薛 昆 許正文 吳 健 張雅彬 徐 彬 趙海生 馬征征 謝守志

高緯極區(qū)電離層離子聲波譜線增強事件的研究

薛 昆 許正文 吳 健 張雅彬 徐 彬 趙海生 馬征征 謝守志

（中國電波傳播研究所電波環(huán)境特性及?；夹g國家重點實驗室，山東青島266107）

通過對子午掃描光度計以及歐洲斯瓦爾巴特群島非相干散射雷達2004年1月22日的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)非相干散射譜中出現(xiàn)的離子聲波譜線增強發(fā)生在紅色極光散射的區(qū)域內(nèi)或附近，光學數(shù)據(jù)表明紅色極光散射強度范圍為4～32kR，而在發(fā)生離子聲波譜線的自然增強現(xiàn)象時紅色極光散射強度水平高于15kR.因此，極光粒子沉降與離子聲波譜線增強具有一定的相關性.基于場向電流不穩(wěn)定性模型，對發(fā)生離子聲波譜線增強的雷達數(shù)據(jù)進行了分析，反演得到的場向電流量級達到了mAm－2量級.進一步采用修正的場向電流不穩(wěn)定解釋離子聲波譜線時，由于場向熱流的引入，反演得到的場向電流會變的更大.

離子聲波譜線的自然增強；場向電流密度；非相干散射譜；非相干散射雷達

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

引 言

利用非相干散射雷達對高緯極區(qū)電離層進行探測時，雷達接收到的功率譜在離子聲波頻率處經(jīng)常出現(xiàn)增強的現(xiàn)象，比如出現(xiàn)離子聲波譜線的上譜峰、下譜峰或者上下譜峰同時增強，這種現(xiàn)象稱為離子聲波譜線的自然增強（Naturally Enhanced Ion Acoustic Lines，NEIAL）.根據(jù)非相干散射雷達的觀測結果，可以看出，發(fā)生NEIAL時離子譜線的強度要比正常情況下高出2～3個量級.在非相干散射雷達觀測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)自然離子聲波譜線增強的現(xiàn)象20多年了，許多的研究者對其進行了研究與討論，提出了不同的機理解釋與說明，但是到目前為止仍然存在爭議.

早在1988年，F(xiàn)oster等利用位于美國馬薩諸塞州（磁緯55°）的Millstone Hill雷達（440MHz）第一次觀測到了NEIAL現(xiàn)象［1］.隨后1991年Collis和Rietveld等人在極光區(qū)利用歐洲非相干散射聯(lián)合會（European Incoherent Scatter，EISCAT）位于挪威特羅姆瑟（磁緯66°）的超高頻和甚高頻雷達（224 MHz，930MHz）也觀測到了該現(xiàn)象，并且Collis等指出該離子聲波譜線增強的現(xiàn)象與強紅極光弧的邊緣具有一定的相關性.而Rietveld等指出軟電子的場向流動在電離層中形成電場導致產(chǎn)生的熱電子的漂移引起了等離子體的不穩(wěn)定性［2－3］.另外，Wahlund等人則認為離子聲波譜線增強現(xiàn)象與等離子體的外流以及極區(qū)粒子沉降具有很強的相關性［4］.Sedgemore等在離子聲波譜線增強的時候，利用極光光度掃描儀在極尖／極隙區(qū)，觀測到了向極區(qū)運動的極光瞬時現(xiàn)象，頂部的電子離子溫度比大約是3［5］.Blixt等在發(fā)生離子聲波譜線增強時的向陽面極尖／極隙區(qū)發(fā)現(xiàn)了非?；钴S的極光［6］.此外，在以上的所有事件中，利用光學數(shù)據(jù)都得到了紅色極光散射.Str?mme等指出由于低能電子束（8～80 eV）的存在使得離子線譜和等離子體線譜同時出現(xiàn)了增強［7］.2007年，Lunde等人的研究表明，高能粒子沉降對于產(chǎn)生NEIAL現(xiàn)象起著很重要的作用［8］.2008年Sullivan等人的研究結果表明，NEIAL現(xiàn)象的發(fā)生與低能（100eV）光學散射的直接關系是和低能電子流驅(qū)動的朗謬爾參量衰減理論解釋NEIAL一致［9］.

