潘建宏，蔡紅濤，谷駿，周康俊，羅逸楠，高順組

武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，武漢 430072

0 引言

電離層與熱層的能量和動(dòng)量交換是熱層-電離層耦合研究中的重要內(nèi)容之一.來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)和磁層的能量進(jìn)入熱層高度后，通常在高緯熱層形成能量堆積，激發(fā)大氣重力波.大氣重力波向上傳播，在F區(qū)高度上表現(xiàn)為各種尺度的行進(jìn)式大氣擾動(dòng)(Traveling Atmospheric Disturbances，TAD)(e.g.Hunsucker,1982;Hocke and Schlegel,1996).行進(jìn)式電離層擾動(dòng)(Traveling Ionospheric Disturbance,TID)被廣泛理解為大氣重力波的電離層印記(Hines,1960).其中，大尺度(>1000 km)行進(jìn)式擾動(dòng)是熱層-電離層間能量和動(dòng)量交換的重要物理過(guò)程(Yeh and Liu,1974)，在全球能量再分配過(guò)程中起著十分重要的作用(e.g.Saito et al.,1998；Tsugawa et al.,2004；Cai et al.,2011,2012).

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大尺度行進(jìn)式擾動(dòng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)分析(e.g.Borries et al.,2009；Bruinsma and Forbes，2007,2008,2009,2010)和數(shù)值模擬研究(e.g.,Hines,1960;Mayr et al.,1990;Balthazor and Moffet,1999;Fujiwara et al.,1996;Fujiwara and Miyoshi,2006;Miyoshi and Fujiwara,2008).研究人員早期關(guān)注較多的是大尺度電離層擾動(dòng)(Large-Scale Travelling Ionospheric Disturbance,LS-TID).國(guó)際上開(kāi)展了多次大型的LS-TID聯(lián)合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)(Williams et al.，1988,1993).近20年來(lái)，相關(guān)觀測(cè)研究工作主要集中在強(qiáng)地磁擾動(dòng)期間LS-TID 的全球傳播特征及擾動(dòng)源區(qū).Valladares等(2009)利用全球GPS TEC觀測(cè)圖像報(bào)道了2003年10月強(qiáng)磁暴期間在南北半球同時(shí)觀測(cè)到的電離層行進(jìn)式擾動(dòng)，發(fā)現(xiàn)南北半球的LS-TID在水平傳播速度、擾動(dòng)幅度以及水平波長(zhǎng)等多方面表現(xiàn)出顯著的差異.Ding等(2008)對(duì)2003—2005年強(qiáng)磁暴期間LS-TID在中緯度的傳播特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為極光地磁擾動(dòng)對(duì)中緯度觀測(cè)到的LS-TID起著主要控制作用.Zhou 等(2012)報(bào)道了地磁平靜期電離層多站高頻返回式探測(cè)系統(tǒng)在中低緯白天側(cè)觀測(cè)到的LS-TID事件.

在熱層探測(cè)資料極度欠缺的條件下，數(shù)值模擬在幫助人們加深了解LS-TAD特征過(guò)程中發(fā)揮了重要作用.Richmond(1978)，Millward等(1993)，F(xiàn)uller-Rowell 等(1994)，F(xiàn)ujiwara等(1996)和Balthazor 和 Moffett(1999)等通過(guò)模擬計(jì)算數(shù)值研究了LS-TAD/TID在各種強(qiáng)擾動(dòng)期間的響應(yīng)特征.Qian 等(2012)數(shù)值研究了LS-TAD對(duì)太陽(yáng)耀斑的響應(yīng)特征.Shiokawa 等(2007)首次詳細(xì)對(duì)比了LS-TAD模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)間的異同.總的來(lái)說(shuō)，大多數(shù)模擬工作聚焦于LS-TAD/TID對(duì)極區(qū)假定能量輸入的響應(yīng)特征.

