pc115.seg20.nipr.ac.jp/www/eiscatdata/ne_te_ti_vi.html）提供ESR雷达数据，感谢空间物理数据中心（SPDF）（https:∥spdf.gsfc.nasa.gov/pub/data/wind/mfi/ascii/1min_ascii/）提供太阳风和行星际磁场数据，感谢约翰斯·霍普金斯大学（JHU/APL）（http:∥sd-www.jhuapl.edu/）提供DMSP粒子沉降数据，感谢达拉斯德克萨斯大学（uTD）（http:∥cindispace.utdallas.edu/DMSP/）提供DMSP离子上行数据,感谢空间科学和工程研究中心（space@VT）（http:∥vt.superdarn.org/）提供SuperDARN全球等离子体对流图像.