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        通量管積分瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的半球不對稱和隨經(jīng)度變化的研究

        2012-12-18 05:28:06羅偉華徐繼生
        地球物理學(xué)報 2012年4期
        關(guān)鍵詞:磁力線經(jīng)度瑞利

        羅偉華,徐繼生,田 茂

        武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,武漢 430079

        通量管積分瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的半球不對稱和隨經(jīng)度變化的研究

        羅偉華,徐繼生*,田 茂

        武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,武漢 430079

        本文利用通量管積分方法,對磁南北半球分別沿磁力線積分,研究背景電離層南-北半球不對稱以及中性風(fēng)場和磁偏角隨經(jīng)度的變化對廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性和電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)生成和發(fā)展的影響.結(jié)果表明,通量管積分廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性線性增長率存在顯著的半球不對稱,南北半球不對稱的中性風(fēng)場是導(dǎo)致電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)呈南北分布不對稱的重要因素;隨經(jīng)度變化的中性風(fēng)場和磁偏角對瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的經(jīng)度變化有重要影響,它們可能是導(dǎo)致不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率經(jīng)度變化的主要控制因素.

        通量管瑞利-泰勒不穩(wěn)定性,中性風(fēng),磁偏角,半球不對稱,經(jīng)度變化

        1 引 言

        日落后,由于復(fù)合損失,赤道電離層F區(qū)底部經(jīng)常出現(xiàn)銳的電子密度梯度,導(dǎo)致赤道電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)(等離子體泡)或赤道擴展F(ESF)的生成和發(fā)展,它們對跨電離層的無線電波傳播存在極大的影響.自ESF被發(fā)現(xiàn)以來,許多實驗和理論研究都表明,ESF的生成和發(fā)展與廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性(generalized Rayleigh-Taylor instability)有關(guān)[1].ESF表現(xiàn)出顯著的隨季節(jié)、經(jīng)度變化的特征[1].也有研究者[2-4]注意到,電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)活動在南北半球表現(xiàn)出不同的特征,沿磁力線也呈現(xiàn)出南-北半球分布不對稱.不規(guī)則結(jié)構(gòu)的不對稱分布可能歸因于觸發(fā)不規(guī)則結(jié)構(gòu)生成的物理機制不同[3],或等離子體不穩(wěn)定性發(fā)展過程的差異,兩者都與背景電離層的半球不對稱有關(guān)[3].熱層中性風(fēng)場和磁偏角是導(dǎo)致電子密度及其梯度呈南北不對稱的主要因素[5-6],可能影響瑞利-泰勒不穩(wěn)定性和不規(guī)則結(jié)構(gòu)的生成和演化,并影響不規(guī)則結(jié)構(gòu)隨季節(jié)和太陽活動的變化以及隨地理經(jīng)度和緯度的分布,這是一個值得深入研究的問題.

        一系列研究指出,中性風(fēng)場和磁偏角對ESF的生成和發(fā)展有重要影響[1,7-11].此外,中性風(fēng)場的磁南北半球不對稱分布,可能導(dǎo)致不同半球的等離子體不穩(wěn)定性的發(fā)展過程存在差異,并影響低緯赤道區(qū)重力瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的發(fā)展.此前,許多研究者[12-14]曾利用通量管積分方法,分析瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的線性發(fā)展和演化過程.在這些研究中,都沒有考慮磁偏角隨經(jīng)度變化的影響,也沒有比較研究積分線性增長率和不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率的經(jīng)度變化,且通常用一個半球積分的兩倍來代替沿整條通量管積分,這樣將無法考查南-北半球不對稱性對瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的影響.為了更有效地研究中性風(fēng)場和磁偏角及其半球不對稱對瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的影響,更好地反映赤道地區(qū)廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的發(fā)展過程,有必要分別對南北半球沿磁力線積分進行計算分析,并考查廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性對不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率經(jīng)度變化的影響.

        本文將利用通量管積分技術(shù),對南北半球分別沿磁力線積分,研究熱層中性風(fēng)場和磁偏角所致背景電離層南-北半球不對稱以及中性風(fēng)場和磁偏角的共同作用隨經(jīng)度的變化對瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的影響,分析導(dǎo)致不規(guī)則結(jié)構(gòu)呈南-北不對稱分布的可能因素,并進一步探尋影響ESF經(jīng)度效應(yīng)的主要因素.

        2 通量管積分電離層參量

        為考慮整條磁通量管對線性增長率的貢獻,將粒子守恒和電荷守恒方程沿通量管積分,積分從一個半球通量管的根部通過磁通量管的頂點直到另一個半球通量管的根部,包括E區(qū)和F區(qū).在偶極坐標(biāo)系(q,s,l)中,q^在子午面內(nèi)垂直于磁場,l平行于磁場,滿足.在赤道面內(nèi),偶極坐標(biāo)系退化為極坐標(biāo)系(L,φ),其中L為McIlwain參數(shù),φ為磁經(jīng)度.假設(shè)磁力線為等勢線[15].忽略復(fù)合率的影響,沿通量管積分之后,通量管積分粒子守恒和電荷守恒方程分別為

        式中N(L,φ,t)、F(L,φ,t)和J(L,φ,t)分別為通量管積分電子密度、數(shù)通量密度和電流密度,它們的定義分別為[15-16]

