亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        IMF Bz周期震蕩期間日間熱層擾動風(fēng)的經(jīng)度差異分析

        2022-03-15 09:39:06張科燈王慧王文斌劉晶高潔
        地球物理學(xué)報 2022年3期

        張科燈,王慧*,王文斌,劉晶,高潔

        1 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院空間物理系,武漢 430072 2 美國大氣研究中心高山天文臺,博爾德 80307 3 山東大學(xué)空間科學(xué)與物理學(xué)院,山東威海 264209

        0 引言

        太陽風(fēng)攜帶的能量和動量可以沉降到高緯地區(qū)的高熱層,驅(qū)動熱層-電離層耦合系統(tǒng)中的波動現(xiàn)象(Bruinsma and Forbes,2007,2009;Liu et al.,2018b).當(dāng)該波動現(xiàn)象由源區(qū)向其他區(qū)域傳播時,形成眾所周知的行進(jìn)式大氣擾動TADs.由于TADs是人們理解熱層-電離層耦合系統(tǒng)時空變化的重要物理現(xiàn)象,其物理機制的研究是近地空間天氣的模擬與預(yù)測的重要課題.

        近幾十年來,前人針對TADs物理現(xiàn)象展開了一系列研究(譬如Thome,1964;Shiokawa et al.,2003;Otsuka et al.,2004;Liu and Lühr,2005;Bruinsma and Forbes,2007;Sutton et al.,2009;Liu et al.,2010,2014,2018b;Oliveira et al.,2017;Lu et al.,2019;Zhang et al.,2019;Dang et al.,2020;Abadi et al.,2021;Liu et al.,2021;Zhang et al.,2021),前人發(fā)現(xiàn)TADs的形成與暴時粒子沉降、焦耳加熱、重力波、太陽明暗分界線等物理因素密切相關(guān)(Liu et al.,2014;Rodríguez-Zuluaga et al.,2016).暴時能量注入能增強高緯熱層的大氣溫度,改變?nèi)颦h(huán)流并通過壓力梯度力驅(qū)動TADs.重力波在中間層和低熱層普遍存在,它可以通過向上傳播的方式輸運能量與動量到更高的高度,從而產(chǎn)生TADs.Dungey(1961)首次指出行星際磁場南向分量與地磁場之間的相互作用可以產(chǎn)生地磁暴.太陽風(fēng)攜帶的大量能量與動量可以沿著開放磁力線沉降到地球高熱層,從而改變?nèi)颦h(huán)流狀態(tài)并促進(jìn)TADs產(chǎn)生.基于經(jīng)向風(fēng)、熱層溫度、熱層氧氮比O/N2、熱層大氣質(zhì)量密度等參量,科學(xué)家們研究了TADs的相速度、周期、波長等特征.典型的大尺度TADs的相速度為400~1000 m·s-1,周期為0.5~3 h,波長為數(shù)千公里;中尺度TADs的相速度為100~300 m·s-1,周期為0.25~1 h,波長為數(shù)百公里(Bruinsma and Forbes,2009).

        由Liu和Lühr(2005)的圖4,我們發(fā)現(xiàn)2003年10月29日20UT的暴時正午扇區(qū)大氣質(zhì)量密度增強呈現(xiàn)出兩種不同的特征:一是從高緯向低緯傳播的TADs;另一個是在極區(qū)與中緯扇區(qū)同時出現(xiàn)的密度增強.大氣質(zhì)量密度擾動首先出現(xiàn)于高緯(70° MLat)的12UT,其幅度為1×10-12kg-3.此后,該擾動隨時間向低緯傳播,在20UT傳播到40° MLat.與此同時,高中低緯扇區(qū)在20UT幾乎同時出現(xiàn)了較強的大氣質(zhì)量密度擾動,其幅度為1×10-12~2×10-12kg-3.二者匯合重疊于20UT與40° MLat,形成了本文所關(guān)注的復(fù)合結(jié)構(gòu),我們將之命名為TADs與瞬時擾動的組合結(jié)構(gòu).目前人們還沒有關(guān)注該現(xiàn)象及解釋其物理機制.Sharma 等(2011)報道了另一個有趣的物理現(xiàn)象,他們發(fā)現(xiàn)暴時氧氮比增強具有典型的經(jīng)度差異:Yibal(22.18° GLat(地理緯度Geographic latitude),56.11° GLat(地理經(jīng)度Geographic longitude))明顯強于昆明地區(qū)(25.03° GLat,102.79° GLon)和Udaipur(24.67° GLat,74.69° GLon).他們認(rèn)為該經(jīng)度差異與赤道向熱層風(fēng)引起的大氣向上運動現(xiàn)象密切相關(guān).因此,我們提出了一個新的問題,即熱層風(fēng)TADs是否也有明顯的經(jīng)度差異呢?