星載加速度儀為開(kāi)展全球LS-TAD觀測(cè)研究提供了絕佳的測(cè)量手段.Bruinsma 和 Forbes(2007)利用CHAMP衛(wèi)星的大氣密度觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲得了LS-TAD的全球分布圖像.這為直接觀測(cè)研究LS-TAD全球傳播特征提供了絕佳的機(jī)會(huì).Bruinsma 和 Forbes(2010)利用多年衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了LS-TADs的全球傳播特征.總的來(lái)說(shuō)，LS-TAD/TID通常被認(rèn)為是在高緯極光橢圓區(qū)緯度激發(fā)，隨后向赤道方向傳播.也曾有LS-TAD/TID跨越赤道進(jìn)入另一個(gè)半球的觀測(cè)事例(e.g.Guo et al.，2015；Bruinsma and Forbes，2007).本文報(bào)道一個(gè)起源于低緯赤道局地激發(fā)源的LS-TAD觀測(cè)事例，并探討了其可能的激發(fā)源.第一節(jié)介紹了研究所用到的觀測(cè)數(shù)據(jù)及處理方法.第二節(jié)詳細(xì)給出了LS-TAD觀測(cè)結(jié)果及其他佐證數(shù)據(jù).第三節(jié)探討了可能的激發(fā)驅(qū)動(dòng)源，最后對(duì)本文進(jìn)行小結(jié).

1 數(shù)據(jù)及處理方法

CHAMP衛(wèi)星于2000年7月15日發(fā)射升空，其近圓軌道傾角為87.3°.初始高度456 km，軌道周期約為93 min，軌道平面的進(jìn)動(dòng)率為每天1.5°.大氣質(zhì)量密度數(shù)據(jù)由其STAR加速度儀測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出，時(shí)間分辨率為10 s.為了消除因衛(wèi)星高度變化引入的密度起伏，本文研究所采用的大氣密度數(shù)據(jù)均已分別按照 MSISE模型(Picone et al.,2002)歸一化到400 km高度.

大氣密度擾動(dòng)提取方法我們利用滑動(dòng)平均的方法得到(Bruinsma and Forbes，2009，2010).由于衛(wèi)星飛行速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LSTAD的水平相速度，因此在衛(wèi)星過(guò)境期間忽略LSTAD的運(yùn)動(dòng)是合理的.這樣，衛(wèi)星大氣質(zhì)量密度數(shù)據(jù)在時(shí)間上的采樣可理解為空間上的采樣.我們分別對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)到的大氣密度進(jìn)行33/91個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的滑動(dòng)平均后求差，可以得到1216～3420 km尺度的大氣密度擾動(dòng).獲取到每個(gè)軌道上大氣密度擾動(dòng)信息后，我們依據(jù)衛(wèi)星穿過(guò)軌道的地方時(shí)，將衛(wèi)星數(shù)據(jù)分為夜側(cè)/日側(cè)兩部分；分別依照時(shí)間和地理緯度組織數(shù)據(jù)，即可得到衛(wèi)星在夜側(cè)/日側(cè)觀測(cè)到的大氣密度擾動(dòng)分布圖.當(dāng)存在LS-TAD時(shí)，大氣密度擾動(dòng)分布圖會(huì)表現(xiàn)為連續(xù)軌道間有明顯緯度偏移的相似擾動(dòng)特征(Bruinsma and Forbes，2009，2010).

2 觀測(cè)結(jié)果

2.1 地磁環(huán)境

如圖1所示，2002年8月10日Sym-H指數(shù)在05∶00 UT左右出現(xiàn)一個(gè)小幅度擾動(dòng)，最小值為-48 nT，到07∶00 UT左右大致恢復(fù)到正常水平.極光活動(dòng)指數(shù)AU/AL在凌晨出現(xiàn)兩個(gè)小峰值，在06∶00 UT之后相對(duì)平靜.圖中灰色陰影標(biāo)示本文所關(guān)心LS-TAD事件出現(xiàn)的時(shí)間段，在此期間，無(wú)論是地磁活動(dòng)指數(shù)Sym-H還是極光活動(dòng)指數(shù)AU/AL都處在較低的數(shù)值水平，沒(méi)有表現(xiàn)出強(qiáng)的擾動(dòng).

圖1 2002年8月10日Sym-H指數(shù)(a)與AU/AL指數(shù)(b)灰色陰影標(biāo)示本文所關(guān)注的LS-TAD事件發(fā)生時(shí)段.Fig.1 Diurnal variations of Sym-H (a)and AU/AL index (b)on 10th Aug.2002The grey shades present the period of LS-TAD event focused on in this paper.