目前用于解釋NEIAL現(xiàn)象的理論主要分為以下三種：

1）電流驅(qū)動的不穩(wěn)定性.所謂的電流驅(qū)動的不穩(wěn)定性，是由于熱電子的漂移引起了離子聲波的不穩(wěn)定性.它需要量級約為1mAm－2的場向電流密度，這么強的電流密度是由于沉降粒子引起的平行電場或者水平電導率引起的［1－2］.

2）離子－離子雙流不穩(wěn)定性.這種不穩(wěn)定性的發(fā)生是由于兩種離子成分的相對漂移而引起的.Wahlund最早提出了采用離子－離子雙流不穩(wěn)定性的理論來解釋離子聲波譜線增強的現(xiàn)象［4］.

3）朗繆爾波的參量衰減.離子聲波與高頻朗繆爾（等離子體）波通過準線性波耦合產(chǎn)生了朗繆爾波參量衰減，從而導致離子聲波起伏增強［7］.沉降的電子可能導致朗繆爾波的增強，進而激發(fā)波－波相互作用.因此，只要粒子束參數(shù)選擇合適，那么粒子驅(qū)動的朗繆爾波的參量衰減就能夠使得離子聲波譜線的上譜峰、下譜峰或者同時出現(xiàn)增強.

本文給出了利用EISCAT位于Longyearbyen（78.150°N，16.030°E）的Svalbard雷達（EISCAT Svalbard Radar，ESR）在2004年1月22日觀測到的NEIAL事件，ESR是一個500MHz的單站非相干散射雷達，其發(fā)射的峰值功率約為1MW，同時具有25%的占空比.這套雷達系統(tǒng)由兩個拋物線天線組成，直徑分別為32m和42m.我們選取ESR雷達在世界時（Universal Time，UT）08：00－10：00時間內(nèi)的雷達觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在這個時間段雷達觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)了多次NEIAL現(xiàn)象.同時Longyearbyen當?shù)氐牡卮胖笖?shù)K大約為5，在午夜過后達到了最大值7.表明在觀測時段內(nèi)發(fā)生了中等強度的磁暴.這可能與2天前發(fā)生的日冕物質(zhì)拋射事件有關.同樣通過Dst指數(shù)也證明了這一點.這和1996年Rietveld對觀測的5 000小時數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析很一致，他指出在發(fā)生NEIAL現(xiàn)象時K指數(shù)一般都是大于或者等于4［10］.

1 光學與非相干散射雷達的觀測結果

1.1子午掃描光度計

利用位于Longyearbyen站的子午掃描光度計（Meridian Scanning Photometer，MSP）從另一方面給出了極光的觀測結果，該觀測站點距離非相干散射雷達站約7km左右.

圖1給出了2004年1月22日Longyearbyen的MSP從UT00：40至10：15期間的觀測結果，摘自網(wǎng)站http：／／photon.gi.alaska.edu／～msparc／lyrarchive.html，從上到下依次為486.1nm［Balmer Hβ］，557.7nm［OI］，427.8nm［1NG］和630.0nm［OI］散射譜線.圖中給出的是南北向的極光活動，0°表示水平方向地磁北向，90°表示地磁天頂方向，180°表示水平方向地磁南向，強度是以顏色來表示的，單位為瑞利（Rayleighs，R）.由圖1可以看出：大約UT01：45開始MSP得到的所有譜線均出現(xiàn)了增強現(xiàn)象，此時觀測點的位置位于統(tǒng)計上的極蓋區(qū)域內(nèi)，這種活躍性一直持續(xù)了1.5h；大約UT03：00時刻開始出現(xiàn)向赤道方向的減弱；而在UT06：00時刻以后，在記錄點往南又重新出現(xiàn)了增強.

圖1 從北向南MSP的極光散射測量結果

1.2非相干散射雷達的觀測結果

本文使用的數(shù)據(jù)是利用EISCAT位于斯瓦爾巴德島的ESR雷達的42m天線得到的，其方位角為182.1°，仰角為81.6°.觀測距離在78～1 250km之間.積分時間為6.4s.