        盡管前人充分研究了熱層風(fēng)TADs,但是當(dāng)行星際磁場IMFBz呈周期震蕩時,特定地方時扇區(qū)的熱層風(fēng)會出現(xiàn)什么樣的擾動及其經(jīng)度、半球差異?目前尚未可知.由于熱層風(fēng)可輸運電離層等離子體,影響電子密度的空間分布,因此,它是我們研究熱層-電離層耦合系統(tǒng)的關(guān)鍵因素.行星際磁場周期震蕩是太陽風(fēng)蘊含的一個普遍現(xiàn)象,它會引起周期性的能量與動量沉降(Liu et al.,2018a;Zhang et al.,2019).行星際磁場周期震蕩與單個脈沖擾動的區(qū)別之處在于:單個脈沖擾動持續(xù)時間不足時,其擾動無法覆蓋正午扇區(qū)的所有經(jīng)度扇區(qū);當(dāng)單個脈沖擾動持續(xù)時間足夠覆蓋正午扇區(qū)的所有經(jīng)度時,由于能量和動量沉降的累積效應(yīng),其持續(xù)時間越久,擾動風(fēng)也愈強,無法揭示擾動風(fēng)的經(jīng)度差異;當(dāng)行星際磁場周期震蕩時,太陽風(fēng)的能量周期性的注入高空大氣,行星際磁場北向時,能量注入大幅度減少,以此削弱了太陽風(fēng)能量注入的累積效應(yīng),故而正午扇區(qū)的各個經(jīng)度區(qū)間的能量沉降接近,其擾動風(fēng)來自于單個周期的能量沉降,削弱了前期擾動的影響.綜上所述,我們致力于研究行星際磁場周期震蕩期間正午經(jīng)向擾動風(fēng)的經(jīng)度與半球差異,其中包括TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu)、TADs終止于20° MLat的結(jié)果(我們命名為TADs傳播終止現(xiàn)象,standing feature).本文揭示了正午熱層擾動風(fēng)的潛在驅(qū)動機制(包括地磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電子密度、大氣溫度等因素).

        1 衛(wèi)星觀測與模型介紹

        德國CHAMP(Challenging Minisatellite Payload)衛(wèi)星為近極軌衛(wèi)星,軌道傾角為87.3°,2001年飛行高度為460 km,由于大氣阻力的影響,衛(wèi)星于2005年下降到400 km左右,2008年下降到300 km左右.衛(wèi)星飛行周期大約為93 min,每130天覆蓋所有地方時(Reigber et al.,2002).基于加速度計的觀測數(shù)據(jù),Sutton等(2007)介紹了大氣質(zhì)量密度的反演.因此,結(jié)合H?usler 等(2007)采用的逐軌分析法,本文處理了-60°~60° GLat區(qū)間的大氣質(zhì)量密度數(shù)據(jù)以研究TADs.

        CMIT模型由兩部分組成:一是熱層電離層電動力學(xué)耦合模型(Thermosphere Ionosphere Electrodynamic General Circulation Model,TIEGCM);另一個是LFM全球磁流體模型(Lyon-Fedder-Mobarry global magnetohydrodynamic magnetospheric model)(譬如Wang et al.,2004;Wiltberger et al.,2004).TIEGCM模型是研究熱層-電離層耦合系統(tǒng)的一款三維物理模型,其外部驅(qū)動有高緯電離層電場與粒子沉降(Heelis et al.,1982),太陽活動指數(shù)F10.7(Richards et al.,1994),向上傳播的底層大氣潮汐波(Hagan and Forbes,2002,2003).大氣潮汐波(遷移與非遷移潮汐)可通過GSWM模型(Global scale wave model)模擬或者SABER/TIDI(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)觀測數(shù)據(jù)反演得到,本文使用的是GSWM輸出的遷移與非遷移潮汐波,包括日變化與半日變化波等.TIEGCM的水平精度為2.5° GLat×2.5° Glon,垂直方向上有57個等壓力面,其分辨率為0.25標(biāo)高.TIEGCM模型底邊界是97 km,頂邊界與太陽活動水平密切相關(guān),太陽活動低年是600 km,高年可達(dá)到700 km.Lyon等(2004)大致介紹了LFM模型,其外部驅(qū)動是太陽風(fēng)與行星際磁場,LFM的邊界由內(nèi)邊界2RE延伸到向陽面邊界30RE及夜側(cè)磁尾邊界300RE(RE指的地球半徑).CMIT模型的耦合框架如下:TIEGCM模擬的電離層電導(dǎo)率輸入LFM模型,LFM模型模擬的極區(qū)粒子沉降與高緯電場輸入TIEGCM.通過對比CMIT模型輸出結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)、其他模型數(shù)據(jù),前人研究表明CMIT模型可以用來研究熱層-電離層耦合系統(tǒng)物理過程(比如Cnossen and Richmond,2012;Liu et al.,2018a;Wang et al.,2008).