        式中ne是局地電離層電離密度,EL和Eφ是電場垂直于磁力線的分量,RE為地球半徑,ζ=sinθ,θ為磁緯.線積分(3a)從一個半球E層底高度開始沿磁力線到另一半球E層底高度.由于沿積分路徑大部分高度上,Hall電導(dǎo)率遠(yuǎn)小于Pedersen電導(dǎo)率,計算中忽略了Hall電導(dǎo)率的影響.符號UP,L和UP,φ分別表示Pedersen電導(dǎo)率與磁偏角加權(quán)的積分中性風(fēng)場垂直于磁力線的分量,UP,L向上為正,UP,φ向東為正;和ΣP為權(quán)因子不同的積分Pedersen電導(dǎo)率;ΟP為Pedersen電導(dǎo)率加權(quán)的積分碰撞頻率,它們分別定義為以下形式的線積分:

        式中σP是局地Pedersen電導(dǎo)率,ux和uy分別為局地?zé)釋幼游顼L(fēng)和緯圈風(fēng),D為磁偏角.式(3)和(4)的推導(dǎo)參見附錄.

        以往的研究在定義積分中性風(fēng)場時,都沒有考慮磁偏角的影響[12-15],實際上,熱層風(fēng)垂直于磁力線的分量是磁偏角D的函數(shù),在導(dǎo)出(4a)和(4b)兩式時,我們考慮了磁偏角的影響.此外,在以往的研究中,作為一種近似,都取一個半球通量管積分的兩倍代替整條通量管的積分.考慮到南北半球電離層的不對稱性,本文分別對南北半球積分,沿整條通量管積分的積分參量值為南半球積分值與北半球積分值之和,而不是一個半球通量管積分的兩倍.

        圖1給出磁南北半球的積分背景電離密度N0隨磁力線頂點高度的變化.圖1中的曲線由(3a)式計算得到,實線表示在北半球的積分值,虛線表示在南半球的積分值.計算所用的背景電離層和熱層模型包括IRI2001[17],NRLMSIS00[18]和HWM07[19].由圖1可以看到,磁力線頂點高度較低時,南半球和北半球N0相差很小,南-北半球基本對稱;磁力線頂點較高時(約400km以上),北半球的N0明顯大于南半球,隨著磁力線頂點高度的增加,不對稱性越來越顯著.在南半球,磁力線頂點約600km以上,隨積分路徑的增長,積分電離密度反而減小,這應(yīng)該是電離赤道異常的效應(yīng).可以注意到,在南半球沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象,這是電離赤道異常南北不對稱的結(jié)果.

        圖1 磁南(虛線)、北(實線)半球積分電離密度隨磁力線頂點高度的變化Fig.1 Integrated electron density in magnetic south(dashed-line)-north(solid line)hemisphere versus the apex height of the magnetic field line

        圖2 磁南(虛線)、北(實線)半球積分Pedersen電導(dǎo)率隨磁力線頂點高度的變化Fig.2 Integrated Pedersen conductivity in magnetic south(dashed-line)-north(solid line)hemisphere versus the apex height of the magnetic field line

        圖3給出120°E和330°E磁南北半球磁子午面內(nèi)垂直磁力線的通量管積分垂直風(fēng)場UP,L隨磁力線頂點高度的變化.圖4給出120°E和330°E磁南北半球垂直磁子午面的通量管積分緯圈風(fēng)場UP,φ隨磁力線頂點高度的變化.實線表示在北半球的積分值,虛線表示在南半球的積分值.這兩幅圖中的曲線分別由(4a)和(4b)兩式計算得到.

        圖3 在南半球(虛線)、北半球(實線),磁子午面內(nèi)垂直磁力線的積分中性風(fēng)場(向上為正)隨磁力線頂點高度的變化Fig.3 Integrated neutral wind perpendicular to the magnetic field line in the meridian in magnetic south(dashed-line)-north(solid line)hemisphere versus the apex height of the magnetic field line

        圖4 在南半球(虛線)、北半球(實線),垂直磁子午面的積分中性風(fēng)場(向東為正)隨磁力線頂點高度的變化Fig.4 Integrated neutral wind perpendicular to the meridian in magnetic south(dashed-line)-north(solid line)hemisphere versus the apex height of the magnetic field line

        由圖3和圖4可以看到,積分中性風(fēng)場也表現(xiàn)出顯著的南北半球不對稱.同時,積分中性風(fēng)場還存在隨經(jīng)度的變化.在120°E,南-北半球的垂直磁力線的積分垂直風(fēng)場均指向下,磁力線頂點高度為450km,=-5.9m/s,=-8.4m/s.在330°E,磁力線頂點較低的高度,南半球的積分垂直風(fēng)場向下;磁力線頂點較高的高度,南半球的積分垂直風(fēng)場向上,北半球的積分垂直風(fēng)場向上,磁力線頂點高度為450km,=3.8m/s=0.2m/s.在120°E,北半球的積分緯圈風(fēng)場大于南半球的積分緯圈風(fēng)場,磁力線頂點高度為450km,=76m/s,=52m/s;在330°E,南半球的積分緯圈風(fēng)場大于北半球的積分緯圈風(fēng)場,磁力線頂點高度為450km,=26m/s=35m/s.根據(jù)式(4a)和(4b),積分熱層風(fēng)場隨磁力線頂點高度的變化對地理經(jīng)度的依賴主要歸因于熱層中性風(fēng)場自身隨經(jīng)度變化和磁偏角隨經(jīng)度的變化,也可能還與電導(dǎo)率的經(jīng)度變化有關(guān).