通過對雷達數(shù)據(jù)的分析表明，在UT08：50－10：00時間內(nèi)確認總共發(fā)生了68次NEIAL事件，UT08：53第一次觀測到了NEIAL事件，最后一次出現(xiàn)NEIAL事件在UT09：55.

分析其中41次發(fā)生的中等離子聲波譜線增強的事件，結果表明：9次離子聲波左右兩邊的譜線強度同時出現(xiàn)了增強；28次離子聲波左邊的譜線強度增強大于右邊；只有4次離子聲波右邊的譜線強度增強大于左邊.這和Rietveld得到的結果基本一致［10］.類似的，Blixt等的研究表明，NEIAL事件常常發(fā)生在500km以上的高度［6］.Forme等人利用甚高頻雷達的觀測結果發(fā)現(xiàn)NEIAL事件發(fā)生在800km高度［11］.

圖2 UT09：10－09：55不同時刻離子聲波譜線強度隨高度和頻率變化的剖面圖

圖2 給出了一個發(fā)生離子聲波譜線增強最明顯的事例.從頂部的兩幅圖可以看出離子聲波譜線強度出現(xiàn)了明顯的不對稱現(xiàn)象.較低的高度上，離子聲波右邊的譜線強度明顯強于左邊，而在較高的高度上，離子聲波左邊的譜線強度強于右邊.

圖3給出了電子密度、電子溫度、離子溫度、離子漂移速度以及Longyearbyen的MSP的630.0 nm［OI］散射強度隨時間和高度變化的剖面圖.在發(fā)生NEIAL的時間內(nèi)，圖3（a）給出的電子密度在整個F層的高度上達到了1011～1012m－3.約UT 08：50開始，300km以上電子溫度出現(xiàn)了增強，電子溫度變得非常高，達到了4 000～5 000K.在經(jīng)常出現(xiàn)NEIAL事件的600km高度處，電子溫度大致從3 000K增大到了5 000K.而在沒有發(fā)生NEIAL事件的400km以下的高度，電子溫度只有約2 500～3 500K.具體參見圖3（b）.

而在發(fā)生NEIAL事件的時間段內(nèi)，離子溫度的升高并不明顯，在230～600km高度范圍的區(qū)間內(nèi)離子溫度大約為2 000～3 000K左右，在沒有發(fā)生NEIAL事件時，電子離子溫度比約為1.7.而在NEIAL現(xiàn)象第一次發(fā)生UT08：53前后，離子溫度的大小約為1 500～1 800K，此時電子離子溫度的比值出現(xiàn)了明顯的增加，達到了約2.5，這和Wahlund給出的發(fā)生離子聲波譜線增強時的電離層參數(shù)值一致［12］.具體參見圖3（c）.

圖3（d）給出了離子漂移速度隨高度和時間變化的剖面圖（正值表示離開雷達），可以看出在發(fā)生NEIAL事件期間，在500km高度以上，向上的離子漂移速度達到了400m／s，這個觀測結果和Wahlund等人的研究結果是一致的［12］.

圖3（e）給出了MSP630nm紅線極光散射強度增強以及向極向延伸的結果，出現(xiàn)增強的時間段與發(fā)生NEIAL事件是對應的，大約從UT08：50開始（摘自Lorentzen［13］）.

但是，需要指出的是，圖3中所得到的物理參數(shù)都是通過EISCAT的GUISDAP程序包基于標準的麥克斯韋分布得到的.而在發(fā)生NEIAL事件時，由于電離層等離子體處于非平衡態(tài)，此時得到的結果可能會不準確.

圖3 從上到下依次為電離層等離子體參數(shù)的剖面圖及極光散射強度圖

2 理論解釋與NEIAL現(xiàn)象的反演研究

2.1NEIAL現(xiàn)象的理論解釋

Collis等1991年的觀測結果表明紅色譜線的強度和NEIAL現(xiàn)象的發(fā)生之間存在著很明顯的關聯(lián).通過對2004年的ESR雷達數(shù)據(jù)以及MSP數(shù)據(jù)的分析結果也證實了這一關系.MSP數(shù)據(jù)觀測結果表明630nm紅色極光散射強度變化從4～32 kR，在發(fā)生NEIAL事件的時間段內(nèi)，MSP觀測到的630nm的紅色極光散射強度水平高于15kR.這和Collis等人給出的結論是一致的［2］.而高強度的630nm紅色極光散射是發(fā)生低能電子沉降的一個顯著標志，這樣的沉降對于解釋NEIAL現(xiàn)象是非常重要的.