        為了研究IMFBz周期震蕩對熱層風(fēng)的影響,本文模擬了兩個不同的事件:一是IMFBz周期正弦震蕩,其最大幅度是10 nT,周期是60 min(如圖1a紅線);一是背景事件,IMFBz為常數(shù),其等于0 nT.其他的外部參數(shù)保持一致,比如太陽風(fēng)密度(5 cm-3),太陽風(fēng)速度(400 km·s-1),行星際磁場Bx與By均為0 nT.當(dāng)IMFBz周期震蕩時,半球能量、焦耳加熱、粒子沉降與極光卵等也會出現(xiàn)相應(yīng)的周期震蕩.

        2 結(jié)果

        2.1 TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu)

        圖1a是2003年11月11日觀測的IMFBz,其中出現(xiàn)了明顯的從數(shù)十分鐘到數(shù)小時的周期震蕩.本文使用是ACE航天器于L1拉格朗日點觀測的IMF數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)網(wǎng)址:https:∥omniweb.gsfc.nasa.gov/).與輸入CMIT模型的IMFBz相比(圖1a紅線),圖1a中觀測的IMFBz(藍(lán)線)具有相近的周期特征和幅度.本文在模型中設(shè)置行星際磁場Bz的震蕩幅度為10 nT,是為了在全球電離層-熱層耦合系統(tǒng)中引入足夠強的擾動,以此研究其引起的TADs相位突變和傳播終止現(xiàn)象.圖1b是減去CHAMP衛(wèi)星觀測的平靜期(2003年11月8日,Kp=1.8)之后的2003年11月11日12LT(local time)中低緯扇區(qū)大氣質(zhì)量密度擾動.由于CHAMP無法直接觀測低緯經(jīng)向風(fēng),因此,我們采用大氣質(zhì)量密度來代表TADs.眾所周知,熱層大氣的流動形成了熱層風(fēng).因此,緯向風(fēng)的時空變化代表了大氣成分的緯向移動,經(jīng)向風(fēng)則代表熱層大氣的子午向流動.大氣質(zhì)量密度擾動出現(xiàn)了兩個不同的特征:一、幾乎同時出現(xiàn)于-60°~-30°GLat扇區(qū)的密度增強(Orbit 2),且Orbit 2的大氣質(zhì)量密度增強明顯強于其他軌道.我們之所以認(rèn)為Orbit 2的大氣質(zhì)量密度增強幾乎同時出現(xiàn),是因為CHAMP衛(wèi)星的軌道速度為7.6 km·s-1,遠(yuǎn)大于TADs的相速度;二、-40°GLat處大氣質(zhì)量密度擾動(Orbit 2)在2 h內(nèi)傳播到-20°GLat(Orbit 3),其相速度為300 m·s-1,如圖1b的紫色箭頭所示.我們可以通過空間距離(20° GLat乘以108 km/GLat,等于2160 km)除以時間(2 h,即7200 s)計算得到相速度.如上所述的兩個不同的密度增強構(gòu)成了本文所關(guān)注的TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu).圖1c是Liu和Lühr(2005)報道的由CHAMP衛(wèi)星觀測得到的大氣質(zhì)量密度.圖中黑色箭頭表示TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu),TADs由(60° GLat,17UT)向(20° GLat,20UT)傳播,同時-60°~20° GLat的大氣質(zhì)量密度增強幾乎同時出現(xiàn):從圖中看,南半球也出現(xiàn)與北半球?qū)?yīng)的傳播過程.

