韓德勝，邱薈璇，石 潤(rùn)

同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院 海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092

0 引言

極光是太陽(yáng)風(fēng)—磁層相互作用的結(jié)果.地球上的極光可分為分立極光與彌散極光兩類，立足我國(guó)北極黃河站自主極光觀測(cè)，Han 等（2015）完成了針對(duì)日側(cè)彌散極光的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)磁正午附近的彌散極光與分立極光存在密切相互作用，提出了利用這兩類極光的相互作用研究磁層頂內(nèi)外耦合的新方法，并在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了一種與彌散極光密切相關(guān)的特殊分立極光結(jié)構(gòu).由于這種極光結(jié)構(gòu)常發(fā)生在電離層對(duì)流喉區(qū)附近，因此將其命名為“喉區(qū)極光”.

隨后，針對(duì)喉區(qū)極光展開系統(tǒng)性研究，獲取了系列觀測(cè)特征，并證實(shí)它們對(duì)應(yīng)日側(cè)磁層頂上頻發(fā)的、空間尺度可觀的凹陷結(jié)構(gòu)（Han et al.,2017）.系列研究表明喉區(qū)極光伴隨明顯的磁層頂重聯(lián)特征（Chen et al.,2017; Han et al.,2019; Feng et al.,2020），由此推測(cè)與喉區(qū)極光對(duì)應(yīng)的磁層頂凹陷可能是由一種在局地向磁層內(nèi)部深入發(fā)展的特殊磁重聯(lián)產(chǎn)生.但是，如何產(chǎn)生這種特殊磁重聯(lián)成為一個(gè)新問(wèn)題.統(tǒng)計(jì)研究表明喉區(qū)極光的產(chǎn)生既與沿對(duì)流分布的條帶狀彌散極光有關(guān)，又與徑向行星際磁場(chǎng)有關(guān)（Han et al.,2017）.為了系統(tǒng)性解釋全部觀測(cè)結(jié)果，本文對(duì)前期建立的一個(gè)喉區(qū)極光概念模型進(jìn)行了更新.新模型依然認(rèn)為電離層局地電導(dǎo)率變化可能會(huì)對(duì)喉區(qū)極光的產(chǎn)生發(fā)揮關(guān)鍵作用，但是對(duì)磁鞘高速流在其中可能發(fā)揮的作用進(jìn)行了重新思考.本文將在概要介紹喉區(qū)極光典型觀測(cè)特征基礎(chǔ)上，對(duì)新模型細(xì)節(jié)給出詳細(xì)闡述.同時(shí)也將總結(jié)模型中存在的若干尚未解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題.

1 彌散極光與分立極光

向日側(cè)的磁層結(jié)構(gòu)如圖1a 所示，由外向內(nèi)依次包括：磁鞘區(qū)、磁層頂、低緯邊界層、極隙區(qū)、磁幔區(qū)等區(qū)域.在這些區(qū)域發(fā)生的物理過(guò)程會(huì)沿磁力線投射到極區(qū)，形成對(duì)應(yīng)的特征區(qū)域（如圖1b所示），并常伴隨產(chǎn)生極光現(xiàn)象（Newell and Meng,1992; Newell et al.,2004）.基于地面光學(xué)觀測(cè)，人們把極光分為分立極光和彌散極光兩大類.它們?cè)诠鈱W(xué)形態(tài)和物理特性上都有明顯的不同.在光學(xué)形態(tài)上，分立極光在成像觀測(cè)中具有非常清晰的邊界，發(fā)生在極光卵高緯區(qū)域；而彌散極光在形態(tài)上常常呈現(xiàn)為模糊一片，發(fā)生在極光卵的低緯區(qū)域.這兩種極光在成像觀測(cè)中非常容易辨識(shí)（如圖1c 所示）.

圖1 （a）磁層結(jié)構(gòu)；（b）日側(cè)磁層結(jié)構(gòu)在電離層投影；（c）磁正午附近觀測(cè)到的極光示例.CPS：中心等離子體片F(xiàn)ig.1 (a) Structures of the magnetosphere;(b) The regions of the dayside magnetosphere mapping to the ionosphere;(c) Optical auroras observed near magnetic local noon

彌散極光的產(chǎn)生過(guò)程大致可以理解為：中心等離子體片中的熱電子在由午夜向晨側(cè)漂移過(guò)程中，經(jīng)波粒相互作用被散射進(jìn)入損失錐后產(chǎn)生（Ni et al.,2016）.因此，無(wú)論在日側(cè)還是在夜側(cè)，彌散極光都是由處于閉合磁力線區(qū)的粒子沉降產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)磁層內(nèi)部過(guò)程.

