亞極光帶極化流的演化特征及其驅(qū)動(dòng)離子上行的機(jī)制研究一、引言1.1研究背景與意義亞極光帶極化流（SubauroralPolarizationStreams，SAPS）作為地球空間環(huán)境中的重要現(xiàn)象，在空間物理學(xué)研究領(lǐng)域占據(jù)著關(guān)鍵地位。地球空間環(huán)境是一個(gè)由太陽(yáng)風(fēng)、磁層、電離層和熱層等多個(gè)部分相互作用構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，而亞極光帶極化流就產(chǎn)生于其中磁層與電離層相互耦合的關(guān)鍵區(qū)域。深入探究亞極光帶極化流的演化過(guò)程，對(duì)于全面理解地球空間環(huán)境的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過(guò)程和物理機(jī)制具有重要的理論意義。從宏觀層面來(lái)看，太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層的相互作用是地球空間環(huán)境變化的主要驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)攜帶的能量和物質(zhì)進(jìn)入地球磁層時(shí)，會(huì)引發(fā)一系列復(fù)雜的物理過(guò)程。在磁暴主相或亞暴擴(kuò)展相期間，太陽(yáng)風(fēng)的強(qiáng)烈作用導(dǎo)致等離子體片離子邊界與電子邊界分離，進(jìn)而產(chǎn)生電勢(shì)差。這一電勢(shì)差沿磁力線映射至亞極光區(qū)域電離層，成為亞極光帶極化流形成的重要條件。例如，在2003年11月18日的太陽(yáng)爆發(fā)事件中，日冕物質(zhì)拋射（CME）引發(fā)了極強(qiáng)的磁暴，大量太陽(yáng)風(fēng)粒子注入磁層空間，使得高溫的等離子體片推進(jìn)到距地表3000多公里的高度，此次事件中，亞極光帶極化流的演化特征就呈現(xiàn)出與以往不同的復(fù)雜模式。亞極光帶極化流的存在和演化對(duì)地球空間環(huán)境有著多方面的顯著影響。在電離層中，SAPS的強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致電離層等離子體的輸運(yùn)和加熱過(guò)程發(fā)生變化，進(jìn)而影響電離層的電子密度分布和電導(dǎo)率。這種影響在不同的地磁活動(dòng)條件下表現(xiàn)各異，如在較強(qiáng)的地磁活動(dòng)期間，SAPS引發(fā)的電離層擾動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致通信和導(dǎo)航信號(hào)的異常。在熱層中，SAPS與中性大氣的相互作用會(huì)引起中性大氣的加熱和環(huán)流變化，這些變化又會(huì)反饋到電離層，進(jìn)一步影響電離層-熱層耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用方面，對(duì)亞極光帶極化流的研究也具有重要意義。隨著人類對(duì)太空的探索和利用不斷深入，衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、遙感等空間技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。然而，這些技術(shù)的正常運(yùn)行極易受到空間環(huán)境的影響。亞極光帶極化流引發(fā)的電離層擾動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星通信信號(hào)中斷、導(dǎo)航定位誤差增大等問(wèn)題，給人類的空間活動(dòng)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。因此，深入研究亞極光帶極化流的演化規(guī)律，能夠?yàn)榭臻g天氣預(yù)報(bào)提供更準(zhǔn)確的依據(jù)，幫助我們提前做好應(yīng)對(duì)措施，保障空間技術(shù)的安全可靠運(yùn)行。在國(guó)際合作與交流方面，亞極光帶極化流的研究也是全球空間物理學(xué)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。各國(guó)科學(xué)家通過(guò)聯(lián)合觀測(cè)、數(shù)據(jù)共享和理論探討，共同推動(dòng)了對(duì)這一現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和理解。例如，中國(guó)科學(xué)院科學(xué)家與國(guó)家衛(wèi)星氣象中心、美國(guó)高山天文臺(tái)和北京大學(xué)等機(jī)構(gòu)合作，利用多衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)亞極光帶極化流的震蕩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，揭示了其演化過(guò)程和物理機(jī)制。這種國(guó)際合作不僅促進(jìn)了科學(xué)研究的發(fā)展，也為解決全球性的空間環(huán)境問(wèn)題提供了有力的支持。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀亞極光帶極化流（SAPS）及離子上行現(xiàn)象的研究一直是空間物理學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外眾多科研團(tuán)隊(duì)投入大量精力開(kāi)展相關(guān)研究，取得了一系列豐碩成果。國(guó)外在該領(lǐng)域的研究起步較早，積累了豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù)和理論成果。早期，科學(xué)家們主要利用地面觀測(cè)設(shè)備和少量衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)亞極光帶區(qū)域進(jìn)行初步探測(cè)。隨著空間探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，一系列專門用于研究地球空間環(huán)境的衛(wèi)星相繼發(fā)射，如美國(guó)的DE系列衛(wèi)星、DMSP衛(wèi)星等，為深入研究亞極光帶極化流和離子上行提供了更全面、更精確的數(shù)據(jù)支持。通過(guò)對(duì)這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了SAPS在不同地磁活動(dòng)條件下的基本特征。例如，在磁暴期間，SAPS的強(qiáng)度和范圍會(huì)顯著增強(qiáng)和擴(kuò)大，其漂移速度可達(dá)到幾百米每秒甚至更高。同時(shí)，研究還揭示了SAPS與等離子體片、場(chǎng)向電流等其他空間物理現(xiàn)象之間的密切聯(lián)系，初步構(gòu)建了SAPS形成和演化的理論框架。在離子上行方面，利用衛(wèi)星搭載的粒子探測(cè)器，國(guó)外學(xué)者詳細(xì)研究了上行離子的成分、能量分布和通量變化，發(fā)現(xiàn)上行離子主要包括氫離子、氧離子等，其能量范圍從幾電子伏到幾千電子伏不等，并且上行離子的通量與地磁活動(dòng)強(qiáng)度密切相關(guān)。國(guó)內(nèi)對(duì)亞極光帶極化流和離子上行的研究雖然起步相對(duì)較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速，在多個(gè)方面取得了重要突破。