        圖1 (a)2003年11月11日觀測的IMF Bz(藍(lán)線),紅線為重構(gòu)的周期性IMF Bz,用于模型模擬;(b)CHAMP衛(wèi)星于2003年11月11日觀測的12LT大氣質(zhì)量密度擾動,此時減去了11月8日平靜期的觀測數(shù)據(jù),紫色箭頭表示赤道向傳播的TADs;(c)Liu and Lühr(2005)報道的2003年10月29—31日CHAMP觀測的大氣質(zhì)量密度.黑色箭頭表征TADs與瞬時響應(yīng)構(gòu)成的TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu)Fig.1 (a)The universal time (UT)oscillations of IMF Bz (blue)on Nov 11,2003.The red line is the ideal periodic IMF Bz using in CMIT.(b)The geographic latitude variations of neutral density changes observed by CHAMP satellite on Nov 11,2003.The background neutral density during the quiet time (Nov.8)has been removed.The local time of the CHAMP orbit is ~12 LT.The magenta arrows show the equatorward propagation of TADs in neutral density.(c)The universal Time changes of neutral density observed by CHAMP are the same as that reported in Liu and Lühr (2005).The black arrows overplotted are the combined effects of the traveling atmospheric disturbances and simultaneous responses in neutral density on 29—31 Oct,2003

        如前所述,該組合結(jié)構(gòu)指的是TADs與瞬時響應(yīng)風(fēng)共同構(gòu)成的復(fù)合結(jié)果.其中瞬時響應(yīng)風(fēng)指的是沿緯度沒有明顯時間延遲的擾動風(fēng),即同步出現(xiàn)于不同緯度的擾動風(fēng).為了探究該組合結(jié)構(gòu),我們模擬了兩個不同的理想事件.由于實際外部地磁環(huán)境(比如地磁活動等)變化十分大,因此,我們結(jié)合控制變量法以理想事件來掌控外部地磁環(huán)境,使其維持不變.與此同時,我們通過改變IMFBz,探究IMFBz對TADs與瞬時擾動風(fēng)的影響.圖2是模擬的315 km高度12LT經(jīng)向風(fēng)及其擾動.圖中橫坐標(biāo)是GLon,縱坐標(biāo)是GLat.圖2a中的背景經(jīng)向風(fēng)沒有明顯的周期震蕩.圖2b中的經(jīng)向風(fēng)出現(xiàn)了與IMFBz同周期的極為清晰的周期變化.20°MLat以上緯度帶(黑線上方)的TADs明顯強于赤道地區(qū)(0°~20° MLat,黑線與紅線之間的區(qū)域).震蕩事件中的熱層風(fēng)減去背景風(fēng)可以得到熱層擾動風(fēng),因此我們將圖2b與2a相減,可得到圖2c中熱層擾動風(fēng)的時空分布.如圖2c所示,兩個半球100° GLon處均出現(xiàn)了相速度為~462 m·s-1的TADs(紅色與黑色箭頭).南半球30°~120°扇區(qū)的TADs出現(xiàn)了極為復(fù)雜而有趣的結(jié)構(gòu),其波相位在傳播路徑上出現(xiàn)了較多的突變.該現(xiàn)象隨世界時向高緯地區(qū)傳播.120°~180°扇區(qū)也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象,只是其幅度(~8 m·s-1)明顯弱于前者.我們在前人的工作中也看到了類似的結(jié)構(gòu)(比如Liu and Lühr,2005的圖3).Liu 和 Lühr(2005)主要關(guān)注的是暴時大氣質(zhì)量密度擾動,他們并沒有探究TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu).因此,TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu)是本文的一個主要的新發(fā)現(xiàn).

        圖2 CMIT模擬的315km高度12LT熱層經(jīng)向風(fēng)(a)背景事件;(b)60 min震蕩事件;(c)擾動風(fēng).擾動風(fēng)是震蕩事件與背景之間的差值.圖中紅色與黑色線條分別表征地磁赤道與地磁20° MLat.正值代表北向風(fēng),速度單位為m·s-1.高度為315 km.紅色與黑色箭頭表征向赤道傳播的TADs.Fig.2 The geographic longitude and latitude variations of thermospheric meridional (VN)winds in the base case (a),in the 60-min case (b),and the wind responses (c)to the temporal oscillations of IMF Bz in the 60-min case at 12 LT.The background winds in the CMIT base case have been removed from that in the 60-min case to show the wind responses.The red and black lines overplotted are the geomagnetic equator and 20° MLat,respectively.The positive in meridional winds is northward.The speed is given in m·s-1.The altitude is ~315 km.The red and black arrows show the equatorward propagation of TADs in meridional winds