2.2 中性大氣行擾觀測(cè)

圖2給出了2002年08月10日CHAMP衛(wèi)星觀測(cè)到的大氣質(zhì)量密度擾動(dòng).圖中斜實(shí)線表示衛(wèi)星軌道，藍(lán)色實(shí)線為磁赤道，空白處無(wú)數(shù)據(jù).為了方便考察極區(qū)地磁活動(dòng)情況，圖2同時(shí)給出了AE指數(shù)的日變化，灰色陰影標(biāo)示出本文所關(guān)心事件所發(fā)生的時(shí)段.在此期間，極區(qū)極光活動(dòng)相對(duì)平靜，表明極區(qū)的磁層能量堆積無(wú)顯著增強(qiáng).

圖2 2002年8月10日AE指數(shù)日變化(a)以及CHAMP衛(wèi)星觀測(cè)到的大氣密度擾動(dòng)(b)LS-TAD事件及其沿緯度方向的傳播分別用紅色虛線箭頭標(biāo)識(shí)出.斜實(shí)線為CHAMP衛(wèi)星軌道，藍(lán)色實(shí)線為磁赤道，下圖橫軸同時(shí)給出了大氣質(zhì)量密度擾動(dòng)對(duì)應(yīng)的地理經(jīng)度.Fig.2 AE index (a)and neutral density relative disturbances detected by CHAMP (b)on 10th Aug.2002The red dashed arrow marks propagation along the latitude direction of neutral density enhancement.The oblique solid lines present orbits of the spacecraft and the blue one for the magnetic equator.Geographic longitude was superposed as x-axis in the bottom panel.

圖2紅色虛線箭頭標(biāo)示出本文所關(guān)注的事件.CHAMP衛(wèi)星在美洲(30°W)磁赤道附近觀測(cè)到了該事件的第一個(gè)密度增強(qiáng)，相對(duì)增幅為8.9%.在其隨后的2個(gè)連續(xù)軌道上，該密度增強(qiáng)依次出現(xiàn)在北半球26°N和62°N附近，表現(xiàn)出清晰的極向位移，而且密度增強(qiáng)的幅度逐漸減弱.這符合大尺度行進(jìn)式大氣擾動(dòng)(LS-TAD)典型的運(yùn)動(dòng)特征：緯向排列的大氣密度增強(qiáng)向極區(qū)高緯傳播，在此過(guò)程中，被CHAMP衛(wèi)星在不同緯度上觀測(cè)到.根據(jù)大氣密度增強(qiáng)的緯度偏移(7303 km)及之間的時(shí)間間隔(約為2.807 h)估計(jì)，該LS-TAD的子午向平均水平視相速度大約為722 m·s-1.

需要指出的是，上述將一系列大氣密度增強(qiáng)解釋為L(zhǎng)S-TAD事件有個(gè)前提假設(shè).即，該LS-TAD的緯向結(jié)構(gòu)足夠大，以保證CHAMP衛(wèi)星在至少連續(xù)3條軌道(經(jīng)度間隔約46°)觀測(cè)到同一個(gè)大氣增強(qiáng)結(jié)構(gòu).如果該假設(shè)不成立，那么CHAMP衛(wèi)星很可能是在不同的經(jīng)度(軌道)上觀測(cè)到不同的大氣增強(qiáng).因此，還需要第三方觀測(cè)來(lái)輔助判斷CHAMP觀測(cè)到三個(gè)大氣密度增強(qiáng)是否可解釋為L(zhǎng)S-TAD事件.

2.3 電離層行擾觀測(cè)

電離層-熱層緊密耦合在一起.大氣重力波在F層高度引發(fā)的行進(jìn)式大氣擾動(dòng)造成局地中性成分密度起伏，打破了原有的電離層等離子體生產(chǎn)/消失過(guò)程的平衡，引發(fā)局地的電子密度出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的起伏.局地電子密度起伏沿著行進(jìn)式大氣擾動(dòng)的傳播路徑相繼發(fā)生，即行進(jìn)式電離層擾動(dòng).因此，如果上小節(jié)CHAMP衛(wèi)星觀測(cè)到的確為L(zhǎng)S-TAD事件，那么應(yīng)該會(huì)在電離層中留下相應(yīng)的印記，即大尺度行進(jìn)式電離層擾動(dòng)(LS-TID).