通過對2004年1月22日ESR雷達的數(shù)據(jù)分析表明，在發(fā)生NEIAL現(xiàn)象時，電子和離子溫度比出現(xiàn)了增強.這與Foster，Rietveld等研究是一致的［1，3］，在NEIAL期間發(fā)生的溫度和電子密度增強的現(xiàn)象毫無疑問是粒子沉降的結果.

2.2NEIAL現(xiàn)象的反演研究

采用場向電流不穩(wěn)定性來解釋上述的離子聲波譜線增強的現(xiàn)象.對于場向電流不穩(wěn)定性可以通過下面的公式來描述.對麥克斯韋分布下的電子分布函數(shù)，考慮引入場向電流密度j‖后，此時一維的電子的分布函數(shù)可以表示為

考慮到實際發(fā)生電子沉降事件時，沿著地磁場的方向上，不僅可以引起場向電流，同時還會帶來熱流的貢獻.因此，為了更加準確地描述發(fā)生電子沉降時電子的離子分布函數(shù)，引入場向熱流項，對上述的場向電流不穩(wěn)定性模型進行修正，得到的電子分布函數(shù)滿足［11］

式中：f（b）＝ne（2π）－3／2β⊥（β‖）1／2exp（－β⊥c2e⊥／2－ β‖／2）為零階的雙麥克斯韋分布，β⊥＝mi／kBTe⊥，β‖＝me／kBTe‖，Te⊥＝Tn和Te‖＝Tn＋（me／kB）u2‖分別為垂直和平行于磁場的電子溫度；Φe＝－β2‖／2neme（1－β‖c2e‖／3）qe‖.ce‖，ce＝ve－〈v〉為無規(guī)速度，qe‖＝neme〈c2e‖ce〉為平行磁場的熱流矢量.由于電子分布函數(shù)可以表示成式（3）的形式，于是可以得到平行磁場的離子熱流矢量項

沿著磁場方向電子的漂移速度為u‖e3，根據(jù)無規(guī)速度的定義有ce‖＝（ve－u‖）e3，而ce⊥＝v1e1＋ v2e2，其中v1，v2，v3分別是速度ve的三個分量.e3是平行于磁場的方向.對垂直于磁場方向的平面進行積分，可以得到沿著磁場方向的電子的分布函數(shù)為

利用GUISDAP程序包（基于標準的麥克斯韋分布）處理2004年1月22日發(fā)生離子聲波譜線增強的實測數(shù)據(jù)，得到離子聲波上譜線、下譜線或者上下譜線同時增強的現(xiàn)象.出現(xiàn)離子聲波上譜線或下譜線增強時，上下兩個譜線的峰值比范圍約在2～20之間變化，而理論上的麥克斯韋分布得到的離子聲波譜線卻是對稱的雙峰譜線，這就表明理論和實測的譜線之間存在著很大的差異.因此，采用標準的麥克斯韋分布程序來處理發(fā)生離子聲波譜線增強時的數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生很大的誤差，甚至錯誤.

采用場向電流不穩(wěn)定性，認為離子速度分布函數(shù)滿足麥克斯韋分布，而電子速度分布函數(shù)可以表示為式（1）或式（5），根據(jù)非相干散射理論計算得到離子聲波譜線，并與發(fā)生離子聲波譜線增強的雷達數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到修正場向電流不穩(wěn)定性模型下的場向電流密度值.

作為示例，選取2004年1月22日UT09：15：24時刻的數(shù)據(jù)進行研究，選取700～900km的電離層高度范圍，圖4（a）和（b）分別給出了利用場向電流不穩(wěn)定性模型和修正場向電流不穩(wěn)定性模型計算反演得到的場向電流密度.其中，小圓圈代表非相干散射雷達的實測數(shù)據(jù)，黑實線表示由模型理論計算得到的非相干散射譜線，各個高度上電子密度的取值由IRI2007模型給出，從圖中可以看出，兩種不穩(wěn)定性模型反演得到的場向電流密度量級均為mAm－2，這和Collis等人獲得的結果是一致的［2］.但是由于該修正模型中引入了場向熱流項的貢獻，而場向熱流項的前面存在負號.因此同等條件下減弱了離子聲波譜線的不對稱性，進而得到的場向電流結果偏大.