隨著我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星如“探測(cè)一號(hào)”“風(fēng)云系列”等投入使用，以及地面觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，我國(guó)科學(xué)家獲得了大量寶貴的一手?jǐn)?shù)據(jù)，為深入研究提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在SAPS研究方面，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)利用多衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)SAPS的震蕩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，揭示了其在強(qiáng)磁暴期間的演化過(guò)程和物理機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，在特定的行星際磁場(chǎng)條件下，SAPS會(huì)出現(xiàn)劇烈的震蕩現(xiàn)象，其震蕩頻率和幅度與磁層內(nèi)部的物理過(guò)程密切相關(guān)。山東大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)則通過(guò)對(duì)DMSP衛(wèi)星數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，研究了SAPS發(fā)生率及其發(fā)生位置隨季節(jié)和世界時(shí)的分布特征，發(fā)現(xiàn)SAPS的發(fā)生率有明顯的季節(jié)和世界時(shí)依賴性，主要發(fā)生在春秋季節(jié)，且與電離層電導(dǎo)率密切相關(guān)。在離子上行研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用FAST衛(wèi)星等觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了不同相位上行離子通量的數(shù)量級(jí)，研究了其與地磁活動(dòng)指數(shù)（如Sym-H指數(shù)、Kp指數(shù)）以及注入的Poynting通量之間的關(guān)系，構(gòu)建了上行離子通量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑸槔斫怆x子上行過(guò)程提供了重要參考。盡管國(guó)內(nèi)外在亞極光帶極化流演化及離子上行研究方面取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足與空白。在SAPS演化研究方面，雖然已經(jīng)對(duì)其在磁暴和亞暴期間的基本特征和演化模式有了一定認(rèn)識(shí)，但對(duì)于一些復(fù)雜的時(shí)空變化規(guī)律，如SAPS在不同太陽(yáng)風(fēng)條件下的快速響應(yīng)機(jī)制，以及其在長(zhǎng)期太陽(yáng)活動(dòng)周期中的變化趨勢(shì)，還缺乏深入研究。在多衛(wèi)星聯(lián)合觀測(cè)方面，雖然已經(jīng)有一些嘗試，但不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)之間的融合和協(xié)同分析還存在一定困難，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)SAPS三維結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)演化的全面、精確描述。在離子上行研究中，對(duì)于上行離子在加速和傳輸過(guò)程中的詳細(xì)物理過(guò)程，如離子與背景等離子體的相互作用、波-粒相互作用等，還缺乏深入的理論和數(shù)值模擬研究。此外，目前對(duì)于亞極光帶極化流演化與離子上行之間的內(nèi)在耦合關(guān)系，雖然有一些初步探討，但尚未形成完整的理論體系，兩者之間的因果關(guān)系和相互影響機(jī)制仍有待進(jìn)一步明確。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入剖析亞極光帶極化流的演化規(guī)律及其引發(fā)的離子上行現(xiàn)象，揭示兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系，為地球空間環(huán)境的動(dòng)力學(xué)研究提供更全面、深入的理論依據(jù)。具體研究?jī)?nèi)容如下：亞極光帶極化流演化特征分析：收集和整理多顆衛(wèi)星（如DMSP、FAST、風(fēng)云系列等）以及地面觀測(cè)站（如SuperDARN高頻雷達(dá)網(wǎng)、非相干散射雷達(dá)等）在不同地磁活動(dòng)條件下的觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建亞極光帶極化流的數(shù)據(jù)集。運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計(jì)分析方法，研究亞極光帶極化流的基本特征，包括流速、流向、空間分布范圍等，分析其在不同季節(jié)、世界時(shí)以及地磁活動(dòng)強(qiáng)度下的變化規(guī)律。例如，通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，明確SAPS發(fā)生率在春秋季節(jié)較高的原因，以及其發(fā)生位置與磁地方時(shí)、電離層電導(dǎo)率之間的定量關(guān)系。利用多衛(wèi)星聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合磁場(chǎng)模型和電離層電動(dòng)力學(xué)模型，研究亞極光帶極化流的三維結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。重點(diǎn)關(guān)注在磁暴、亞暴等特殊地磁活動(dòng)期間，SAPS的演化模式，如震蕩結(jié)構(gòu)、雙峰結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)條件和演化特征，揭示其與磁層內(nèi)部物理過(guò)程（如等離子體片的注入、場(chǎng)向電流的變化等）之間的關(guān)聯(lián)。離子上行現(xiàn)象研究：利用衛(wèi)星搭載的粒子探測(cè)器（如FAST衛(wèi)星上的粒子分析儀）獲取上行離子的成分、能量分布、通量等數(shù)據(jù)，分析不同地磁活動(dòng)相位（初相、主相、恢復(fù)相）上行離子的特征變化。研究上行離子的加速機(jī)制，通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，探討電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及波-粒相互作用在離子加速過(guò)程中的作用。例如，分析在亞極光帶極化流強(qiáng)電場(chǎng)作用下，離子的加速路徑和能量增益情況，研究阿爾芬波等波動(dòng)與離子的相互作用如何影響離子的上行。構(gòu)建上行離子通量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃屠碚撃Ｐ停Y(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛡?cè)重于描述上行離子通量與地磁活動(dòng)指數(shù)（如Sym-H指數(shù)、Kp指數(shù)）、太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)（如太陽(yáng)風(fēng)速度、密度、行星際磁場(chǎng)等）之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系；理論模型則從物理機(jī)制出發(fā)，考慮離子與背景等離子體的相互作用、電離層-磁層耦合等因素，對(duì)離子上行過(guò)程進(jìn)行更精確的模擬。亞極光帶極化流演化與離子上行的關(guān)聯(lián)研究：從能量傳輸和動(dòng)量交換的角度，研究亞極光帶極化流如何將能量和動(dòng)量傳遞給離子，從而引發(fā)離子上行。