地面GNSS接收機(jī)臺(tái)網(wǎng)廣泛用于LS-TID傳播特性研究(e.g.,Jonah et al.，2018;Eisenbeis et al.，2019；Liu et al.2018).利用沿子午向排列的GNSS臺(tái)鏈，可以對(duì)LS-TID事件展開(kāi)有效的監(jiān)測(cè)(Cai et al.，2012).LS-TID引起的局地電子密度起伏會(huì)被GNSS接收機(jī)與衛(wèi)星間的斜TEC(sTEC)捕捉到；當(dāng)LS-TID經(jīng)過(guò)時(shí)，GNSS臺(tái)鏈各接收機(jī)與同一顆衛(wèi)星間sTEC時(shí)間序列會(huì)呈現(xiàn)出相類似的周期性擾動(dòng)；由于各接收機(jī)空間位置的偏離，它們觀測(cè)到的sTEC擾動(dòng)(sTECP)間還會(huì)表現(xiàn)出一定量的相位延遲.根據(jù)上述觀測(cè)信息，可測(cè)量LS-TID的周期、水平傳播相速度等特征參量.因?yàn)樵摲椒ㄖ苯永眯盩EC而不是垂直TEC，其一大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)微小擾動(dòng)敏感，具體數(shù)據(jù)處理方法可參考Cai等(2012).本文選取了兩個(gè)平行的子午向排列的地面GNSS觀測(cè)臺(tái)鏈，一個(gè)位于77°W附近，另一個(gè)位于82°W附近，各臺(tái)鏈接收機(jī)的子午向距離在百公里左右.兩個(gè)GNSS臺(tái)鏈均處于本文所關(guān)注LS-TAD事件覆蓋區(qū)域內(nèi).各臺(tái)站地理位置信息分別如表1所示.

表1 北美洲地面GNSS臺(tái)站地理位置Table 1 Geographic locations of North Ameica ground-based GNSS receivers for Figs.3—4

圖3a給出了GNSS接收臺(tái)鏈在77°W 附近與GPS PRN10衛(wèi)星間sTECP的時(shí)間變化，圖3b給出了對(duì)應(yīng)穿刺點(diǎn)軌跡.為避免重疊，各臺(tái)站sTECP觀測(cè)結(jié)果依次偏移了1 TECU.不難看出，正負(fù)相間的sTECP在各臺(tái)站都被觀測(cè)到，且表現(xiàn)出相類似的變化周期，約為3 h.這暗示各臺(tái)站sTECP的時(shí)序變化有共同的物理驅(qū)動(dòng).仔細(xì)對(duì)比各臺(tái)站sTECP隨時(shí)間變化的相位，容易發(fā)現(xiàn)sTECP先被位于較低緯度的臺(tái)站觀測(cè)到，依次在各臺(tái)站上空留下相似的擾動(dòng)特征，而且擾動(dòng)幅度逐漸減弱.這表明地面GNSS臺(tái)鏈觀測(cè)到了LS-TID事件經(jīng)過(guò)時(shí)引發(fā)的局地電離層擾動(dòng).從各臺(tái)站間sTECP時(shí)間變化的相位延遲估計(jì)，該LS-TID的水平相速度為640 m·s-1，電離層行擾在北半球向極區(qū)高緯傳播.

圖3 (a)地面GNSS臺(tái)鏈在北美77°W觀測(cè)到的sTECP；(b)(a)中相應(yīng)臺(tái)站的穿刺點(diǎn)的經(jīng)緯度信息為了避免重疊，各站點(diǎn)sTECP依次偏移了1 TECU.Fig.3 (a)Slant TEC (sTEC)fluctuations recorded by ground-based GNSS receivers around 77°W in North America；(b)The longitude and latitude information of the corresponding station′s pierce point in (a)They were shifted by 1 TECU accordingly to avoid overlapping.

位于82°W附近的地面GNSS臺(tái)鏈(圖4)也觀測(cè)到了與圖3類似的電離層行擾.由于GPS衛(wèi)星軌道的原因，電離層行擾被PRN4衛(wèi)星在比圖3更早的時(shí)間觀測(cè)到，二者的周期和傳播方向是一致的.根據(jù)各臺(tái)站間sTECP相位差估計(jì)，其水平視在相速度為670 m·s-1，與圖3結(jié)果相接近.同時(shí)，82°W地面GNSS臺(tái)鏈的PRN10號(hào)衛(wèi)星觀測(cè)到與圖3相一致的電離層行擾(未給圖).