分立極光在不同的地方時(shí)對(duì)應(yīng)的物理過(guò)程有所不同.磁正午附近的分立極光由磁鞘（磁層外部）粒子沉降產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)磁層頂磁力線由閉合到打開的過(guò)程，處于開放磁力線（Lockwood,1997; Mende et al.,2016）.而夜側(cè)的分立極光則大體可以理解為是在磁力線由開放變?yōu)殚]合過(guò)程中產(chǎn)生的.

借助觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)多年研究，挪威科學(xué)家（Sandholt et al.,1998）將日側(cè)極光分為7 類，其中6 類是對(duì)應(yīng)不同地方時(shí)和太陽(yáng)風(fēng)條件出現(xiàn)的分立極光，另一類為彌散極光.由于分立極光與彌散極光對(duì)應(yīng)不同的空間物理過(guò)程，以往的這些研究對(duì)這兩類極光都是分別對(duì)待，極少關(guān)注它們之間的相互作用.

最近，Han 等（2015,2016）發(fā)現(xiàn)：磁正午附近的彌散極光和分立極光之間存在著非常普遍的相互耦合過(guò)程.這意味著可以通過(guò)這兩類極光之間的相互作用來(lái)研究磁層頂附近的內(nèi)、外耦合過(guò)程，是一個(gè)重要的研究新方向.

龍牙楤木采自遼寧丹東；齊墩果酸標(biāo)準(zhǔn)品、Tris、DPPH，美國(guó)Sigma公司；D101大孔樹脂、纖維素酶，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氯化鈉、氯化鎂、硫酸銨、硫酸鎂、磷酸氫二鈉、香草醛、冰醋酸、Vc、無(wú)水乙醇等其它試劑均為分析純，上海源葉生物科技有限公司。

2 條帶狀彌散極光

雖然人們很早就注意到在日側(cè)也存在彌散極光（Sandholt et al.,1998; Newell et al.,2004），但由于在地面開展日側(cè)極光觀測(cè)相對(duì)困難，針對(duì)日側(cè)彌散極光的研究一直非常有限.我國(guó)北極黃河站和美國(guó)南極極點(diǎn)站是少有的幾個(gè)適合開展日側(cè)極光觀測(cè)的站點(diǎn).利用黃河站連續(xù)多年的自主觀測(cè)，Han 等（2015）首次完成了針對(duì)日側(cè)彌散極光的系統(tǒng)性研究，對(duì)日側(cè)彌散極光進(jìn)行了詳細(xì)的分類和統(tǒng)計(jì)，并對(duì)所有觀測(cè)結(jié)果給出了合理的解釋.在這項(xiàng)工作中，有兩點(diǎn)新發(fā)現(xiàn)尤為重要.一是首次發(fā)現(xiàn)在磁正午附近存在一種沿電離層對(duì)流方向分布的條帶狀彌散極光；二是發(fā)現(xiàn)了一種與彌散極光密切相關(guān)的特殊分立極光結(jié)構(gòu)——“喉區(qū)極光”（圖2）.

圖2 （a）在磁正午附近觀測(cè)到的條帶狀彌散極光示例；（b）與條帶狀彌散極光密切相關(guān)的喉區(qū)極光典型；（c）條帶狀彌散極光與喉區(qū)極光可能對(duì)應(yīng)的磁層結(jié)構(gòu)Fig.2 (a) An example of stripy diffuse aurora observed near magnetic local noon;(b) An example of stripy diffuse aurora interaction with discrete auroral oval.A 'throat aurora' is observed;(c) Implications of the stripy diffuse aurora and the throat aurora observed on the ground