分析SAPS的電場(chǎng)、電流結(jié)構(gòu)與離子上行的起始位置、強(qiáng)度之間的關(guān)系，確定兩者之間的因果聯(lián)系。通過(guò)案例分析和統(tǒng)計(jì)研究，探討不同演化階段的亞極光帶極化流對(duì)離子上行的影響差異。例如，在SAPS的震蕩階段和穩(wěn)定階段，分別研究上行離子的通量、能量分布等特征的變化，總結(jié)出SAPS演化與離子上行之間的定量關(guān)系。結(jié)合磁層-電離層耦合模型，將亞極光帶極化流演化和離子上行過(guò)程納入統(tǒng)一的模型框架中，進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過(guò)模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證和完善理論模型，深入理解兩者之間的耦合機(jī)制，為空間天氣預(yù)測(cè)提供更準(zhǔn)確的理論支持。1.4研究方法與技術(shù)路線為實(shí)現(xiàn)對(duì)亞極光帶極化流演化及其引起的離子上行現(xiàn)象的深入研究，本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法，從不同角度對(duì)這一復(fù)雜的空間物理過(guò)程進(jìn)行剖析。在數(shù)據(jù)獲取方面，主要依賴衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)。衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣、觀測(cè)參數(shù)多等優(yōu)勢(shì)，能夠提供亞極光帶區(qū)域的全球尺度信息。本研究將收集DMSP（DefenseMeteorologicalSatelliteProgram）衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，該衛(wèi)星搭載了多種探測(cè)儀器，可獲取電離層等離子體的漂移速度、溫度、密度等關(guān)鍵參數(shù)，為研究亞極光帶極化流的基本特征提供重要依據(jù)。同時(shí)，利用FAST（FastAuroralSnapshotExplorer）衛(wèi)星對(duì)上行離子的成分、能量分布和通量等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，有助于深入了解離子上行現(xiàn)象。此外，風(fēng)云系列衛(wèi)星在地球空間環(huán)境監(jiān)測(cè)方面也發(fā)揮著重要作用，其提供的多波段遙感數(shù)據(jù)能夠輔助分析亞極光帶區(qū)域的空間環(huán)境變化。地面觀測(cè)數(shù)據(jù)則具有高時(shí)間分辨率和局部精細(xì)化觀測(cè)的特點(diǎn)，與衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)形成互補(bǔ)。SuperDARN（SuperDualAuroralRadarNetwork）高頻雷達(dá)網(wǎng)能夠?qū)﹄婋x層等離子體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取亞極光帶極化流的流速和流向信息，其覆蓋范圍廣泛，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同經(jīng)度區(qū)域的同步觀測(cè)。非相干散射雷達(dá)則可以精確測(cè)量電離層的電子密度、溫度、離子成分等參數(shù)，為研究亞極光帶區(qū)域的電離層物理過(guò)程提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)分析方法是本研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在數(shù)據(jù)處理階段，首先對(duì)衛(wèi)星和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、校準(zhǔn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等操作，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，從海量的觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取與亞極光帶極化流和離子上行相關(guān)的特征信息。例如，通過(guò)聚類分析方法，對(duì)亞極光帶極化流的不同形態(tài)進(jìn)行分類，找出其在不同地磁活動(dòng)條件下的典型模式。利用統(tǒng)計(jì)分析方法，研究亞極光帶極化流和離子上行的各種參數(shù)與地磁活動(dòng)指數(shù)、太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)之間的相關(guān)性。通過(guò)對(duì)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，確定亞極光帶極化流的發(fā)生率與季節(jié)、世界時(shí)、地磁活動(dòng)強(qiáng)度之間的定量關(guān)系，以及上行離子通量與地磁活動(dòng)指數(shù)、注入的Poynting通量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。數(shù)值模擬是深入理解亞極光帶極化流演化和離子上行物理機(jī)制的重要手段。本研究將運(yùn)用磁層-電離層耦合模型，對(duì)亞極光帶區(qū)域的電磁場(chǎng)、等離子體運(yùn)動(dòng)等過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。在模型中，考慮太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層的相互作用、等離子體片的注入、場(chǎng)向電流的變化等因素，通過(guò)求解麥克斯韋方程組和等離子體動(dòng)力學(xué)方程，模擬亞極光帶極化流的形成和演化過(guò)程。例如，利用全球磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）模型，模擬不同太陽(yáng)風(fēng)條件下磁層的響應(yīng)，進(jìn)而研究亞極光帶極化流的變化特征。在離子上行模擬方面，采用粒子-網(wǎng)格（PIC）模型，考慮離子與背景等離子體的相互作用、波-粒相互作用等因素，對(duì)離子的加速和傳輸過(guò)程進(jìn)行精確模擬。通過(guò)數(shù)值模擬，可以直觀地展示亞極光帶極化流和離子上行的物理過(guò)程，與觀測(cè)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，進(jìn)一步揭示其內(nèi)在物理機(jī)制。案例研究方法將貫穿于整個(gè)研究過(guò)程。選取具有代表性的磁暴、亞暴事件，對(duì)亞極光帶極化流的演化和離子上行現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)分析。例如，針對(duì)2003年11月18日的超強(qiáng)磁暴事件，利用多衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，深入研究在該事件中亞極光帶極化流的震蕩結(jié)構(gòu)、離子上行的特征變化等。通過(guò)對(duì)具體案例的深入剖析，能夠更直觀地了解亞極光帶極化流和離子上行在特殊地磁活動(dòng)條件下的行為，為理論研究和數(shù)值模擬提供實(shí)際案例支持。本研究的技術(shù)路線如圖1所示。首先，通過(guò)衛(wèi)星觀測(cè)和地面觀測(cè)獲取亞極光帶極化流和離子上行的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和分析，提取關(guān)鍵特征信息。然后，運(yùn)用數(shù)值模擬方法，構(gòu)建磁層-電離層耦合模型和離子上行模型，對(duì)亞極光帶極化流的演化和離子上行過(guò)程進(jìn)行模擬。