圖4 與圖3相同，只是在82°W附近觀測(cè)結(jié)果Fig.4 Same as Fig.3,but for GNSS receiver chain around 82°W

仔細(xì)對(duì)比兩個(gè)GNSS臺(tái)鏈觀測(cè)的sTECP(圖3—4)，二者觀測(cè)到的sTEC擾動(dòng)相位也是相吻合的，均在10∶30 UT附近達(dá)到極小.這表明兩個(gè)GNSS子午臺(tái)鏈觀測(cè)到的是同一個(gè)LS-TID事件引發(fā)的局地電離層擾動(dòng).

本文所選取的2個(gè)GNSS子午臺(tái)鏈雖然只覆蓋了北半球中緯有限的區(qū)域，但均位于我們所關(guān)注LS-TAD事件的傳播路徑上.GNSS子午臺(tái)鏈緯度覆蓋雖難以完整觀測(cè)到LS-TID全貌，卻清晰捕捉到了LS-TAD傳播過(guò)程中引起的局地電離擾動(dòng).從這個(gè)角度上說(shuō)，圖3—4所示結(jié)果至少確認(rèn)了如下2個(gè)事實(shí)：(1)該路徑上的確有LS-TID經(jīng)過(guò)；(2)該LS-TID在北半球從低緯向極區(qū)高緯傳播.

地面GNSS子午臺(tái)鏈記錄到LS-TID的傳播方向以及水平相速度等傳播特征參數(shù)都支持CHAMP衛(wèi)星觀測(cè)到的一系列大氣密度增強(qiáng)應(yīng)該解釋為L(zhǎng)S-TAD事件，而不是相互孤立的大氣密度增強(qiáng).值得一提的是，地面GNSS臺(tái)鏈在 82°W觀測(cè)到了LS-TID，這也間接表明與之相伴隨的LS-TAD緯向結(jié)構(gòu)足夠大，以至于能夠被CHAMP衛(wèi)星在11∶00 UT左右(其軌道所在經(jīng)度約80°W)探測(cè)到.

3 討論

3.1 在南半球是否存前序擾動(dòng)？

一般認(rèn)為，進(jìn)入電離層高度的磁層能量，包括焦耳加熱和粒子沉降是驅(qū)動(dòng)LS-TAD/TID的主要機(jī)制(e.g.Crowley and Jones,1987;Perevalova et al.,2008).LS-TAD/TID常常在夜側(cè)極光橢圓區(qū)緯度被激發(fā)后向赤道方向傳播，或極向跨過(guò)極蓋區(qū)到達(dá)日側(cè)、繼續(xù)向赤道傳播(Cai et al.,2012).也有學(xué)者報(bào)道了LS-TID長(zhǎng)距離傳播、跨越赤道進(jìn)入另一個(gè)半球的觀測(cè)事例(e.g.Bruinsma and Forbes,2007;Guo et al.，2015).所以本文所關(guān)注的LS-TAD事件在北半球向極區(qū)高緯傳播，有沒(méi)有可能是從南半球中高緯區(qū)域跨越赤道進(jìn)入北半球的？

從圖2結(jié)果看，CHAMP衛(wèi)星在南半球并沒(méi)有觀測(cè)到與之相關(guān)聯(lián)的前序大氣密度擾動(dòng)跡象.為了檢查是否存在前序的電離層行擾，我們?cè)谀厦乐捱x取了類似的地面GNSS子午臺(tái)鏈，其地理位置信息如表2所示.

表2 南美洲地面GNSS臺(tái)站地理位置Table 2 Geographic locations of South America ground-based GNSS receivers for Figs.5 and 7

依據(jù)圖3—4所示LS-TID的視在相速度推測(cè)，如果其存在前序擾動(dòng)，那么它應(yīng)該在05∶30 UT前后出現(xiàn)在南半球的中緯區(qū)域.圖5給出了該時(shí)段前后南美洲地面臺(tái)鏈的sTECP觀測(cè)結(jié)果.很明顯，各臺(tái)站并沒(méi)有觀測(cè)到相類似的電離層擾動(dòng)，表明它們間的時(shí)序變化缺乏共同的物理過(guò)程驅(qū)動(dòng)；另一方面，該GNSS臺(tái)鏈也沒(méi)有觀測(cè)到與圖3—4相類似的擾動(dòng)特征.因此，我們排除其是圖3—4所示LS-TID的前序擾動(dòng).