        綜上所述,通量管積分電離密度、熱層子午和緯圈風(fēng)以及Pedersen電導(dǎo)率都存在不同程度的磁南北半球不對稱性.因此,盡管取一個半球通量管積分的兩倍代替整條通量管的積分作為一種近似有其合理性,但這種近似可能帶來較大的誤差,為了保證計算結(jié)果精確,分別對南北半球積分,用南半球積分值與北半球積分值之和代替一個半球通量管積分的兩倍更可靠.此外,由于背景電離層參量影響等離子體不穩(wěn)定性的發(fā)展演化過程,因此,沿磁力線積分的電離密度、熱層子午和緯圈風(fēng)以及Pedersen電導(dǎo)率的半球不對稱可能導(dǎo)致不同半球的瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的生成和發(fā)展存在差異,影響不同半球的電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的生成和發(fā)展,對此后面將進一步討論.

        3 廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性線性演化的半球不對稱和隨經(jīng)度的變化

        下面將利用通量管積分電離層參量導(dǎo)出通量管積分瑞利-泰勒不穩(wěn)定性增長率,通過數(shù)值計算,定量地分析南北半球不對稱以及隨經(jīng)度變化的磁偏角和熱層風(fēng)場對廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性線性演化的影響,并通過比較增長率和不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率的經(jīng)度變化來分析影響不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率經(jīng)度變化的主要控制因素.

        3.1 通量管積分瑞利-泰勒不穩(wěn)定性增長率

        考慮在平衡態(tài)參量上疊加一小擾動量,用下標(biāo)0,1分別表示穩(wěn)態(tài)量和擾動量,則N=N0+N1,EL=EL,0-?φ1/RE?L,Eφ=Eφ,0-?φ1/REL?φ.

        用A1=A0exp[iωt-i(kL+mφ)]的形式表示擾動量.A0是恒定的擾動幅度,k、m分別為沿L、φ方向的無量綱波數(shù),k=REkL,m=RELkφ,kL、kφ分別為沿L、φ方向的波數(shù),則有?/?t=iω,?/?L=-i k,?/?φ=-i m.

        把以上形式的穩(wěn)態(tài)量和擾動量代入方程(1)和(2),將方程線性化并進行通量管積分等離子體不穩(wěn)定性分析,得到通量管積分廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性線性增長率的表達(dá)式為

        式中LN為積分電子密度梯度的標(biāo)度長度,上角標(biāo)N和S分別表示北半球和南半球沿通量管積分的物理參量.分別表示北(南)半球F區(qū)積分Pedersen電導(dǎo)率,(簡寫成)分別表示北(南)半球E區(qū)和F區(qū)積分Pedersen電導(dǎo)率之和.

        沿整條通量管的積分線性增長率的表達(dá)式為

        在半球?qū)ΨQ的條件下并假定磁偏角為零,沿整條通量管的積分線性增長率為(5)式的兩倍,與以往得到的通量管積分線性增長率的表達(dá)式[13-14]相同.不過,由于和中性風(fēng)場都存在半球不對稱,LN以及E區(qū)電導(dǎo)率與E區(qū)和F區(qū)電導(dǎo)率之和的比值也在一定程度上呈半球不對稱.因此,由(5)式對不同半球積分計算得到的線性增長率可能存在差異,即γN≠γS.這意味著在利用通量管積分方法進行廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性分析時,僅對一個半球進行積分,計算結(jié)果可能是不準(zhǔn)確的;這也意味著瑞利-泰勒不穩(wěn)定性在不同半球的發(fā)展過程可能存在差異,進而影響不同半球的不規(guī)則結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征,使不規(guī)則結(jié)構(gòu)的分布呈半球不對稱.我們將在下面對γN和γS進行比較驗證.

        3.2 電離層背景參量南北半球不對稱對瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的影響

        如前所述,由于熱層風(fēng)場和磁偏角的作用[5-6],電離層背景參量沿磁赤道的南-北分布存在不對稱.背景參量的不對稱分布可能導(dǎo)致不穩(wěn)定性在南-北半球的發(fā)展過程不同并影響廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的發(fā)展.下面通過比較在半球?qū)ΨQ和半球不對稱條件下得到的線性增長率,討論背景電離層南北半球不對稱對廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的影響.

        圖5給出120°E(圖3a)和330°E(圖3b)南-北半球通量管積分線性增長率2γN(點虛線)、2γS(虛線)以及沿整條通量管的積分增長率γN+γS(實線)隨磁力線頂點高度的變化.圖中曲線分別依據(jù)(5)和(6)式計算得到.