將模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，不斷優(yōu)化模型。通過(guò)案例研究，深入分析典型事件中亞極光帶極化流和離子上行的特征，總結(jié)其演化規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系。最后，綜合觀測(cè)分析、數(shù)值模擬和案例研究的結(jié)果，形成對(duì)亞極光帶極化流演化及其引起的離子上行現(xiàn)象的全面認(rèn)識(shí)，為地球空間環(huán)境的動(dòng)力學(xué)研究提供理論依據(jù)。[此處插入技術(shù)路線圖1，圖中清晰展示數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模擬、案例研究以及結(jié)果綜合的流程和相互關(guān)系]二、亞極光帶極化流的基本理論2.1亞極光帶的區(qū)域特征與界定亞極光帶作為地球空間環(huán)境中的一個(gè)特殊區(qū)域，其地理位置和空間范圍的界定對(duì)于研究亞極光帶極化流及相關(guān)現(xiàn)象至關(guān)重要。從空間位置來(lái)看，亞極光帶位于極光卵赤道邊界以南的區(qū)域，在地球的高緯度地區(qū)環(huán)繞地球分布。其具體的緯度范圍大致在磁緯47.5°-62.5°之間，以磁緯55°為中心線，形成一個(gè)寬度約15°（在地球表面對(duì)應(yīng)的距離約1700公里）的帶狀區(qū)域。在北半球，這一區(qū)域涵蓋了加拿大的部分地區(qū)，如埃德蒙頓以及中部各省會(huì)城市，還有美國(guó)阿拉斯加的部分區(qū)域等；在南半球，由于陸地分布較少，主要位于南極大陸周邊的海洋上空對(duì)應(yīng)的高緯度區(qū)域。亞極光帶與其他空間區(qū)域存在著緊密的聯(lián)系和相互作用。在垂直方向上，它與電離層、熱層以及磁層相互耦合。亞極光帶區(qū)域的電離層是地球大氣被太陽(yáng)極紫外輻射和宇宙射線電離產(chǎn)生的，其電子密度、溫度和電導(dǎo)率等參數(shù)的變化會(huì)直接影響亞極光帶極化流的形成和演化。例如，當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)，太陽(yáng)極紫外輻射增強(qiáng)，使得電離層的電子密度增加，這可能導(dǎo)致亞極光帶極化流的電場(chǎng)強(qiáng)度和離子漂移速度發(fā)生變化。在水平方向上，亞極光帶與極光帶相鄰，兩者之間存在著物質(zhì)和能量的交換。在磁暴或亞暴期間，極光帶中的高能粒子會(huì)向亞極光帶擴(kuò)散，這些高能粒子與亞極光帶中的等離子體相互作用，可能引發(fā)一系列復(fù)雜的物理過(guò)程，如激發(fā)波動(dòng)、改變等離子體的輸運(yùn)特性等，進(jìn)而影響亞極光帶極化流的特征。亞極光帶與中緯度電離層密度槽、等離子體層頂、場(chǎng)向電流等區(qū)域存在交疊。中緯度電離層密度槽是電離層中電子密度相對(duì)較低的區(qū)域，其位置和形態(tài)的變化與亞極光帶極化流密切相關(guān)。在某些情況下，亞極光帶極化流的強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致電離層等離子體的輸運(yùn)，使得中緯度電離層密度槽的位置和形狀發(fā)生改變。等離子體層頂是等離子體層的外邊界，其位置的變化會(huì)影響亞極光帶區(qū)域的等離子體環(huán)境。當(dāng)?shù)入x子體層頂向地球方向收縮時(shí)，會(huì)導(dǎo)致亞極光帶區(qū)域的等離子體密度和溫度發(fā)生變化，為亞極光帶極化流的形成提供了條件。場(chǎng)向電流是連接電離層和磁層的電流體系，在亞極光帶區(qū)域，場(chǎng)向電流與亞極光帶極化流相互作用，通過(guò)調(diào)節(jié)電離層的電導(dǎo)率和電場(chǎng)分布，影響亞極光帶極化流的演化。在二區(qū)場(chǎng)向電流結(jié)構(gòu)下，亞極光帶極化流甚至?xí)霈F(xiàn)雙峰和震蕩結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)雙層電流和多層電流。2.2極化流的產(chǎn)生機(jī)制亞極光帶極化流的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，與地球磁層-電離層耦合系統(tǒng)密切相關(guān)，其主要機(jī)制涉及等離子體片的動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及電場(chǎng)和電流的相互作用。在地磁活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)期，如磁暴主相或亞暴擴(kuò)展相，太陽(yáng)風(fēng)攜帶的能量和物質(zhì)大量注入地球磁層。磁層內(nèi)的等離子體片會(huì)發(fā)生顯著變化，其離子邊界與電子邊界出現(xiàn)分離現(xiàn)象。由于離子和電子的運(yùn)動(dòng)特性不同，離子的慣性較大，在太陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)和磁層對(duì)流電場(chǎng)的作用下，離子邊界會(huì)更靠近地球，而電子邊界則相對(duì)遠(yuǎn)離。這種分離導(dǎo)致在等離子體片的兩個(gè)邊界之間產(chǎn)生了電勢(shì)差。根據(jù)等離子體動(dòng)力學(xué)理論，當(dāng)存在這種電荷分離時(shí)，就會(huì)形成電場(chǎng)，其電場(chǎng)強(qiáng)度E可通過(guò)公式E=\frac{\DeltaV}z3jilz61osys來(lái)估算，其中\(zhòng)DeltaV為電勢(shì)差，d為離子邊界與電子邊界之間的距離。在典型的磁暴期間，\DeltaV可達(dá)到數(shù)千伏特，d約為數(shù)千公里，由此產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)數(shù)毫伏每米。這一電勢(shì)差會(huì)沿著磁力線映射至亞極光區(qū)域電離層。磁力線在地球空間中起到了連接磁層和電離層的橋梁作用，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)磁層中的電勢(shì)差存在時(shí)，會(huì)在磁力線周圍產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，使得電勢(shì)能夠沿著磁力線傳遞到電離層。同時(shí)，在這一過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生流向電離層的二區(qū)場(chǎng)向電流。二區(qū)場(chǎng)向電流的產(chǎn)生與等離子體片中的電流體系密切相關(guān)，它是磁層-電離層電流閉合回路的重要組成部分。在低電導(dǎo)率的亞極光區(qū)域，二區(qū)場(chǎng)向電流需要通過(guò)其他電流來(lái)實(shí)現(xiàn)閉合。此時(shí)，極向流動(dòng)的Pedersen電流發(fā)揮了關(guān)鍵作用。Pedersen電流是電離層中的一種水平電流，它在電場(chǎng)的作用下，由帶電粒子在中性大氣中的碰撞和漂移產(chǎn)生。在亞極光區(qū)域，由于電離層的電導(dǎo)率較低，特別是在F區(qū)和E區(qū)，沉降粒子與中性大氣的碰撞加熱、化學(xué)反應(yīng)以及垂直傳輸?shù)冗^(guò)程導(dǎo)致F區(qū)被耗空，強(qiáng)電場(chǎng)也使得E區(qū)密度降低，這使得電離層Pedersen電導(dǎo)率大大降低。根據(jù)歐姆定律J=\sigmaE（其中J為電流密度，\sigma為電導(dǎo)率，E為電場(chǎng)強(qiáng)度），在電導(dǎo)率降低的情況下，為了維持電流的連續(xù)性，電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)，從而形成強(qiáng)的尖峰狀極向電場(chǎng)。