南美洲地面GNSS臺(tái)鏈在此時(shí)段內(nèi)與其他衛(wèi)星間的觀測(cè)結(jié)果與圖5類似，各臺(tái)站均沒(méi)有觀測(cè)到相類似變化特征的sTECP.基于此，我們認(rèn)為本文所關(guān)注的LS-TAD事件在南半球中高緯區(qū)域不存在前序擾動(dòng).進(jìn)而推斷，其可能由局地激發(fā)源產(chǎn)生，源自于磁赤道附近.

3.2 可能的局地激發(fā)源

在中低緯度，重力波有多個(gè)可能的激發(fā)源.日食期間，日食區(qū)域內(nèi)太陽(yáng)輻射急劇減少，與周圍日照區(qū)域形成顯著的溫度梯度，成為一個(gè)移動(dòng)的擾動(dòng)源，沿移動(dòng)路徑激發(fā)大氣重力波.與之相伴隨的行進(jìn)式電離層擾動(dòng)經(jīng)常被GNSS臺(tái)網(wǎng)或其他設(shè)備觀測(cè)到(Chimonas and Hines，1970；Wodarg et al.，1998；Vadas and Liu，2009；Zhang et al.,2017；McInerney et al.,2018).根據(jù)天文信息，我們可以排除日食對(duì)本文所關(guān)注LS-TAD激發(fā)的貢獻(xiàn).

在晨昏分界線附近，太陽(yáng)輻射發(fā)生急劇變化，在熱層造成溫度梯度.隨著地球自轉(zhuǎn)，晨昏分界線附近的溫度梯度及其運(yùn)動(dòng)也是中低緯激發(fā)重力波的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)源(Forbes et al.,2008).在本文所關(guān)注的事件期間，CHAMP衛(wèi)星軌道位置近似與晨昏分界線相平行；所在地方時(shí)為05∶42 LT，位于晨側(cè).Liu等(2009)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)晨昏分界線激發(fā)大氣密度擾動(dòng)的波前在中低緯地區(qū)近似與晨昏線相平行.如果本文所關(guān)注的LS-TAD由晨昏分界線所激發(fā)，那么衛(wèi)星觀測(cè)到的波動(dòng)視在相速度應(yīng)趨無(wú)窮大或數(shù)值遠(yuǎn)超常見(jiàn)的速度；在南半球也應(yīng)觀測(cè)到相應(yīng)的擾動(dòng)，這與本文圖2以及圖5所示結(jié)果不一致.另外，觀測(cè)結(jié)果表明晨昏分界線引發(fā)的大氣波動(dòng)在黃昏側(cè)更顯著，且其顯著程度在兩分點(diǎn)前后是低谷(Forbes et al.,2008;Liu et al.,2009).

圖5 與圖3相同，只是在南美洲71°W附近觀測(cè)結(jié)果Fig.5 Same as Fig.3,but for GNSS receiver chain around 71°W in South America

赤道電集流可通過(guò)洛倫茲力和碰撞過(guò)程與中性大氣相互耦合，是行進(jìn)式大氣擾動(dòng)一個(gè)重要激發(fā)源.數(shù)值計(jì)算表明，除了劇烈的磁暴期間，洛倫茲力在激發(fā)行進(jìn)式擾動(dòng)的效率方面要遠(yuǎn)高于焦耳加熱(Chimonas，1970).2002年8月10日07∶30 UT左右，ROCSAT衛(wèi)星飛經(jīng)美洲磁赤道上空，軌道高度為600 km.圖6給出了ROCSAT衛(wèi)星在2002年8月10日美洲磁赤道上空(經(jīng)度10°—50°W、緯度30°S—30°N)5個(gè)連續(xù)軌道觀測(cè)到的離子垂直漂移速度.由于衛(wèi)星軌道的原因，在第1、4和5個(gè)軌道期間ROCSAT衛(wèi)星均沒(méi)有飛經(jīng)磁赤道上空.在第2個(gè)軌道期間，在磁赤道上空觀測(cè)到強(qiáng)烈的垂直漂移速度，超過(guò)150 m·s-1，起止時(shí)間為05∶43—05∶53 UT；在緊接著的下一個(gè)軌道，衛(wèi)星在該區(qū)域上空也觀測(cè)到了強(qiáng)的垂直漂移，速度稍弱，起止時(shí)間為07∶26—07∶33 UT.這說(shuō)明美洲磁赤道上空至少在約05∶50—07∶30 UT期間存在較強(qiáng)的電離層垂直漂移.這個(gè)時(shí)間段大致與圖2中CHAMP衛(wèi)星觀測(cè)到LS-TAD的第一個(gè)大氣密度增強(qiáng)大致吻合.一個(gè)可能的過(guò)程是：強(qiáng)的垂直漂移驅(qū)動(dòng)電離層等離子體急劇抬升；通過(guò)離子-中性成分間的碰撞相互作用，驅(qū)動(dòng)電離層等離子體抬升的部分能量轉(zhuǎn)化為中性大氣的局地?cái)_動(dòng)源，抬升中性大氣、激發(fā)波動(dòng)，在局地高高度上形成密度增強(qiáng).由于CHAMP衛(wèi)星直到07∶30 UT左右才飛經(jīng)美洲赤道上空，因此沒(méi)有觀測(cè)到在此之前的大氣密度增強(qiáng).