Han 等（2015）將日側(cè)彌散極光分為“有結(jié)構(gòu)”和“無(wú)結(jié)構(gòu)”兩大類.有結(jié)構(gòu)彌散極光又包括條帶狀、塊狀和不規(guī)則狀三種形態(tài).重要的是，Han 等（2015）發(fā)現(xiàn)磁正午附近的條帶狀彌散極光呈南北走向、大致沿電離層對(duì)流方向分布.無(wú)論從理論（Demekhov and Yu,1994）還是觀測(cè)上（Nishimura et al.,2013），以往研究都表明結(jié)構(gòu)性彌散極光對(duì)應(yīng)磁層中的冷等離子體結(jié)構(gòu).那么，沿南北向分布的條帶狀彌散極光就意味著在日側(cè)外磁層中存在著沿徑向分布的楔形冷等離子體結(jié)構(gòu)（Han et al.,2015），而發(fā)現(xiàn)磁正午附近存在條帶狀彌散極光的重要性也就體現(xiàn)在這一點(diǎn).這是因?yàn)殡m然衛(wèi)星的就地觀測(cè)可以探測(cè)到外磁層冷等離子體的存在（Chen and Moore,2006; Lee et al.,2015），但即使多顆衛(wèi)星編組飛行，也很難確定冷等離子體結(jié)構(gòu)在磁層中的立體形態(tài)，而這種形態(tài)信息對(duì)推斷它的產(chǎn)生極具啟示作用.根據(jù)條帶狀彌散極光沿對(duì)流分布這一特征，至少可以推斷日側(cè)外磁層中楔形冷等離子體的形成應(yīng)該與磁層/電離層大尺度對(duì)流密切相關(guān).更重要的在于，這些冷等離子體還會(huì)參與到太陽(yáng)風(fēng)—磁層—電離層耦合過(guò)程中，并對(duì)該過(guò)程產(chǎn)生重要影響，而喉區(qū)極光的產(chǎn)生可能就與此密切相關(guān).

3 喉區(qū)極光及其觀測(cè)特征

喉區(qū)極光是一種與彌散極光密切相關(guān)的分立極光.最初，Han 等（2015）發(fā)現(xiàn)，在有條帶狀彌散極光與分立極光卵接觸的情況下，常會(huì)沿條帶狀彌散極光出現(xiàn)一條南北走向的分立極光結(jié)構(gòu)（圖2）.由于這種極光結(jié)構(gòu)只出現(xiàn)在電離層對(duì)流喉區(qū)附近，又大致沿對(duì)流方向分布，因此將其命名為“喉區(qū)極光”.

在磁正午附近，分立極光的沉降粒子都來(lái)源于磁鞘（Mende et al.,2016），對(duì)應(yīng)開放磁力線區(qū)（Lockwood,1997）.一個(gè)普遍接受的觀點(diǎn)認(rèn)為：磁正午附近分立極光卵的赤道向邊界對(duì)應(yīng)日側(cè)磁層頂?shù)拈_—閉磁力線邊界（Moen et al.,1998）.同時(shí)，傳統(tǒng)上認(rèn)為磁正午極光卵的赤道側(cè)邊界是大致平滑的（如圖3a 所示）.喉區(qū)極光是發(fā)生在正午附近的分立極光，又具有非常明顯的從分立極光卵赤道向邊界向低緯延伸的特征（如圖3b 所示），因此，根據(jù)磁力線映射關(guān)系推測(cè)它應(yīng)該對(duì)應(yīng)磁層頂上一個(gè)局地的凹陷式變形（如圖2c 所示）.如果磁層頂上確實(shí)存在這種可以通過(guò)喉區(qū)極光來(lái)追蹤的凹陷式變形，這無(wú)疑是一個(gè)重要的新發(fā)現(xiàn)，因?yàn)檫@一方面打破了我們通常認(rèn)為的日下點(diǎn)附近的磁層頂是一個(gè)大致平滑邊界的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，另一方面將使我們可以通過(guò)地面極光觀測(cè)來(lái)推斷、反演一些尚未揭示的太陽(yáng)風(fēng)—磁層—電離層耦合過(guò)程.而隨后的研究表明這種推斷是正確的.