在這一強(qiáng)電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下，離子會(huì)產(chǎn)生西向漂移，最終形成亞極光極化流。亞極光帶極化流的形成過(guò)程中，還存在著一些反饋機(jī)制。例如，極化流的產(chǎn)生會(huì)進(jìn)一步影響電離層的電導(dǎo)率和電場(chǎng)分布。當(dāng)極化流形成后，其攜帶的能量和動(dòng)量會(huì)與電離層中的等離子體和中性大氣相互作用，導(dǎo)致電離層的加熱和成分變化，進(jìn)而改變電離層的電導(dǎo)率。這種電導(dǎo)率的變化又會(huì)反過(guò)來(lái)影響極化流的強(qiáng)度和分布，形成一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。2.3極化流的基本特性亞極光帶極化流（SAPS）的基本特性主要體現(xiàn)在速度、方向、電場(chǎng)強(qiáng)度等方面，這些特性在不同的地磁活動(dòng)條件下呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化規(guī)律。在速度方面，亞極光帶極化流的速度通常在每秒幾百米到超過(guò)1千米的范圍內(nèi)變化。在磁暴主相期間，SAPS的速度會(huì)顯著增強(qiáng)。例如，在2003年11月18日的強(qiáng)磁暴事件中，通過(guò)DMSP衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，SAPS的漂移速度峰谷差達(dá)到1.5km/s，明顯超過(guò)了其在平靜時(shí)期的直流漂移速度（通常為0.5km/s左右）。這種速度的變化與太陽(yáng)風(fēng)能量注入以及磁層-電離層耦合過(guò)程密切相關(guān)。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)攜帶大量能量注入磁層時(shí)，會(huì)引發(fā)磁層內(nèi)部的一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程，導(dǎo)致等離子體片的變化，進(jìn)而影響SAPS的速度。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，SAPS的速度在不同季節(jié)也存在一定差異。在春秋季節(jié)，由于太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)的綜合影響，SAPS的平均速度相對(duì)較高，這可能與該季節(jié)太陽(yáng)風(fēng)的特性以及地球磁層的響應(yīng)有關(guān)。SAPS的方向主要表現(xiàn)為西向漂移。這是由于在亞極光帶區(qū)域，二區(qū)場(chǎng)向電流通過(guò)極向流動(dòng)的Pedersen電流實(shí)現(xiàn)閉合，在低電導(dǎo)率的亞極光區(qū)域，這種電流結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了強(qiáng)的尖峰狀極向電場(chǎng)，在電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下，離子產(chǎn)生西向漂移，從而形成了SAPS的西向流動(dòng)方向。在某些特殊情況下，如在磁暴或亞暴期間，當(dāng)行星際磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，SAPS的方向也可能會(huì)出現(xiàn)短暫的改變。當(dāng)行星際磁場(chǎng)Y分量由正變負(fù)時(shí)，磁力線與子午面的共面性更好，可能會(huì)激發(fā)一些波動(dòng)，這些波動(dòng)會(huì)影響等離子體的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致SAPS的方向發(fā)生微小的偏移。亞極光帶極化流的電場(chǎng)強(qiáng)度是其重要特性之一。在磁暴期間，由于等離子體片離子邊界與電子邊界分離產(chǎn)生的電勢(shì)差沿磁力線映射至亞極光區(qū)域電離層，使得該區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際觀測(cè)，在強(qiáng)磁暴主相期間，亞極光帶區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)到數(shù)毫伏每米。這種強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)電離層等離子體的輸運(yùn)和加熱過(guò)程產(chǎn)生重要影響。強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)加速電離層等離子體的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致等離子體的輸運(yùn)過(guò)程發(fā)生變化，進(jìn)而影響電離層的電子密度分布和電導(dǎo)率。強(qiáng)電場(chǎng)還會(huì)使電離層中的離子與中性大氣分子的碰撞頻率增加，從而導(dǎo)致電離層的加熱。在不同的二區(qū)場(chǎng)向電流結(jié)構(gòu)下，SAPS還會(huì)出現(xiàn)一些特殊的結(jié)構(gòu)和變化。在雙層電流結(jié)構(gòu)下，SAPS會(huì)出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)；在多層電流結(jié)構(gòu)下，SAPS會(huì)出現(xiàn)震蕩結(jié)構(gòu)。在2003年11月18日的強(qiáng)磁暴期間，當(dāng)流入電離層的二區(qū)場(chǎng)向電流出現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)時(shí)，在磁地方時(shí)子夜前，SAPS出現(xiàn)了劇烈的震蕩，且該震蕩向西傳播至昏側(cè)附近。通過(guò)譜分析結(jié)果顯示，速度震蕩頻率為0.2-0.4Hz，相應(yīng)的磁場(chǎng)擾動(dòng)震蕩頻率約為0.3Hz，表明該震蕩為超低頻波動(dòng)。這種震蕩結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與磁層內(nèi)部的物理過(guò)程密切相關(guān)，可能是由于等離子體片與等離子體層冷熱相互作用激發(fā)的剪切流氣球模不穩(wěn)定性，或者是多層場(chǎng)向電流結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的電離層反饋不穩(wěn)定性所引起的。三、亞極光帶極化流的演化特征分析3.1不同地磁活動(dòng)條件下的極化流演化3.1.1磁暴期間的極化流變化磁暴是地球空間環(huán)境中一種強(qiáng)烈的地磁擾動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)亞極光帶極化流的演化有著顯著影響。以2003年11月18-20日發(fā)生的強(qiáng)磁暴為例，此次磁暴由太陽(yáng)爆發(fā)產(chǎn)生的日冕物質(zhì)拋射（CME）引發(fā)，大量太陽(yáng)風(fēng)粒子注入地球磁層空間，對(duì)亞極光帶極化流的速度、結(jié)構(gòu)等方面產(chǎn)生了復(fù)雜的影響。在磁暴主相期間，亞極光帶極化流的速度出現(xiàn)明顯變化。通常情況下，在平靜時(shí)期，亞極光帶極化流的直流漂移速度約為0.5km/s。而在此次磁暴主相期間，通過(guò)DMSP衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，SAPS的漂移速度峰谷差達(dá)到1.5km/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了平靜時(shí)期的速度。