        圖5 120°E(a)和330°E(b)通量管積分增長率隨磁力線頂點高度的變化圖中點虛線、虛線和實線分別表示為兩倍北半球通量管積分增長率、兩倍南半球通量管積分增長率和整條通量管積分增長率.Fig.5 Integrated growth rates versus the apex height of the magnetic field line at 120°E(a)and 330°E(b)Dotted-line,dashed-lines and solid lines represent two times of the integrated growth rate in north hemisphere,two times of the integrated growth rate in south hemisphere and integrated growth rate along the total flux-tube.

        由圖5可以看到,磁南北半球通量管積分增長率存在明顯的差別,兩倍北半球通量管積分增長率小于整條通量管積分增長率,兩倍南半球通量管積分增長率大于整條通量管積分增長率,因此,用一個半球積分的兩倍來代替沿整條通量管積分是不準(zhǔn)確的.此外,經(jīng)度不同,通量管積分增長率的半球不對稱特征也有差別.在120°E,北半球增長率在約320km高度上出現(xiàn)極大,量值為0.36×10-3s-1,南半球在約290km高度上出現(xiàn)極大,量值為0.62×10-3s-1,整條通量管積分增長率在約300km高度上出現(xiàn)極大,量值約為0.49×10-3s-1;在330°E,北半球增長率在約420km高度上出現(xiàn)極大,量值為0.13×10-3s-1,南半球在約300km高度上出現(xiàn)極大,量值為0.65×10-3s-1,整條通量管積分增長率在約360km高度上出現(xiàn)極大,量值約為0.25×10-3s-1.圖5的結(jié)果表明,半球不對稱對瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的發(fā)展和不規(guī)則結(jié)構(gòu)的生成有不可忽略的重要影響.為了精確地估計瑞利-泰勒不穩(wěn)定性增長率,在利用通量管積分方法進行計算分析時,不能簡單地選取一個半球積分的兩倍代替沿整條通量管的積分,而應(yīng)該沿整條通量管積分.選取一個半球積分的兩倍引入的誤差會降低線性增長率的應(yīng)用價值,也會影響對瑞利-泰勒不穩(wěn)定性分析的結(jié)果.

        導(dǎo)致通量管積分瑞利-泰勒不穩(wěn)定性增長率南北半球不對稱主要歸因于背景電離層參量存在南北半球不對稱,比如南北半球不對稱的中性風(fēng)場、背景電子密度、電導(dǎo)率以及隨經(jīng)度變化的磁偏角.隨經(jīng)度變化的中性風(fēng)場對背景電離層的影響存在半球不對稱[20],因此,導(dǎo)致背景電子密度呈南北不對稱的不對稱中性風(fēng)場和隨經(jīng)度變化的磁偏角可能是導(dǎo)致不規(guī)則結(jié)構(gòu)呈南北分布不對稱的重要因素.各種天基和地基的實驗觀測表明[2-4],電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)及其所引起的電離層閃爍活動都呈現(xiàn)南北半球分布不對稱.不同半球等離子體不穩(wěn)定性發(fā)展過程存在的差異,可以在一定程度上解釋實驗觀測到的現(xiàn)象.

        3.3 隨經(jīng)度變化的磁偏角和中性風(fēng)場對瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的影響

        由于中性風(fēng)場和磁偏角隨地理經(jīng)度變化,在不同經(jīng)度區(qū),中性風(fēng)場和磁偏角對瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的影響不同,可能導(dǎo)致瑞利-泰勒不穩(wěn)定性增長率表現(xiàn)出隨經(jīng)度的變化.下面討論隨地理經(jīng)度變化的磁偏角和中性風(fēng)場對通量管積分廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性線性增長率的影響.

        圖6給出磁偏角(實線)和線性增長率(虛線)隨地理經(jīng)度的變化.圖中線性增長率根據(jù)式(6)計算得到,磁偏角由IGRF模型得到.圖中增長率隨經(jīng)度的變化由左邊縱坐標(biāo)和底部橫坐標(biāo)表示,磁偏角隨經(jīng)度的變化由右邊縱坐標(biāo)和頂部橫坐標(biāo)表示.注意頂部橫坐標(biāo)相對于底部橫坐標(biāo)向東移動了30°.

        由圖6可以看到,增長率隨地理經(jīng)度變化的趨勢與磁偏角隨地理經(jīng)度的變化趨勢非常相似,但兩者之間存在約30°的相位差.在180°E至270°E(頂部橫坐標(biāo)),磁偏角為正,其值較大,變化較為平緩;與之相對應(yīng),在150°E至240°E(底部橫坐標(biāo)),盡管增長率的值在210°E經(jīng)度區(qū)出現(xiàn)一個極值,整體上看,通量管積分增長率的值相對較高,起伏變化也較小.在300°E至330°E(頂部橫坐標(biāo)),磁偏角為負(fù),其絕對值較大;對應(yīng)地,在270°E至300°E(底部橫坐標(biāo)),通量管積分增長率的值很小.在30°E經(jīng)度區(qū)(頂部橫坐標(biāo)),磁偏角的值較??;對應(yīng)地,在0°E經(jīng)度區(qū)(底部橫坐標(biāo)),通量管積分增長率的值很大.這意味著磁偏角的變化對瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的發(fā)展有顯著影響.較大的東向磁偏角有利于瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的發(fā)展,而較大的西向磁偏角抑制瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的發(fā)展.