        2.2 TADs傳播終止現(xiàn)象

        如圖2c所示,北半球-60°~120° GLon扇區(qū)出現(xiàn)了由壓力梯度力驅(qū)動的明顯的TADs,其中-60°~0° GLon扇區(qū)TADs的幅度(30 m·s-1)強于0°~120° GLon扇區(qū)(20 m·s-1).該TADs似乎僅僅傳播到了20° MLat,形成了一個明顯的TADs傳播終止現(xiàn)象,如圖中黑線所示.我們在地磁緯度大于20° MLat的區(qū)域可以看到極為明顯的赤道向熱層擾動風(fēng),該擾動風(fēng)呈現(xiàn)出明顯的與IMF震蕩周期一致的周期特征.其振幅也出現(xiàn)了明顯的經(jīng)度差異:西半球(顯著大于30 m·s-1)明顯強于東半球(大約20~30 m·s-1).我們在地磁緯度小于20° MLat的區(qū)域未曾發(fā)現(xiàn)明顯的赤道向周期擾動風(fēng),甚至在部分區(qū)域出現(xiàn)了極向擾動風(fēng),并且擾動風(fēng)的幅度明顯弱于20° MLat以上的緯度扇區(qū).因此,以20° MLat為界,熱層擾動風(fēng)在較高與較低的緯度扇區(qū)呈現(xiàn)出了顯著不同的特征,即為前文描述的TADs傳播終止現(xiàn)象.120°~300° GLon (120°~180° and -180°~-60°)扇區(qū)出現(xiàn)了由離子拖曳力驅(qū)動的明顯的瞬時擾動風(fēng),于不同的緯度帶不存在明顯的時間延遲.它們也出現(xiàn)了與類似的傳播終止現(xiàn)象.該傳播終止現(xiàn)象目前驅(qū)動機制未知,因此,我們將使用CMIT模型探究其形成原因.此外,TADs與瞬時擾動風(fēng)也出現(xiàn)了明顯的半球與經(jīng)度差異.TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu)僅出現(xiàn)于南半球,連續(xù)的TADs與TADs傳播終止現(xiàn)象僅出現(xiàn)于北半球.因此,本文接下來將繼續(xù)探索它們的形成原因.

        3 討論

        熱層風(fēng)受控于壓力梯度力、離子拖曳力、科里奧利力等各項驅(qū)動力(Wang and Lühr,2016).基于Hsu 等(2016)的辦法,我們在CMIT模型中也對經(jīng)向風(fēng)展開了逐項分析.由于壓力梯度力與離子拖曳力顯著強于其他的驅(qū)動力,本文僅展示二者對熱層風(fēng)的影響.

        3.1 TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu)

        圖3是IMFBz周期震蕩時經(jīng)向風(fēng)加速度擾動的全球分布,a—c分別是各項驅(qū)動力合力、壓強梯度力與離子拖曳力.圖3a中30°~180° GLon扇區(qū)的波沿波傳播方向出現(xiàn)了明顯的擾動,具有同組合結(jié)構(gòu)類似的分布,且所處地理經(jīng)緯度也相近.通過將圖3a分別與3b、3c對比,我們可得出結(jié)論:離子拖曳力與壓強梯度力共同驅(qū)動了TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu).Dungey(1961)指出離子拖曳力與高緯穿透電場密切相關(guān),壓強梯度力則受控于高緯能量注入.當(dāng)離子拖曳力強于壓強梯度力時,向赤道傳播的TADs波相位沿波傳播方向出現(xiàn)了明顯的突變.當(dāng)IMF由南轉(zhuǎn)北時,離子拖曳力顯著弱于壓強梯度力,TADs向低緯連續(xù)傳播,未發(fā)生波相位突變.Richmond(1995)指出離子拖曳力與兩個物理因素有關(guān):一是電子密度,一是中性成分與離子之間的相對速度.北向IMF期間,白天穿透電場(Prompt penetration electric field,PPEF)為西向(Peymirat et al.,2000).此時,PPEF沿傾斜的磁力線向下驅(qū)動電離層等離子體,引起電子密度降低,削弱了離子拖曳力的影響.壓強梯度力在高緯擾動風(fēng)向低緯的傳播過程中扮演了重要的角色.當(dāng)行星際磁場南向時,日側(cè)重聯(lián)可以使太陽風(fēng)攜帶的能量直接注入極區(qū)高熱層,夜側(cè)重聯(lián)可以使能量先儲存在磁尾,再釋放到高緯熱層(Liu et al.,2018a).太陽風(fēng)能量注入可顯著增強高緯焦耳加熱,提高熱層溫度,改變壓力梯度力(如圖4d),從而驅(qū)動高緯擾動風(fēng)向低緯傳播.

        圖3 不同驅(qū)動力引起的315 km高度熱層經(jīng)向風(fēng)加速度擾動從上到下分別是合力、壓強梯度力與離子拖曳力.加速度單位為cm·s-2.Fig.3 Differences of forcing terms of meridional winds between CMIT 60-min oscillation case and the base runFrom top to bottom panels are the acceleration changes due to all forcing,the pressure gradient,and ion drag,respectively.The acceleration is given in cm·s-2.The altitude is ~315 km.