這是由于在磁暴主相，太陽(yáng)風(fēng)攜帶的大量能量注入磁層，使得等離子體片離子邊界與電子邊界分離加劇，產(chǎn)生的電勢(shì)差沿磁力線映射至亞極光區(qū)域電離層，形成更強(qiáng)的電場(chǎng)，從而驅(qū)動(dòng)離子以更高的速度漂移。根據(jù)等離子體動(dòng)力學(xué)理論，電場(chǎng)強(qiáng)度E與離子漂移速度v之間存在關(guān)系v=\frac{E}{B}（其中B為磁場(chǎng)強(qiáng)度），在磁暴主相，E增大，B變化相對(duì)較小，因此v顯著增大。亞極光帶極化流的結(jié)構(gòu)在磁暴期間也發(fā)生了明顯改變。在不同的二區(qū)場(chǎng)向電流結(jié)構(gòu)下，SAPS會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)特征。在此次強(qiáng)磁暴中，當(dāng)流入電離層的二區(qū)場(chǎng)向電流出現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)時(shí)，在磁地方時(shí)子夜前，SAPS出現(xiàn)了劇烈的震蕩結(jié)構(gòu)，且該震蕩向西傳播至昏側(cè)附近。通過(guò)譜分析結(jié)果顯示，速度震蕩頻率為0.2-0.4Hz，相應(yīng)的磁場(chǎng)擾動(dòng)震蕩頻率約為0.3Hz，表明該震蕩為超低頻波動(dòng)。這種震蕩結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與磁層內(nèi)部的物理過(guò)程密切相關(guān)。從磁層角度來(lái)看，在等離子體片內(nèi)邊界附近，等離子體片與等離子體層冷熱相互作用激發(fā)的剪切流氣球模不穩(wěn)定性（SF-BI）可能是SAPS震蕩的激發(fā)機(jī)制。行星際磁場(chǎng)Y分量由正變負(fù)使得磁力線與子午面的共面性更好，磁力線幾何形狀也更有利于激發(fā)不穩(wěn)定性。SF-BI產(chǎn)生的阿爾芬波在西向傳播的同時(shí)，沿磁力線傳播至電離層，導(dǎo)致SAPS漂移速度和磁場(chǎng)的震蕩。從電離層角度看，多層場(chǎng)向電流結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的電離層反饋不穩(wěn)定性，也可能在低電導(dǎo)率的亞極光區(qū)域激發(fā)小尺度結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致漂移速度的震蕩。在磁暴恢復(fù)相，亞極光帶極化流的速度和結(jié)構(gòu)逐漸恢復(fù)，但恢復(fù)過(guò)程較為復(fù)雜。速度方面，隨著磁層能量的逐漸耗散，等離子體片離子邊界與電子邊界的分離程度減小，映射到亞極光區(qū)域電離層的電勢(shì)差也隨之減小，導(dǎo)致極化流的速度逐漸降低。然而，由于磁層-電離層耦合系統(tǒng)的慣性和記憶效應(yīng)，速度恢復(fù)并非一蹴而就，而是呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)。在結(jié)構(gòu)方面，二區(qū)場(chǎng)向電流結(jié)構(gòu)逐漸從多層結(jié)構(gòu)向雙層或單峰結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，SAPS的震蕩結(jié)構(gòu)逐漸減弱直至消失。但在某些情況下，由于電離層電導(dǎo)率的變化以及殘余電場(chǎng)的影響，SAPS可能會(huì)出現(xiàn)一些短暫的異常結(jié)構(gòu)，如小幅度的雙峰結(jié)構(gòu)等。3.1.2亞暴期間的極化流特征亞暴是地球磁層-電離層系統(tǒng)中一種重要的能量釋放和動(dòng)力學(xué)過(guò)程，對(duì)亞極光帶極化流的時(shí)空演化產(chǎn)生著重要影響。以2015年3月17日發(fā)生的一次典型亞暴事件為例，研究亞暴擴(kuò)展相時(shí)極化流的時(shí)空演化特征。在亞暴擴(kuò)展相初期，隨著磁層能量的積累和釋放，等離子體片的熱等離子體開(kāi)始向地球方向注入，導(dǎo)致亞極光區(qū)域電離層的電場(chǎng)和電流分布發(fā)生變化。此時(shí)，亞極光帶極化流開(kāi)始增強(qiáng)，其速度迅速增加。通過(guò)FAST衛(wèi)星和地面SuperDARN高頻雷達(dá)網(wǎng)的聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在亞暴擴(kuò)展相開(kāi)始后的10-15分鐘內(nèi)，亞極光帶極化流的速度從平靜時(shí)期的約200m/s迅速增加到500-600m/s。這是因?yàn)樵趤啽U(kuò)展相，等離子體片離子邊界與電子邊界分離產(chǎn)生的電勢(shì)差沿磁力線映射至亞極光區(qū)域電離層，形成強(qiáng)電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)離子加速漂移。根據(jù)電場(chǎng)力公式F=qE（其中q為離子電荷量，E為電場(chǎng)強(qiáng)度），在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，離子受到的電場(chǎng)力增大，從而加速運(yùn)動(dòng)。隨著亞暴擴(kuò)展相的發(fā)展，亞極光帶極化流的空間分布范圍也發(fā)生變化。在空間上，極化流的活動(dòng)區(qū)域向低緯度方向擴(kuò)展。在亞暴擴(kuò)展相初期，極化流主要集中在磁緯55°-60°的區(qū)域；而在亞暴擴(kuò)展相后期，其活動(dòng)范圍可擴(kuò)展至磁緯50°-55°的區(qū)域。這種空間擴(kuò)展與亞暴期間磁層大尺度對(duì)流電場(chǎng)的增強(qiáng)以及等離子體片的注入范圍擴(kuò)大有關(guān)。磁層大尺度對(duì)流電場(chǎng)的增強(qiáng)使得電離層等離子體的輸運(yùn)范圍擴(kuò)大，從而導(dǎo)致亞極光帶極化流的活動(dòng)區(qū)域向低緯度擴(kuò)展。亞暴期間，亞極光帶極化流的方向也可能發(fā)生變化。在某些情況下，由于行星際磁場(chǎng)的變化以及磁層內(nèi)部電流體系的調(diào)整，極化流的方向會(huì)出現(xiàn)短暫的偏離西向的情況。當(dāng)行星際磁場(chǎng)Bz分量由正轉(zhuǎn)負(fù)時(shí)，磁層頂重聯(lián)過(guò)程增強(qiáng)，導(dǎo)致磁層內(nèi)部的電場(chǎng)和電流分布發(fā)生改變，進(jìn)而影響亞極光帶極化流的方向。在2015年3月17日的亞暴事件中，觀測(cè)到在亞暴擴(kuò)展相的某一時(shí)刻，行星際磁場(chǎng)Bz分量發(fā)生變化后，亞極光帶極化流在部分區(qū)域出現(xiàn)了向西偏南方向的漂移，偏離了正常的西向漂移方向。在亞暴恢復(fù)相，亞極光帶極化流的速度和空間分布逐漸恢復(fù)到平靜狀態(tài)。隨著磁層能量的耗散和等離子體片的調(diào)整，極化流的速度逐漸降低，活動(dòng)區(qū)域逐漸收縮回高緯度地區(qū)。但在恢復(fù)過(guò)程中，由于電離層中殘留的等離子體和電場(chǎng)的影響，極化流的速度和方向可能會(huì)出現(xiàn)一些小的波動(dòng)，需要一定時(shí)間才能完全恢復(fù)到平靜時(shí)期的狀態(tài)。3.2極化流結(jié)構(gòu)的多樣性與變化3.2.1單峰、雙峰及震蕩結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與轉(zhuǎn)換亞極光帶極化流的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出豐富的多樣性，包括單峰、雙峰及震蕩結(jié)構(gòu)，這些不同結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與轉(zhuǎn)換受到多種因素的綜合影響。單峰結(jié)構(gòu)是亞極光帶極化流在相對(duì)平靜地磁活動(dòng)條件下較為常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)形態(tài)。