圖3 （a）通常情況下極光卵示意圖；（b）地面全天空相機(jī)觀測(cè)到的喉區(qū)極光；（c）根據(jù)地面觀測(cè)推測(cè)所得的帶有喉區(qū)極光的極光卵形態(tài)示意圖；（d）DMSP 衛(wèi)星觀測(cè)到的帶喉區(qū)極光的極光卵Fig.3 (a) Discrete auroral oval in general;(b) Throat auroras observed by all-sky camera on the ground;(c) A auroral oval with throat aurora that is inferred from ground-based observations;(d) Throat auroras observed by the DMSP satellite

系列研究表明，喉區(qū)極光具有如下觀測(cè)特征：

（1）喉區(qū)極光對(duì)應(yīng)磁層頂凹陷式變形

DMSP 衛(wèi)星可以提供極光沉降粒子的能譜特征，由此可以推斷粒子源區(qū)特性.利用DMSP 與地面協(xié)同觀測(cè)，Han 等（2016）發(fā)現(xiàn)當(dāng)衛(wèi)星穿過(guò)喉區(qū)極光時(shí)觀測(cè)到磁鞘（開放磁力線）特征，而在喉區(qū)極光之外的地方則顯示出典型的閉合磁力線特征，表明喉區(qū)極光可能對(duì)應(yīng)磁層頂凹陷式變形.隨后，Han 等（2018）發(fā)現(xiàn)MMS 衛(wèi)星觀測(cè)到的磁層頂瞬態(tài)事件與地面喉區(qū)極光事件一一對(duì)應(yīng)，這被認(rèn)為是喉區(qū)極光對(duì)應(yīng)磁層頂凹陷式變形的直接觀測(cè)證明.

（2）喉區(qū)極光伴隨明顯磁重聯(lián)特征

極向運(yùn)動(dòng)極光結(jié)構(gòu)（PMAF）被認(rèn)為是磁層頂重聯(lián)的典型地面特征.Chen 等（2017）注意到喉區(qū)極光總是依次包含點(diǎn)亮、PMAF、變暗三個(gè)過(guò)程，提供了喉區(qū)極光伴隨磁重聯(lián)過(guò)程的光學(xué)觀測(cè)證據(jù).其后，針對(duì)喉區(qū)極光，Han 等（2019）利用歐洲非相干散射雷達(dá)與地面極光協(xié)同觀測(cè)實(shí)驗(yàn)獲得了清晰的磁重聯(lián)觀測(cè)特征；Feng 等（2020）利用地磁觀測(cè)證明喉區(qū)極光具有明顯的南北半球共軛效應(yīng).這些研究明確表明喉區(qū)極光伴隨磁層頂重聯(lián)過(guò)程，由此推斷與喉區(qū)極光對(duì)應(yīng)的磁層頂凹陷結(jié)構(gòu)可能是由一種特殊的磁重聯(lián)過(guò)程所致.

（3）喉區(qū)極光沿對(duì)流分布，且與沿對(duì)流分布的彌散極光密切相關(guān)

喉區(qū)極光的發(fā)生與條帶狀彌散極光密切相關(guān)，而且沿對(duì)流方向分布（Han et al.,2015,2017），而彌散極光和對(duì)流都是磁層內(nèi)部發(fā)生的過(guò)程，由此推測(cè)：喉區(qū)極光的產(chǎn)生可能受磁層內(nèi)部因素影響（Han et al.,2017）.此外，利用DMSP 衛(wèi)星上搭載的SSUSI 極光光譜成像儀，Zhou 等（2020）首次獲得了全球視野下的喉區(qū)極光觀測(cè)，完美驗(yàn)證了前期基于地面觀測(cè)所做的喉區(qū)極光形態(tài)推測(cè).如圖3d所示的典型事件清晰表明喉區(qū)極光的走向也是沿電離層對(duì)流方向分布的.

（4）喉區(qū)極光發(fā)生率與IMF 錐角相關(guān)

Han 等（2017）統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)喉區(qū)極光發(fā)生率與行星際磁場(chǎng)（Interplanetary Magnetic Field,IMF）錐角[arccos(|Bx|/B)]明顯相關(guān)：錐角越大，發(fā)生率越低.這一相關(guān)性與IMF 錐角影響磁鞘高速流發(fā)生率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（Plaschke et al.,2013）非常相似.磁鞘高速流是發(fā)生在磁鞘區(qū)內(nèi)的一種瞬態(tài)過(guò)程，它的空間尺度約為1～2RE（Plaschke et al.,2016），它伴隨的動(dòng)壓比磁鞘背景動(dòng)壓高出3～10 倍，它可以沖擊磁層頂引起系列磁層響應(yīng)（Plaschke et al.,2016）.因此，Han 等（2017）認(rèn)為磁層外部因素對(duì)喉區(qū)極光的產(chǎn)生也有重要影響，而這個(gè)外部因素最可能就是磁鞘高速流.