        圖7給出沿整條通量管的磁子午面內(nèi)垂直磁力線的積分垂直中性風(fēng)場的大?。╝)和線性增長率(b)隨地理經(jīng)度的變化.磁力線頂點高度為420km.圖中和增長率分別根據(jù)式(4a)和(6)計算得到.

        圖6 磁偏角(實線)和沿整條通量管的積分線性增長率(虛線)隨地理經(jīng)度的變化Fig.6 Flux-tube integrated growth rate(dashed-line)and declination(solid line)versus the geographic longitudes

        圖7 沿整條通量管的磁子午面內(nèi)垂直磁力線的積分垂直風(fēng)場(a)和線性增長率(b)隨地理經(jīng)度的變化Fig.7 Integrated neutral wind(a)and flux-tube integrated growth rate(b)versus the geographic longitudes

        由圖7可以看到,在大部分經(jīng)度區(qū),磁子午面內(nèi)垂直于磁力線的熱層風(fēng)場絕對值隨地理經(jīng)度的變化趨勢與增長率的變化趨勢相反.隨著積分中性風(fēng)場的絕對值增大,增長率的值逐漸減??;隨著中性風(fēng)場的絕對值減小,增長率的值逐漸增大.增長率隨地理經(jīng)度的變化趨勢與積分中性風(fēng)場的變化趨勢的這種相關(guān)性意味著,當(dāng)垂直磁力線的中性風(fēng)場的值較小時,促進瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的發(fā)展,不規(guī)則結(jié)構(gòu)更易出現(xiàn),這與文獻[21]得到的結(jié)果一致.

        增長率隨地理經(jīng)度的變化趨勢與磁偏角和中性風(fēng)場隨地理經(jīng)度的變化趨勢存在相關(guān)性意味著,廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性隨經(jīng)度的變化受到磁偏角和中性風(fēng)場共同作用的影響.在增長率表達(dá)式(5)中,沒有出現(xiàn)磁偏角,說明磁偏角對增長率沒有直接的影響.而根據(jù)式(4a),磁偏角作為積分中性風(fēng)場的權(quán)因子,對增長率有間接的影響,并且對子午風(fēng)和緯圈風(fēng),權(quán)因子不同,這可能是磁偏角隨經(jīng)度變化和增長率隨經(jīng)度變化存在相位差的原因.

        圖8比較了通量管積分增長率的經(jīng)度變化與實測等離子體泡出現(xiàn)率的經(jīng)度變化.圖8a給出沿整條通量管的積分線性增長率隨地理經(jīng)度的變化.圖中增長率為1999—2004年的3月的平均值,根據(jù)式(6)計算得到.在計算增長率時,利用了ROCSAT衛(wèi)星觀測到的隨經(jīng)度變化的等離子體垂直漂移速度[22]所推算的電場.圖8b給出兩顆衛(wèi)星觀測到的等離子體泡的出現(xiàn)率(Plasma Bubble Occurrence Rate,簡稱PBOR)隨經(jīng)度的變化,實線為DMSP觀測到的1989—2002年春季(3月)磁靜期間,不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)率隨地理經(jīng)度的變化;虛線為ROCSAT觀測到的1999—2004年春季(2—4月)磁靜期間,不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)率隨地理經(jīng)度的變化.圖8b是基于文獻[23]和[24]的結(jié)果重新制作.

        圖8 通量管積分增長率的經(jīng)度變化(a)與實測等離子體泡出現(xiàn)率的經(jīng)度變化(b)的比較Fig.8 Flux-tube integrated growth rate(a)and plasma bubble occurrence rate(b)versus the geographic longitudes

        由圖8b可以看到,盡管ROCSAT與DMSP衛(wèi)星軌道高度不同,整體上看,它們測量到的等離子體泡出現(xiàn)率隨經(jīng)度變化的特征基本一致,從330°E至30°E,等離子體泡出現(xiàn)率較高,而從180°E至240°E,等離子體泡出現(xiàn)率較低.比較圖8a和圖8b可以看到,理論計算得到的增長率隨地理經(jīng)度的變化趨勢與衛(wèi)星觀測到的不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率的經(jīng)度變化存在一些類似的特征.從270°E至150°E,增長率的變化趨勢和不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率的變化趨勢基本相同,增長率的極大值和不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率的極大均出現(xiàn)在0°E附近,在210°E和285°E附近都出現(xiàn)極小.這表明廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性是導(dǎo)致不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的主要機制,通量管積分廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性線性演化過程分析用于預(yù)測不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)有指導(dǎo)性的意義,可以在一定程度上有效地反映包含非線性演化過程在內(nèi)的電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的活動特征.

        不過,比較圖8a和圖8b也可以看到,有一些經(jīng)度區(qū)域,增長率的變化趨勢和不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率的變化趨勢不完全一致.這種不一致性表明,瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的線性增長率僅反映不穩(wěn)定性的線性發(fā)展,而衛(wèi)星觀測到的不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率包含瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的線性發(fā)展階段和非線性演化階段,過程很復(fù)雜,僅開展線性演化過程分析不足以描述電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的逐日變化.另外,增長率的變化趨勢與不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率的變化趨勢之間的差異也可能意味著,不規(guī)則結(jié)構(gòu)的經(jīng)度變化還受到其他因素的影響,如隨經(jīng)度變化的磁場強度等[25].同時,瑞利-泰勒不穩(wěn)定性在F層底部觸發(fā)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)不一定都會上升至F層頂部[26],這也可能使瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的線性增長率的變化規(guī)律與衛(wèi)星觀測結(jié)果存在差異.