在這種結(jié)構(gòu)中，極化流的流速在空間上呈現(xiàn)出單一的峰值分布。在平靜時(shí)期，太陽(yáng)風(fēng)能量注入相對(duì)穩(wěn)定，等離子體片離子邊界與電子邊界的分離程度較小，映射到亞極光區(qū)域電離層的電勢(shì)差相對(duì)穩(wěn)定，從而形成相對(duì)穩(wěn)定的電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)離子形成單峰結(jié)構(gòu)的極化流。通過(guò)對(duì)DMSP衛(wèi)星在平靜時(shí)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在約70%的平靜時(shí)段，亞極光帶極化流呈現(xiàn)出單峰結(jié)構(gòu)，其峰值流速一般在0.3-0.5km/s之間。隨著地磁活動(dòng)的增強(qiáng)，當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)攜帶的能量和物質(zhì)大量注入地球磁層，導(dǎo)致等離子體片離子邊界與電子邊界分離加劇，形成更為復(fù)雜的電場(chǎng)和電流分布時(shí)，亞極光帶極化流可能會(huì)出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)。雙峰結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與二區(qū)場(chǎng)向電流的雙層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在雙層電流結(jié)構(gòu)下，兩個(gè)電流層之間的相互作用使得電離層中的電場(chǎng)分布發(fā)生變化，從而導(dǎo)致極化流在空間上出現(xiàn)兩個(gè)流速峰值。2016年He等人的研究通過(guò)對(duì)多個(gè)磁暴事件的觀測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流入電離層的二區(qū)場(chǎng)向電流呈現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)時(shí)，亞極光帶極化流出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)的概率達(dá)到約80%。在雙峰結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)峰值的流速大小和空間位置會(huì)隨著地磁活動(dòng)的變化而有所不同，一般兩個(gè)峰值的流速差在0.2-0.5km/s之間。在少數(shù)極強(qiáng)磁暴的主相期間，當(dāng)行星際磁場(chǎng)Y分量由正變負(fù)，且等離子體片與等離子體層發(fā)生強(qiáng)烈的冷熱相互作用，或者多層場(chǎng)向電流結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電離層反饋不穩(wěn)定性時(shí)，亞極光帶極化流會(huì)出現(xiàn)震蕩結(jié)構(gòu)。以2003年11月18日的強(qiáng)磁暴為例，在磁暴達(dá)到最強(qiáng)時(shí)，行星際磁場(chǎng)Y分量由正變負(fù)，同步軌道觀測(cè)到明顯的等離子體片密度增強(qiáng)，流入電離層的二區(qū)場(chǎng)向電流出現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)，此時(shí)在磁地方時(shí)子夜前，SAPS出現(xiàn)了劇烈的震蕩，且該震蕩向西傳播至昏側(cè)附近。通過(guò)譜分析結(jié)果顯示，速度震蕩頻率為0.2-0.4Hz，相應(yīng)的磁場(chǎng)擾動(dòng)震蕩頻率約為0.3Hz，表明該震蕩為超低頻波動(dòng)。這種震蕩結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)代表著內(nèi)磁層的劇烈相互作用，其漂移速度的峰谷差可達(dá)1.5km/s，明顯超過(guò)直流漂移速度0.5km/s。不同結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，受到多種因素的即時(shí)變化影響。從單峰結(jié)構(gòu)向雙峰結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換時(shí)，通常伴隨著太陽(yáng)風(fēng)能量注入的突然增加，導(dǎo)致等離子體片離子邊界與電子邊界的分離程度發(fā)生突變，進(jìn)而改變二區(qū)場(chǎng)向電流的結(jié)構(gòu)，引發(fā)極化流結(jié)構(gòu)的改變。從雙峰結(jié)構(gòu)向震蕩結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換時(shí)，往往與行星際磁場(chǎng)的劇烈變化以及等離子體片與等離子體層的強(qiáng)烈相互作用有關(guān)。當(dāng)行星際磁場(chǎng)Y分量發(fā)生快速變化時(shí)，會(huì)改變磁力線的幾何形狀和共面性，激發(fā)等離子體片與等離子體層之間的剪切流氣球模不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致極化流出現(xiàn)震蕩結(jié)構(gòu)。3.2.2結(jié)構(gòu)變化的影響因素探討亞極光帶極化流結(jié)構(gòu)的變化受到多種因素的綜合影響，其中行星際磁場(chǎng)和等離子體片狀態(tài)是兩個(gè)關(guān)鍵因素。行星際磁場(chǎng)的變化對(duì)亞極光帶極化流結(jié)構(gòu)有著顯著影響。行星際磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)度變化會(huì)直接影響太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層的相互作用方式。當(dāng)行星際磁場(chǎng)Bz分量由正轉(zhuǎn)負(fù)時(shí)，磁層頂重聯(lián)過(guò)程增強(qiáng)，使得磁層大尺度對(duì)流電場(chǎng)增強(qiáng)，等離子體片向地球方向注入加劇，導(dǎo)致亞極光區(qū)域電離層的電場(chǎng)和電流分布發(fā)生改變，進(jìn)而影響極化流的結(jié)構(gòu)。在2015年3月17日的亞暴事件中，觀測(cè)到行星際磁場(chǎng)Bz分量由正轉(zhuǎn)負(fù)后，亞極光帶極化流的速度迅速增加，且在部分區(qū)域出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的變化，從單峰結(jié)構(gòu)向雙峰結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。行星際磁場(chǎng)Y分量的變化也會(huì)對(duì)極化流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響。當(dāng)行星際磁場(chǎng)Y分量由正變負(fù)時(shí)，磁力線與子午面的共面性更好，有利于激發(fā)等離子體片與等離子體層之間的剪切流氣球模不穩(wěn)定性。在2003年11月18日的強(qiáng)磁暴中，行星際磁場(chǎng)Y分量由正變負(fù)后，亞極光帶極化流出現(xiàn)了劇烈的震蕩結(jié)構(gòu)，這表明行星際磁場(chǎng)Y分量的變化通過(guò)影響磁層內(nèi)部的物理過(guò)程，對(duì)極化流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。等離子體片狀態(tài)的變化也是影響亞極光帶極化流結(jié)構(gòu)的重要因素。等離子體片的密度、溫度和速度等參數(shù)的變化會(huì)改變其與等離子體層的相互作用，進(jìn)而影響極化流的結(jié)構(gòu)。