圖6 ROCSAT 衛(wèi)星在2002年8月10日在磁赤道上空5個(gè)連續(xù)軌道觀測(cè)到的離子垂直漂移速度圖中標(biāo)識(shí)出了衛(wèi)星飛越磁赤道前后的時(shí)間.黑三角表示磁赤道所在位置.Fig.6 Ion vertical drift detected during 5 continuous orbits over the geomagnetic equator on 10th Aug.2002In which the time before and after the satellite flew across the magnetic equator is portrayed.Black triangle marks the magnetic equator.

對(duì)流重力波體積力(body force)在熱層的耗散和破碎也是熱層大尺度二次重力波(second gravity waves)的重要激發(fā)源(Vadas and Liu，2009).Vadas 和 Crowley(2010)觀測(cè)到了與低高度對(duì)流相關(guān)聯(lián)的LS-TIDs.由于缺乏該區(qū)域低高度對(duì)流重力波的觀測(cè)資料，我們無(wú)法判斷其對(duì)本文所關(guān)注LS-TAD的貢獻(xiàn).

既然北半球觀測(cè)到LS-TAD的激發(fā)源位于赤道附近，那么在南半球是否也應(yīng)觀測(cè)到與之相對(duì)應(yīng)的極向擾動(dòng)？從大氣密度數(shù)據(jù)(圖2)看，CHAMP衛(wèi)星在南半球沒(méi)有觀測(cè)到明顯的極向大氣行擾.但是，地面GNSS臺(tái)鏈卻記錄到了極向傳播的大尺度電離層行擾，如圖7所示.各南半球GNSS臺(tái)站均觀測(cè)到了相類似的sTECP擾動(dòng)，擾動(dòng)幅度隨著緯度增加而減弱；sTECP在各臺(tái)站間也表現(xiàn)出顯著的相位延時(shí)，這是典型的LS-TID的特征.其擾動(dòng)周期與北半球LS-TID(圖3—4)相一致.

圖7 與圖5相同，只是由GPS PRN8的觀測(cè)結(jié)果Fig.7 Same as Fig.5,but for observations by GPS PRN8

4 結(jié)論

本文報(bào)道了一起地磁平靜期在赤道附近局地激發(fā)的LS-TAD事件.觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，該LS-TAD事件在美洲赤道附近被激發(fā)，隨后以約722 m·s-1的水平視在相速度向北半球高緯傳播；地面GNSS臺(tái)鏈同時(shí)記錄到與之相伴隨的LS-TID特征.CHAMP衛(wèi)星和GNSS地面臺(tái)鏈在南半球都沒(méi)有觀測(cè)到到與之相聯(lián)系的中性大氣/電離層前序擾動(dòng)，推斷其可能由局地激發(fā)源產(chǎn)生，源自于磁赤道附近.結(jié)合ROCSAT衛(wèi)星電離層垂直漂移觀測(cè)數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為突然增強(qiáng)的電離層垂直漂移是該LS-TAD事件可能的局地激發(fā)源.地面GNSS臺(tái)鏈在南半球同時(shí)也觀測(cè)到了與之相對(duì)應(yīng)的極向LS-TID.

致謝CHAMP大氣質(zhì)量密度及電子密度數(shù)據(jù)由德國(guó)地學(xué)中心提供.ROCSAT數(shù)據(jù)通過(guò)http:∥sdbweb.ss.ncu.edu.tw/v1/ipei_home.html獲得.地面GNSS臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)http:∥sopac.ucsd.edu/dataBrowser.shtml下載；Sym-H指數(shù)通過(guò)http:∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp下載.