        離子拖曳力在TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu)的形成中有至關(guān)重要的影響.調(diào)控電子密度的機制是E×B漂移與熱層風(fēng)引起的垂直輸運,調(diào)控離子與中性成分的相對速度的機制是E×B漂移(Richmond,1995).當(dāng)IMF出現(xiàn)劇烈的擾動時,R1區(qū)(Region 1)場向電流(Field-aligned currents,F(xiàn)ACs)與R2區(qū)(Region 2)FACs之間的強度失衡,產(chǎn)生了全球范圍的瞬時穿透電場PPEF.即當(dāng)R1 FACs強于R2 FACs時,高緯出現(xiàn)屏蔽效應(yīng)(under-shielding),反之則是過屏蔽效應(yīng)(over-shielding).PPEF可以同時引起全球范圍內(nèi)E×B漂移與電子密度擾動(Rodríguez-Zuluaga et al.,2016;Yizengaw et al.,2004).

        圖4是行星際磁場震蕩引起的電子密度、垂直E×B漂移、經(jīng)向E×B漂移以及熱層溫度擾動示意圖.圖4a中電子密度擾動出現(xiàn)了明顯的經(jīng)度差異.美洲扇區(qū)出現(xiàn)了一個與地磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)的密度峰值,其具體的物理機制如下:由于電離層等離子體主要是沿傾斜的磁力線運動(Rishbeth,1967),故其空間分布受控于地磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);另外,美洲扇區(qū)地理緯度與地磁緯度之間的偏差較大,因此圖4a和4b中0°~-180° GLon扇區(qū)的等離子體密度與E×B漂移強于其他經(jīng)度帶.由于電子密度可通過離子-中性成分碰撞效應(yīng)影響熱層風(fēng)與溫度,我們認(rèn)為可能是電子密度調(diào)控了-60°~-180° GLon扇區(qū)的風(fēng)場與溫度擾動(Wang and Zhang,2017;Zhang et al.,2019).由于南半球扇區(qū)的等離子體密度擾動較弱,該扇區(qū)的離子拖曳力主要來自E×B漂移.圖4c中南半球-60°~0°~180° GLon扇區(qū)的子午向E×B漂移速度(~60 m·s-1)明顯強于其他經(jīng)度帶(~15 m·s-1),同地磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致.前人的研究結(jié)果表明熱層風(fēng)引起的場向離子漂移與地磁偏角和傾角密切相關(guān)(Wang and Zhang,2017;Zhang et al.,2012),其計算公式如下:

        VV=vncosDcos|I|sin|I|±unsinDcos|I|sin|I|,

        (1)

        式中VV指的是熱層風(fēng)引起的垂直離子漂移,vn是經(jīng)向風(fēng),un是緯向風(fēng),I和D分別是磁傾角與磁偏角,正負(fù)號分別代表南北半球.沿場向投影的熱層風(fēng)可以驅(qū)動等離子體沿傾斜的磁力線運動.東向電離層電場可通過E×B漂移向上輸運等離子體,西向電場則相反,且該過程也與地磁場構(gòu)型密切相關(guān).地磁場構(gòu)型有明顯的經(jīng)度差異,因此,電子密度擾動也出現(xiàn)明顯的經(jīng)度結(jié)構(gòu).當(dāng)?shù)卮艌鰪姸容^強時,同樣強度的電離層電場可以產(chǎn)生更強的E×B漂移,驅(qū)動的電子密度擾動也愈強,故而離子拖曳效應(yīng)俞強,從而離子拖曳力對熱層擾動風(fēng)TADs的調(diào)制作用也俞強.因此,熱層擾動風(fēng)TADs與瞬時擾動風(fēng)的疊加愈明顯,構(gòu)成的TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu)也更清晰.南半球中緯扇區(qū)的東半球地磁場強度強于西半球,從而TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu)僅出現(xiàn)于東半球.此外,電子密度擾動也可以通過離子拖曳作用反饋影響熱層風(fēng).綜上,該結(jié)果進(jìn)一步證實了熱層-電離層耦合系統(tǒng)是緊密耦合的非線性系統(tǒng).因此,-60°~180° GLon扇區(qū)地理緯度與地磁緯度的偏差極為顯著,引起相應(yīng)的離子拖曳效應(yīng)(圖3c),以此解釋TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu)的經(jīng)度差異.