        Iyer等[9]利用地基測量手段,比較分析地磁緯度相近的印度和巴西擴展F的出現(xiàn)率,結(jié)果發(fā)現(xiàn),印度(75°E)擴展F出現(xiàn)率的極大出現(xiàn)在午夜前的兩分點期間,巴西(38°W)擴展F出現(xiàn)率的極大出現(xiàn)在12月至點期間,兩個不同經(jīng)度扇區(qū)擴展F出現(xiàn)率隨季節(jié)變化的特征不同可能與磁偏角不同有關(guān).通過比較南美洲東海岸的巴西(38°W)和西海岸的秘魯(77°W)與阿根廷(64.5°W)的地基觀測資料,Abdu等[8,27]發(fā)現(xiàn),同處于赤道異常區(qū)磁緯相近的這三個地點,擴展F出現(xiàn)率和閃爍活動對地方時和季節(jié)的依賴呈現(xiàn)顯著不同的特征,他們認(rèn)為這是電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率受到磁偏角控制的結(jié)果.比較圖6和圖8b,在磁偏角較大,即地理子午面與地磁子午面夾角較大的經(jīng)度區(qū),如180°E—270°E(磁偏角為正)和300°E—330°E(磁偏角為負(fù)),不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)率均不高,處于中等或較低水平,通量管積分線性增長率也較低;在磁偏角較小的經(jīng)度區(qū),如345°E—30°E附近,不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)率較高,在0°E附近有極大值出現(xiàn),對應(yīng)的通量管積分線性增長率也較高.在磁偏角變化較為平緩的180°E—240°E經(jīng)度區(qū),不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率和通量管積分線性增長率的變化趨勢均較為平緩.比較本文理論計算結(jié)果和地基與天基測量結(jié)果說明,磁偏角對電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率的控制作用,實際上反映它是促進還是抑制瑞利-泰勒不穩(wěn)定性線性增長.

        對于不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率在不同經(jīng)度區(qū)的差異,除了磁偏角的影響,還應(yīng)考慮中性風(fēng)場的作用[28].比較圖7和圖8b,在不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率較大的0°E—15°E經(jīng)度區(qū),中性風(fēng)場的值較??;在不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率相對較低的255°E—315°E經(jīng)度區(qū),積分中性風(fēng)場的值較大.在30°E—60°E經(jīng)度區(qū),隨著中性風(fēng)場的值逐漸增大,不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)率逐漸減小.這表明中性風(fēng)場可能是影響不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)率的經(jīng)度變化的另一重要控制因素,強中性風(fēng)場會抑制不規(guī)則結(jié)構(gòu)的生成和發(fā)展[21].

        4 結(jié) 論

        本文利用通量管積分技術(shù),考查了半球不對稱對廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的影響,并討論了影響廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性經(jīng)度變化的因素,將計算得到的線性增長率與衛(wèi)星觀測結(jié)果進行了對比分析.理論分析和數(shù)值計算結(jié)果表明:

        (1)通量管積分廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性線性增長率存在顯著的半球不對稱.在利用通量管積分方法研究低緯-赤道電離層中的電動力學(xué)過程和等離子體不穩(wěn)定性時,應(yīng)對整條通量管積分,而不能用某一半球積分的兩倍代替整條通量管積分.

        (2)通量管積分廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性線性增長率存在對地理經(jīng)度的依賴,廣義瑞利-泰勒不穩(wěn)定性是導(dǎo)致不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的主要機制.磁偏角和中性風(fēng)場可能是導(dǎo)致瑞利-泰勒不穩(wěn)定性和不規(guī)則結(jié)構(gòu)經(jīng)度變化的重要控制因素.

        對于中性風(fēng)場和磁偏角對背景電離層和等離子體不穩(wěn)定性的影響,包括對粒子運動過程和粒子的密度分布和溫度變化等;對于影響瑞利-泰勒不穩(wěn)定性和不規(guī)則結(jié)構(gòu)經(jīng)度變化的其他因素,如等離子體垂直漂移和磁場強度等,都有必要利用電離層理論模型對其中的動力學(xué)過程進行進一步研究.

        附錄 公式(3)和(4)的推導(dǎo)在偶極坐標(biāo)系(q,s,l)中,垂直于磁力線的橫向電流密度jq和js可以表示為[16]

        式中q在磁子午面內(nèi)沿垂直地磁場B的方向(向外為正);s為磁子午面的法線方向(向東為正),l沿B的方向.Eq(s)和uq(s)為背景電場和中性風(fēng)場在q和s方向的分量,σP為Pedersen電導(dǎo)率,σH為Hall電導(dǎo)率,νin為離子-中性成分碰撞頻率.

        磁感應(yīng)強度B和重力加速度gq由下式給出[15]:

        式中g(shù)0,B0分別表示地表(L=1)磁赤道上的重力加速度和磁感應(yīng)強度;ζ=sinθ,θ為磁緯;L為McIlwain參數(shù).