磁鞘高速流被認(rèn)為是在磁鞘中產(chǎn)生的一種瞬態(tài)過(guò)程（Hietala et al.,2009; Hao et al.,2016），如果它可以引起磁層頂大尺度變形從而產(chǎn)生喉區(qū)極光，那說(shuō)明在磁鞘中局地產(chǎn)生（而不是存在于太陽(yáng)風(fēng)中）的擾動(dòng)過(guò)程也會(huì)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)—磁層耦合具有重要作用.

4 喉區(qū)極光概念模型再考

上述觀測(cè)可以概括為：喉區(qū)極光是一種發(fā)生在電離層對(duì)流喉區(qū)附近、沿對(duì)流分布的分立極光，它與磁正午附近沿對(duì)流分布的條帶狀彌散極光密切相關(guān)；喉區(qū)極光對(duì)應(yīng)磁層頂上的凹陷結(jié)構(gòu)，伴隨著明顯磁重聯(lián)特征；其發(fā)生率與IMF 錐角存在明顯相關(guān)性.

鑒于喉區(qū)極光與彌散極光密切相關(guān)、沿對(duì)流分布，而彌散極光與對(duì)流都是磁層內(nèi)部過(guò)程，由此推斷喉區(qū)極光及其對(duì)應(yīng)的磁層頂凹陷結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生可能受磁層內(nèi)部因素影響.同時(shí)，發(fā)生率與IMF 錐角相關(guān)又表明喉區(qū)極光的產(chǎn)生可能受磁層外部因素的影響，而這個(gè)外部因素可能是磁鞘高速流（Han et al.,2017）.為了系統(tǒng)性解釋這些觀測(cè)結(jié)果，Han（2019）建立了一個(gè)喉區(qū)極光概念模型.模型認(rèn)為彌散極光可以將磁層內(nèi)、外因素與喉區(qū)極光聯(lián)系起來(lái)，而磁層內(nèi)部因素影響磁層頂重聯(lián)是產(chǎn)生磁層頂凹陷的關(guān)鍵.具體來(lái)講，模型認(rèn)為：磁正午附近彌散極光的產(chǎn)生可受內(nèi)、外因素影響；伴隨彌散極光的粒子沉降會(huì)導(dǎo)致局地電離層電導(dǎo)率增加，從而引發(fā)一個(gè)電離層極化電場(chǎng)Ep（Pudovkin,1974）；該電場(chǎng)沿閉合磁力線映射到磁層，會(huì)影響磁層頂重聯(lián)使其向磁層內(nèi)發(fā)展，從而產(chǎn)生磁層頂凹陷結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生喉區(qū)極光.簡(jiǎn)而言之，Han（2019）模型認(rèn)為磁層外部因素（磁鞘高速流）是通過(guò)引發(fā)磁層內(nèi)部彌散極光增強(qiáng)（Wang et al.,2018）來(lái)影響整個(gè)喉區(qū)極光產(chǎn)生過(guò)程的.

本文在上述模型基礎(chǔ)上給出喉區(qū)極光修正模型.修正模型仍然認(rèn)為電離層效應(yīng)（磁層內(nèi)部因素）影響磁層頂重聯(lián)是產(chǎn)生喉區(qū)極光的關(guān)鍵，只是對(duì)磁鞘高速流（外部因素）在整個(gè)過(guò)程中所發(fā)揮的作用進(jìn)行了重新思考.修正模型主要包含以下內(nèi)容：