        由于壓力梯度力與離子拖曳力的共同作用,TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了顯著的半球差異.南半球-60°~0°和0°~180°GLon扇區(qū)的離子拖曳力和壓強梯度力的強度相近,因此,二者均無法忽略.從圖4a可知,在大于20° MLat的緯度帶中,等離子體密度擾動增強幅度大于3×1011m-3,明顯強于南半球1×1011m-3.因此,離子拖曳力也有相應(yīng)的半球差異.北半球0°~ -180° GLon扇區(qū)的電子密度擾動值大約為5×1011m-3,明顯強于其他經(jīng)度帶(3×1011m-3),故而離子拖曳力也相應(yīng)較強.圖3b中不同半球間的壓強梯度力較為接近,未出現(xiàn)與離子拖曳力相似的明顯的經(jīng)度差異.因此,0°~ -180° GLon扇區(qū)的離子拖曳力強于壓強梯度力,其他經(jīng)度帶則相反.

        3.2 TADs傳播終止現(xiàn)象

        圖2c中TADs似乎終止于20° MLat,沒有繼續(xù)向低緯傳播,該TADs傳播終止現(xiàn)象也同時出現(xiàn)于電子密度擾動(圖4a)和熱層溫度(圖4d).由圖3可知,該特征與壓強梯度力和離子拖曳力的共同作用息息相關(guān).

        前人的研究結(jié)果表明,調(diào)控中低緯電離層電子密度的物理機制有E×B漂移、雙極擴散、熱層風(fēng)與化學(xué)作用(比如Breig,1987;Fejer et al.,1999;Otsuka et al.,2021).Peymirat等(2000)指出屏蔽效應(yīng)引起的白天PPEF為東向,過屏蔽效應(yīng)引起的則是西向.東向PPEF驅(qū)動電離層等離子體沿傾斜的磁力線向上運動,引起等離子體密度增強(圖4a),西向PPEF則引起等離子體密度削弱.圖4a中20° MLat處電子密度顯著增強,可能是該現(xiàn)象阻礙了TADs傳播,其具體物理過程如下:電子密度顯著增強,引起較強的離子拖曳力,削弱了經(jīng)向風(fēng),阻礙了TADs繼續(xù)向南傳播,形成了明顯的TADs傳播終止現(xiàn)象.其中,電子密度增強的物理機制可能是赤道地區(qū)等離子體被E×B漂移輸運到更高的高度,由于雙極擴散、冬夏半球熱層風(fēng)與重力的作用,導(dǎo)致赤道異常(Equatorial ion anomaly,EIA)的增強.由于地磁場構(gòu)型的影響,20° MLat電子密度增強也出現(xiàn)了明顯的經(jīng)度差異:120°~180°和-180°~-60° GLon扇區(qū)明顯強于其他經(jīng)度帶(Immel and Mannucci,2013;Greer et al.,2017).因此,該扇區(qū)的離子拖曳力強于壓強梯度力,阻礙了TADs繼續(xù)向南傳播.圖4a中-60° ~120° GLon扇區(qū)的等離子體密度擾動較弱,同時,圖4d中20° MLat以上緯度帶的熱層溫度增量明顯強于0°~20° MLat區(qū)間.綜合二者的結(jié)構(gòu),我們認(rèn)為可能是熱層增溫阻礙了-60°~120° GLon扇區(qū)的TADs傳播.這是因為離子與中性成分的碰撞是熱層的主要熱源(Zhang et al.,2018),同時20° MLat以上緯度帶的等離子體擾動強于低緯度區(qū)域.當(dāng)高緯地磁活動較為強烈時,極區(qū)中性溫度得到顯著增強.由于極區(qū)向低緯的熱傳導(dǎo)效應(yīng),增強的中性溫度可以向低緯傳播,引起中低緯的擾動風(fēng),即20° MLat以上緯度帶的TADs.由于該扇區(qū)的擾動風(fēng)較弱,故而其傳播到20° MLat緯度帶時削弱幅度較大,擾動不再顯著.

        圖4 行星際磁場震蕩引起的315 km高度(a)電子密度擾動(NE),(b)垂直等離子體漂移擾動(WI E×B),(c)子午向等離子體漂移擾動(VI E×B),(d)熱層溫度擾動(TN).電子密度的單位是1010m-3.等離子體漂移速度單位為m·s-1.溫度單位為KFig.4 Similar to Fig.2,but for (a)electron density (NE),(b)vertical plasma velocity (WI E×B),(c)meridional plasma velocity (VI E×B),and (d)neutral temperature (TN)responses.The density is given in 1010m-3.The plasma velocity is given in m·s-1.The temperature is given in K.The altitude is ~315 km