        環(huán)腐棒桿菌在種薯中越冬,成為翌年初侵染源。病薯播下后,一部分芽眼腐爛不發(fā)芽,一部分是出土的病芽,病菌沿維管束上升至莖中部或沿莖進入新結(jié)薯塊而致病。適合環(huán)腐棒桿菌生長溫度20~23℃,最高31~33℃,最低1~2℃。致死溫度為干燥情況下50℃。

        從極坐標(biāo)系到偶極坐標(biāo)系,電場的變換關(guān)系為

        定義等效到赤道面內(nèi)沿磁力線積分的橫向電流Jφ和JL為[15]

        RE為地球半徑.考慮到南北半球不對稱,沿通量管的積分將在南北半球分別進行.

        積分長度變元為

        把式(A7)代入式(A6),并利用定義式(A2)至(A5),整理后得到

        沿磁力線的積分路徑從E層底部(~100km,ζ=ζm)到磁力線頂點(赤道處,ζ=0).

        定義通量管積分參量

        寫成矢量的形式

        式(A13)即為文中式(3c),定義式(A10c)至(A10e)即文中式(4c)至(4e).注意,在導(dǎo)出式(A13)的過程中,應(yīng)用了以下假設(shè):Eq和Es是空間均勻的;σP、σH、uq、us和νin不隨φ和L變化,僅僅是θ的函數(shù);同時,忽略了含σH的積分量.

        考慮磁偏角和磁傾角的影響時,中性風(fēng)場的表達(dá)式為

        式中ux和uy分別為地理坐標(biāo)系中的子午風(fēng)和緯圈風(fēng),D和I分別為磁偏角和磁傾角.將其代入式(A10c)和(A10d)中,得到

        式(A14a)和(A14b)即為文中式(4a)和(4b).

        定義粒子流通量為[15]

        垂直于磁力線的橫向電子速度分量為[16]

        將式(A7b)和(A7c)分別代入式(A15)中,得到

        將式(A16)分別代入式(A17a)和(A17b),并利用式(A4)、(A5)和(A7a),可得到

        定義

        得到

        式(A20)即為文中式(3a).式(A21)即為文中的式(3b).

        (References)

        [1] Kelley M C.The Earth′s Ionosphere:Plasma Physics and Electrodynamics(2nd ed).Elsevier,2009.

        [2] Shimazaki T.A statistical study of world-wide occurrence probability of spread F,1,Average state.J.Radio Res.Lab.,1959,6:669-687.

        [3] Béghin C,Pandey R,Roux D.North-south asymmetry in quasi-monochromatic plasma density irregularities observed in night-time equatorial F-region.Adv.Space Res.,1985,5(4):209-212.

        [4] Yokoyama T,Su S Y,F(xiàn)ukao S.Plasma blobs and irregularities concurrently observed by ROCSAT-1and Equatorial Atmosphere Radar.J.Geophys.Res.,2007,112:A05311,doi:10.1029/2006JA012044.

        [5] Aydogdu M.North-south asymmetry in the ionospheric equatorial anomaly in the African and the West Asian regions produced by asymmetrical thermospheric winds.J.Atmos.Terr.Phys.,1988,50(7):623-647.

        [6] Eyfrig R W.The effect of the magnetic declination on the F2layer.J.Geophys.Res.,1963,68(9):2529-2530.

        [7] Tsundoa R T.Control of the seasonal and longitudinal occurrence of equatorial scintillations by the longitudinal gradient in integrated E region Pedersen conductivity.J.Geophys.Res.,1985,90(A1):447-456.

        [8] Abdu M A,Bittencourt J A,Batista I S.Magnetic declination control of the equatorial F region dynamo electric field development and spread F.J.Geophys.Res.,1981,86(A13):11443-11446.

        [9] Iyer K N,Jivani M N,Pathan B M,et al.Equatorial spread F:Statistical comparison between ionosonde and scintillation observations and longitude dependence.Adv.Space Res.,2003,31(3):735-740.

        [10] Abdu M A,Batista I S,Sobral J H A.A new aspect of magnetic declination control of equatorial spread F and F region dynamo.J.Geophys.Res.,1992,97(A10):14897-14904.

        [11] 肖佐,張?zhí)烊A.擴展F全球分布特點的理論分析.科學(xué)通報,2001,46(7):597-599.Xiao Z,Zhang T H.A theoretical analysis of global characteristics of spread F.Chinese Sci.Bull.(in Chinese),2001,46(7):597-599.

        [12] Sultan P J.Linear theory and modeling of the Rayleigh-Taylor instability leading to the occurrence of equatorial spread F.J.Geophys.Res.,1996,101(A12):26875-26891.

        [13] Basu B.On the linear theory of equatorial plasma instability:Comparison of different descriptions.J.Geophys.Res.,2002,107(A8):1199,doi:10.1029/2001JA000317.

        [14] 羅偉華,徐繼生,徐良.積分電導(dǎo)率對廣義R-T不穩(wěn)定性的影響.電波科學(xué)學(xué)報,2010,25(5):876-882.Luo W H,Xu J S,Xu L.Effects of flux tube integrated conductivity and its zonal gradient on the generalized R-T instability.Chinese J.Radio Sci.(in Chinese),2010,25(5):876-882.