下面分別對采用兩種不穩(wěn)定性模型反演的結果進行誤差分析.采用反演的均方根誤差表征反演結果的好壞.表1給出了UT09：15：24三個高度上反演結果的均方根誤差.結果表明，采用修正的場向電流不穩(wěn)定性模型反演結果優(yōu)于場向電流不穩(wěn)定性模型反演的結果.

圖4 采用不穩(wěn)定性模型反演得到的不同高度上的場向電流

表1 兩種模型反演結果的均方根誤差／（w·（kHz）－1）

3 結 論

本文利用子午掃描光度計對極光事件進行了分析研究，同時對同一時段的EISCAT的雷達數(shù)據(jù)進行了分析處理.通過對光學數(shù)據(jù)以及非相干散射雷達數(shù)據(jù)的研究分析，發(fā)現(xiàn)非相干散射譜中出現(xiàn)增強的離子聲波譜線發(fā)生在紅色極光散射的區(qū)域內(nèi)或者附近，因此極光區(qū)粒子沉降與離子聲波譜線增強存在著一定相關性.MSP數(shù)據(jù)觀測結果表明紅色極光散射強度變化從4～32kR，在觀測到NEIAL現(xiàn)象時，紅色極光散射強度水平高于15kR.這與Collis等人給出的結果是一致的.通過對相應時間段內(nèi)ESR雷達數(shù)據(jù)的分析表明，在發(fā)生NEIAL現(xiàn)象的時間段，電子和離子溫度比出現(xiàn)了增強.這和Foster，Rietveld等人以及Forme等人早期的研究是一致的.在NEIAL期間溫度和電子密度的增強現(xiàn)象直接和軟粒子沉降有關.另外，非相干散射譜線出現(xiàn)的不對稱現(xiàn)象的一般特征是在較低的高度上，離子聲波右邊譜線強度增強得比較明顯，而在較高的高度上，離子聲波左邊譜強度增強得較為明顯.

最后，利用場向電流不穩(wěn)定性理論反演得到的電流量級和前人得到的結果一致，達到了mAm－2量級.另外本文作為一種嘗試，在現(xiàn)有的場向電流不穩(wěn)定性模型的基礎上，認為電子分布函數(shù)中不僅需要包含場向電流項，同時引入了場向熱流項，這樣的電子分布函數(shù)更符合實際情況.基于此對場向電流不穩(wěn)定性模型進行修正，獲得的修正場向電流不穩(wěn)定性模型更符合實際過程.并采用修正的場向電流不穩(wěn)定性模型對發(fā)生離子聲波譜線增強的雷達數(shù)據(jù)進行了反演研究，由于場向熱流的引入，反演得到的場向電流會變得更大.隨后對兩種模型下的反演結果進行了誤差分析，結果表明采用修正的場向電流不穩(wěn)定性模型反演結果優(yōu)于場向電流不穩(wěn)定性模型反演的結果.當然更深入細致的工作需要采用大量的實驗數(shù)據(jù)進一步開展研究.

致謝：感謝EISCAT科學協(xié)會提供的雷達數(shù)據(jù).

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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，陜西人，博士，目前在中國電波傳播研究所青島分所工作，主要研究方向為電離層無線電探測技術及理論研究.

許正文（1971－），男，安徽人，研究員，中國電波傳播研究所青島分所重點實驗室副主任，主要研究方向為電離層電波傳播

吳 ?。?962－），男，安徽人，研究員，博士研究生導師，主要研究方向為空間等離子體和塵埃等離子體.

薛 昆，許正文，吳 健，等.高緯極區(qū)電離層離子聲波譜線增強事件的研究［J］.電波科學學報，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

國家自然科學基金（No.41104108，41104102）

聯(lián)系人：薛昆E－mail：xuekun22s＠163.com