        TADs傳播終止現(xiàn)象僅出現(xiàn)于北半球,南半球不存在.該半球差異的主要調(diào)控機制是電子密度擾動的半球差異.如圖4a所示,由于子午風(fēng)輸運效應(yīng),300 km高度北半球電子密度擾動值明顯強于南半球.20° MLat以上緯度帶的電子密度擾動值為3×1011m-3,而南半球鏡像緯度帶僅為~1×1011m-3.圖2c中,子午向擾動風(fēng)在20° MLat以上緯度帶為南向,在0°~20° MLat扇區(qū)為北向.赤道向風(fēng)可以沿傾斜的磁力線向上輸運等離子體,低緯北向風(fēng)可以將等離子體從南半球輸運到北半球.二者共同引起電子密度擾動的半球差異.如圖3a和3c所示,電子密度擾動越強,那么離子拖曳力對風(fēng)場的影響程度愈高.因此,赤道向傳播的北半球TADs終止于20° MLat,南半球TADs則未出現(xiàn)阻礙現(xiàn)象.

        4 結(jié)論

        基于CMIT模型,本文研究了行星際磁場周期震蕩對經(jīng)向風(fēng)的影響,探究了其中的TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu)與TADs傳播終止現(xiàn)象,及其經(jīng)度與半球差異,主要結(jié)果如下:

        (1)南半球0°~180° GLon扇區(qū)的離子拖曳力和壓強梯度力的強度相近,因此,二者均無法忽略.而在其他扇區(qū),離子拖曳力與壓強梯度力失衡:西北半球的離子拖曳力明顯強于壓強梯度力,引起瞬時擾動風(fēng);其他區(qū)域壓強梯度力顯著強于離子拖曳力,引起TADs.因此,由于離子拖曳力與壓力梯度力的共同作用,TADs與瞬時擾動風(fēng)的組合結(jié)構(gòu)僅存在于南半球0°~180°GLon扇區(qū).行星際磁場Bz震蕩周期從半小時到數(shù)小時不等,其最多頻率分量是1 h左右,因此本文模擬行星際磁場Bz理想周期震蕩(周期:1 h)期間的熱層擾動風(fēng)具有一定的物理意義與理論依據(jù),該結(jié)果可能具有一定的普適性.

        (2)由于地磁場構(gòu)型的影響,電子密度擾動存在明顯的分界線,20° MLat以下緯度帶的電子密度擾動明顯弱于20° MLat以上緯度帶,故而削弱了向赤道傳播的南向擾動風(fēng).由于熱層熱源來自離子與中性成分的碰撞,因此熱層溫度擾動也出現(xiàn)相應(yīng)的界線,從而阻礙了向赤道傳播的TADs.以上二者的共同作用,使南向TADs的傳播終止于20° MLat.

        致謝感謝德國地學(xué)研究中心提供的CAHMP衛(wèi)星磁場數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)可從網(wǎng)站ftp:∥isdcftp.gfz-potsdam.de/champ/獲取.CMIT模擬數(shù)據(jù)存儲于NCAR高性能超級計算機中(https:∥www2.cisl.ucar.edu/resources/storage-and-file-systems/hpss).感謝OMNI網(wǎng)站(https:∥omniweb.gsfc.nasa.gov)提供的太陽風(fēng)行星際磁場.

        伊人久久大香线蕉av色婷婷色| 亚洲亚洲亚洲亚洲亚洲天堂| 国产精品无码专区综合网| 制服无码在线第一页| 欧美成人精品福利在线视频| 亚洲一区二区三区亚洲| 一区二区三区蜜桃av| 亚洲av日韩av卡二| 中国老太婆bb无套内射| 日本高清aⅴ毛片免费| 国产一区二区精品尤物| 日本高清长片一区二区| 国产av剧情精品麻豆| 在线观看午夜视频国产| 精品乱码一区内射人妻无码| 边做边流奶水的人妻| 欧美日韩亚洲国内综合网| 久草视频国产| 国内精品久久久久久久亚洲| 亚洲一二三四五中文字幕| 公厕偷拍一区二区三区四区五区| 亚洲av无码国产精品色午夜软件 | 亚洲爆乳无码精品aaa片蜜桃| 亚洲一区二区三区尿失禁| 国产成人无码综合亚洲日韩| 又硬又粗又大一区二区三区视频 | 亚洲av福利无码无一区二区| 国产夫妻av| 国产大片在线观看91| 在厨房被c到高潮a毛片奶水| 久久久久亚洲精品无码网址| 亚洲无码a∨在线视频| 中文字幕视频一区二区| 人妻少妇中文字幕久久| 99久久婷婷国产综合精品青草免费| 国产无遮挡又黄又爽在线视频| 天天躁日日操狠狠操欧美老妇| 少妇呻吟一区二区三区| 免费看草逼操爽视频网站| 久久精品国产亚洲av麻豆色欲| 色婷婷五月综合亚洲小说|