        [15] Haerendel G,Eccles J V,Cakir S.Theory for modeling the equatorial evening ionosphere and the origin of the shear in the horizontal plasma flow.J.Geophys.Res.,1992,97(A2):1209-1223.

        [16] 羅偉華,徐繼生,徐良.赤道電離層R-T不穩(wěn)定性發(fā)展的控制因素分析.地球物理學(xué)報,2009,52(4):849-858.Luo W H,Xu J S,Xu L.Analysis of controlling factors leading to the development of R-T instability in equatorial ionosphere.Chinese J.Geophys.(in Chinese),2009,52(4):849-858.

        [17] Bilitza D.International reference ionosphere 2000.Radio.Sci.,2001,36(2):261-275.

        [18] Picone J M,Hedin A W,Drob D P,et al.NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere:Statistical comparisons and scientific issues.J.Geophys.Res.,2002,107(A12):1468,doi:10.1029/2002JA009430.

        [19] Drob D P,Emmert J T,Crowley G,et al.An empirical model of the Earth′s horizontal wind fields:HWM07.J.Geophys.Res.,2008,113:A12304,doi:10.1029/2008JA013668.

        [20] McDonald S E,Dymond K F,Summers M E.Hemispheric asymmetries in the longitudinal structure of the low-latitude nighttime ionosphere.J.Geophys.Res.,2008,113:A08308,doi:10.1029/2007JA012876.

        [21] Mendillo M,Baumgardner J,Pi X Q,et al.Onset conditions for equatorial spread F.J.Geophys.Res.,1992,97(A9):13865-13876.

        [22] Kil H,Paxton L J,Oh S J.Global bubble distribution seen from ROCSAT-1and its association with the evening prereversal enhancement.J.Geophys.Res.,2009,114:A06307,doi:10.1029/2008JA013672.

        [23] Burke W J,Gentile L C,Huang C Y,et al.Longitudinal variability of equatorial plasma bubbles observed by DMSP and ROCSAT-1.J.Geophys.Res.,2004,109:A12301,doi:10.1029/2004JA010583.

        [24] Su S Y,Chao C K,Liu C H.On monthly/seasonal/longitudinal variations of equatorial irregularity occurrences and their relationship with the postsunset vertical drift velocities.J.Geophys.Res.,2008,113:A05307,doi:10.1029/2007JA012809.

        [25] Vichare G,Richmond A D.Simulation study of the longitudinal variation of evening vertical ionospheric drifts at the magnetic equator during equinox.J.Geophys.Res.,2005,110:A05304,doi:10.1029/2004JA010720.

        [26] Hysell D L.An overview and synthesis of plasma irregularities in equatorial spread F.J.Atmos.Sol.Terr.Phys.,2000,62(12):1037-1056.

        [27] Abdu M A,Sobral J H A,Batista I S,et al.Equatorial spread-F occurrence statistics in the American longitudes:Diurnal,seasonal and solar cycle variations.Adv.Space Res.,1998,22(6):851-854.

        [28] Maruyama T.A diagnostic model for equatorial spread F,1,Model description and application to electric field and neutral wind effects.J.Geophys.Res.,1988,93(A12):14611-14622.

        Investigation of hemispheric asymmetry and longitudinal variation of flux-tube integrated Rayleigh-Taylor instability

        LUO Wei-Hua,XU Ji-Sheng*,TIAN Mao
        School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430079,China

        The effects of south-north hemispheric asymmetry of background ionosphere and the neutral wind and declination variations with longitudes on the development and evolution of generalized Rayleigh-Taylor instability are studied,using the method of flux-tube integration in geomagnetic north-south hemispheres independently.The results indicate that the flux-tube integrated linear growth rate of generalized Rayleigh-Taylor instability shows significant southnorth asymmetry,the hemispherical-asymmetric neutral wind may be a key factor for the southnorth asymmetric distribution of ionospheric irregularities,and the neutral wind and the declination varying with longitudes have important impacts on the longitudinal variation of Rayleigh-Taylor instability,they could be the major control factors to cause the longitudinal effects of ionospheric irregularities.

        Flux-tube Rayleigh-Taylor instability,Neutral wind,Declination,Hemispheric asymmetry,Longitudinal variation

        10.6038/j.issn.0001-5733.2012.04.002

        P353

        2011-03-28,2012-02-04收修定稿

        國家自然科學(xué)基金項目(40874085,41004071)資助.

        羅偉華,男,1983年生,2009年畢業(yè)于武漢大學(xué),現(xiàn)為武漢大學(xué)博士后,主要從事電離層和電波傳播研究.E-mail:whlu@whu.edu.cn

        *通訊作者徐繼生,E-mail:jsxu@whu.edu.cn

        羅偉華,徐繼生,田茂.通量管積分瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的半球不對稱和隨經(jīng)度變化的研究.地球物理學(xué)報,2012,55(4):1078-1087,

        10.6038/j.issn.0001-5733.2012.04.002.

        Luo W H,Xu J S,Tian M.Investigation of hemispheric asymmetry and longitudinal variation of flux-tube integrated Rayleigh-Taylor instability.Chinese J.Geophys.(in Chinese),2012,55(4):1078-1087,doi:10.6038/j.issn.0001-5733.2012.04.002.

        (本文編輯 何 燕)

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