（1）沿對(duì)流分布的條帶狀彌散極光產(chǎn)生機(jī)理

產(chǎn)生彌散極光的源粒子都是來(lái)源于中心等離子體片的熱電子.理論研究表明（Demekhov and Yu,1994），當(dāng)這些熱電子從夜側(cè)向日側(cè)漂移過(guò)程中如果遇到磁層中存在有冷等離子體結(jié)構(gòu)，那么在該冷等離子體區(qū)域內(nèi)會(huì)有更多的熱電子參與到波粒相互作用中，從而被散射進(jìn)入損失錐產(chǎn)生增強(qiáng)的彌散極光.因此，按照磁力線映射關(guān)系，磁正午附近沿對(duì)流分布的條帶狀彌散極光就應(yīng)該對(duì)應(yīng)日側(cè)外磁層中沿對(duì)流分布的楔形冷等離子體結(jié)構(gòu).模型認(rèn)為形成外磁層沿對(duì)流分布的楔形冷等離子體的根本原因在于電離層.在電離層對(duì)流將中低緯地區(qū)的高密度等離子體向高緯輸運(yùn)過(guò)程中會(huì)在電離層中形成沿對(duì)流分布的條帶狀等離子體高密度結(jié)構(gòu)；而電離層中的高密度結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生電離層粒子外流（Zou et al.,2021），從而在日側(cè)外磁層中形成沿對(duì)流分布的楔形冷等離子體結(jié)構(gòu).簡(jiǎn)而言之，由對(duì)流引起的電離層內(nèi)條帶狀等離子體高密度結(jié)構(gòu)是形成沿對(duì)流分布的條帶狀彌散極光的根本原因，也是喉區(qū)極光模型的關(guān)鍵所在.

除電離層粒子外流，等離子體羽（plasmaspheric plume）也是可能影響磁層條帶狀彌散極光產(chǎn)生的因素.模型研究表明磁層中存在的冷等離子體結(jié)構(gòu)也可能由等離子體羽演化而來(lái)（Wang et al.,2018）.另有觀測(cè)表明（Foster et al.,2020）電離層中的高密度等離子體結(jié)構(gòu)與等離子體羽狀結(jié)構(gòu)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，這說(shuō)明等離子體羽的演化可以通過(guò)影響冷等離子體結(jié)構(gòu)從而影響彌散極光的產(chǎn)生.

（2）沿對(duì)流分布的喉區(qū)極光產(chǎn)生機(jī)理

喉區(qū)極光是分立極光，對(duì)應(yīng)磁層頂凹陷.在這里既要考慮磁層頂凹陷如何形成，又要考慮這個(gè)凹陷為什么會(huì)沿對(duì)流方向分布，模型認(rèn)為其中的關(guān)鍵仍然在于由對(duì)流引起的電離層內(nèi)條帶狀等離子體高密度結(jié)構(gòu).如Han（2019）所述，條帶狀高密度等離子體結(jié)構(gòu)的存在會(huì)導(dǎo)致局地電離層電導(dǎo)率增加.由于極區(qū)電離層中常存在一個(gè)東向?qū)α麟妶?chǎng)，在此電場(chǎng)作用下，在局地高導(dǎo)電率區(qū)域的邊界上會(huì)形成電荷積累，從而會(huì)引發(fā)一個(gè)與背景電場(chǎng)方向相反的西向電離層極化電場(chǎng)Ep（Pudovkin,1974），該電場(chǎng)會(huì)沿閉合磁力線映射到磁層（如圖4 所示）.此時(shí)，如果磁層頂發(fā)生磁重聯(lián)，在Ep×B作用之下會(huì)使磁層頂重聯(lián)向磁層內(nèi)發(fā)展，從而產(chǎn)生磁層頂凹陷結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生喉區(qū)極光.在這里，由于電離層中的條帶狀高密度結(jié)構(gòu)沿對(duì)流分布，所以與之相伴的西向極化電場(chǎng)存在的區(qū)域也會(huì)是一個(gè)沿對(duì)流分布的條帶狀區(qū)域.正是這個(gè)沿對(duì)流分布的條帶狀電離層極化電場(chǎng)所在區(qū)域的走向決定了磁層頂重聯(lián)發(fā)展的方向，從而導(dǎo)致在磁層頂上產(chǎn)生了沿對(duì)流分布的凹陷結(jié)構(gòu)（圖4）.

圖4 基于Han（2019）更新的喉區(qū)極光模型示意圖.與Han（2019）所述模型相比，本模型認(rèn)為源于太陽(yáng)風(fēng)的擾動(dòng)對(duì)產(chǎn)生喉區(qū)極光的重要貢獻(xiàn)在于觸發(fā)太陽(yáng)風(fēng)磁力線與磁層最外側(cè)一根磁力線之間發(fā)生磁重聯(lián)Fig.4 A schematic illustration of the revised throat auroral model based on Han (2019).This model suggests that a magnetosheath disturbance may play a role in producing throat aurora by triggering a magnetic reconnection between the IMF and the last closed geomagnetic field line

（3）IMF 錐角在產(chǎn)生喉區(qū)極光過(guò)程中所起的作用

在如前所述的喉區(qū)極光模型中，產(chǎn)生磁層頂凹陷需要同時(shí)滿足兩個(gè)條件：（a）磁層頂附近需要存在一個(gè)西向極化電場(chǎng)Ep；（b）磁層頂要有重聯(lián)發(fā)生.Han 等（2017）認(rèn)為在統(tǒng)計(jì)結(jié)果中所表現(xiàn)出來(lái)的喉區(qū)極光與IMF 錐角之間的相關(guān)性可能主要反映的是磁鞘高速流的作用，而Hietala 等（2018）發(fā)現(xiàn)磁鞘高速流可以觸發(fā)磁層頂重聯(lián).因此，修正模型認(rèn)為磁鞘高速流在產(chǎn)生磁層頂凹陷過(guò)程中所發(fā)揮的主要作用在于觸發(fā)磁層最外側(cè)一根閉合磁力線與太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)發(fā)生磁重聯(lián)，而不是Han（2019）模型所認(rèn)為的通過(guò)激發(fā)磁正午附近彌散極光來(lái)發(fā)揮作用.這也是本文提出的修正喉區(qū)極光模型與Han（2019）模型的關(guān)鍵不同之處.在統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，喉區(qū)極光的發(fā)生率之所以會(huì)表現(xiàn)出與IMF 錐角相關(guān)，可能正是反映出在有磁鞘高速流作用之下太陽(yáng)風(fēng)磁力線更容易與地球磁層最外側(cè)一根閉合磁力線發(fā)生磁重聯(lián).據(jù)此，我們可以推測(cè)：當(dāng)磁層內(nèi)部條件滿足產(chǎn)生喉區(qū)極光所需時(shí)，任何可以觸發(fā)IMF 與地球閉合磁力線發(fā)生重聯(lián)的太陽(yáng)風(fēng)擾動(dòng)都可能同時(shí)是觸發(fā)喉區(qū)極光產(chǎn)生的原因.當(dāng)然對(duì)于產(chǎn)生喉區(qū)極光來(lái)說(shuō)，這種觸發(fā)作用可能并非是必須的.

5 總結(jié)

太陽(yáng)風(fēng)—磁層—電離層耦合是一個(gè)包含太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)、磁鞘區(qū)緩沖、磁層—電離層響應(yīng)并反饋的系統(tǒng)性過(guò)程.以往觀測(cè)研究主要聚焦于分析太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)作用，對(duì)磁鞘區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)程以及磁層內(nèi)部因素如何影響整個(gè)耦合過(guò)程的研究明顯不足.修正的喉區(qū)極光模型系統(tǒng)、綜合地考慮了磁層內(nèi)、外因素對(duì)太陽(yáng)風(fēng)—磁層—電離層耦合過(guò)程的影響，可以解釋目前得到的所有喉區(qū)極光觀測(cè)結(jié)果.這表明喉區(qū)極光可能是研究這一系統(tǒng)性耦合過(guò)程的一個(gè)極好的切入點(diǎn)和突破口.模型中所提到的電離層對(duì)流對(duì)等離子體輸運(yùn)形成高密度結(jié)構(gòu)、高密度結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)高電離層粒子流出、冷等離子體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生彌散極光、磁鞘高速流觸發(fā)磁重聯(lián)等要點(diǎn)都可以在以往研究中找到直接或間接支持，但是作為整個(gè)模型的創(chuàng)新點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，電離層電場(chǎng)沿閉合磁力線映射到磁層頂影響磁層頂重聯(lián)這一假設(shè)還有待進(jìn)一步驗(yàn)證.