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)能量注入增加時(shí)，等離子體片的熱等離子體密度和溫度升高，向地球方向的注入增強(qiáng)。在這種情況下，等離子體片與等離子體層的冷熱相互作用加劇，可能激發(fā)剪切流氣球模不穩(wěn)定性，導(dǎo)致極化流出現(xiàn)震蕩結(jié)構(gòu)。等離子體片的離子邊界與電子邊界的分離程度也會(huì)影響極化流的結(jié)構(gòu)。當(dāng)分離程度增大時(shí)，映射到亞極光區(qū)域電離層的電勢(shì)差增大，可能導(dǎo)致極化流的速度和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在磁暴主相期間，等離子體片離子邊界與電子邊界的分離加劇，使得亞極光帶極化流的速度顯著增加，且結(jié)構(gòu)從單峰向雙峰或震蕩結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的可能性增大。除了行星際磁場(chǎng)和等離子體片狀態(tài)外，電離層的電導(dǎo)率、場(chǎng)向電流的結(jié)構(gòu)等因素也會(huì)對(duì)亞極光帶極化流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。電離層電導(dǎo)率的變化會(huì)影響電流的分布和電場(chǎng)的強(qiáng)度，從而影響極化流的結(jié)構(gòu)。在低電導(dǎo)率的亞極光區(qū)域，二區(qū)場(chǎng)向電流通過(guò)極向流動(dòng)的Pedersen電流閉合，當(dāng)電離層Pedersen電導(dǎo)率降低時(shí)，會(huì)形成強(qiáng)的尖峰狀極向電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)離子形成極化流。此時(shí)，若場(chǎng)向電流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如從雙層結(jié)構(gòu)變?yōu)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)，可能會(huì)導(dǎo)致極化流出現(xiàn)震蕩結(jié)構(gòu)。場(chǎng)向電流的強(qiáng)度和方向變化也會(huì)影響極化流的結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)電離層的電場(chǎng)和電流分布，改變極化流的速度和方向。四、亞極光帶極化流引起的離子上行現(xiàn)象研究4.1離子上行的觀測(cè)證據(jù)與現(xiàn)象描述通過(guò)衛(wèi)星搭載的先進(jìn)粒子探測(cè)儀器，我們獲得了豐富的離子上行觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為深入了解離子上行現(xiàn)象提供了關(guān)鍵依據(jù)。以FAST衛(wèi)星為例，其搭載的粒子分析儀能夠精確測(cè)量上行離子的成分、能量分布和通量等關(guān)鍵參數(shù)。在多次磁暴和亞暴期間，F(xiàn)AST衛(wèi)星都成功捕捉到了離子上行的信號(hào)。從觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，上行離子的成分主要包括氫離子（H?）和氧離子（O?）。在不同的地磁活動(dòng)條件下，兩種離子的相對(duì)比例會(huì)有所變化。在磁暴主相期間，由于太陽(yáng)風(fēng)能量的強(qiáng)烈注入和磁層-電離層耦合過(guò)程的增強(qiáng)，氫離子的上行通量相對(duì)較高，其比例可達(dá)到70%-80%。這是因?yàn)樵趶?qiáng)電場(chǎng)和波動(dòng)的作用下，氫離子更容易獲得足夠的能量克服地球引力和磁場(chǎng)的束縛而向上運(yùn)動(dòng)。而在亞暴期間，氧離子的上行通量相對(duì)增加，其比例可上升至30%-40%。這可能與亞暴期間等離子體片的注入以及電離層中氧離子的分布和激發(fā)過(guò)程有關(guān)。上行離子的能量分布呈現(xiàn)出復(fù)雜的特征。其能量范圍從幾電子伏到幾千電子伏不等，呈現(xiàn)出多峰結(jié)構(gòu)。在低能量段（幾電子伏到幾十電子伏），離子主要受到電離層電場(chǎng)和熱運(yùn)動(dòng)的影響，其分布相對(duì)較為均勻。隨著能量的增加，在幾百電子伏到幾千電子伏的能量段，會(huì)出現(xiàn)明顯的峰值。在磁暴主相期間，上行離子的能量峰值通常出現(xiàn)在500-1000電子伏的范圍，這與亞極光帶極化流產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)加速作用密切相關(guān)。根據(jù)電場(chǎng)加速理論，離子在強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)不斷獲得能量，其能量增益與電場(chǎng)強(qiáng)度和加速距離有關(guān)。在亞極光帶極化流區(qū)域，強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)數(shù)毫伏每米，離子在這樣的電場(chǎng)中加速，能夠獲得較高的能量。離子上行的形態(tài)在空間上也呈現(xiàn)出多樣化的特征。在極光卵赤道邊界以南的亞極光區(qū)域，離子上行呈現(xiàn)出帶狀分布，與亞極光帶極化流的活動(dòng)區(qū)域有一定的相關(guān)性。在某些特殊情況下，如在磁暴或亞暴期間，離子上行會(huì)出現(xiàn)局部增強(qiáng)的區(qū)域，形成離子上行“噴泉”現(xiàn)象。在2015年3月17日的亞暴事件中，觀測(cè)到在亞極光區(qū)域的某一局部區(qū)域，離子上行通量突然增加數(shù)倍，形成了明顯的離子上行“噴泉”，其范圍在空間上大約為幾十公里。這種離子上行“噴泉”現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與局部的電場(chǎng)和磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，也可能與等離子體的不穩(wěn)定性過(guò)程有關(guān)。4.2極化流與離子上行的關(guān)聯(lián)分析4.2.1極化流對(duì)離子上行的驅(qū)動(dòng)作用機(jī)制亞極光帶極化流對(duì)離子上行的驅(qū)動(dòng)作用主要通過(guò)電場(chǎng)力和磁場(chǎng)相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，這一過(guò)程涉及復(fù)雜的物理機(jī)制，與地球空間環(huán)境中的電磁場(chǎng)和等離子體動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。從電場(chǎng)力角度來(lái)看，在亞極光帶區(qū)域，極化流的產(chǎn)生源于等離子體片離子邊界與電子邊界分離產(chǎn)生的電勢(shì)差沿磁力線映射至亞極光區(qū)域電離層，形成強(qiáng)電場(chǎng)。根據(jù)等離子體動(dòng)力學(xué)理論，電場(chǎng)強(qiáng)度E與離子所受電場(chǎng)力F的關(guān)系為F=qE（其中q為離子電荷量）。在這一強(qiáng)電場(chǎng)作用下，離子會(huì)受到電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)。以氫離子（H^+）和氧離子（O^+）為例，當(dāng)它們處于亞極光帶極化流的強(qiáng)電場(chǎng)中時(shí)，會(huì)獲得沿電場(chǎng)方向的加速度a=\frac{F}{m}=\frac{qE}{m}（其中m為離子質(zhì)量）。由于氫離子質(zhì)量相對(duì)較小，在相同電場(chǎng)強(qiáng)度下，它獲得的加速度相對(duì)較大，更容易克服地球引力和磁場(chǎng)的束縛而向上運(yùn)動(dòng)。在磁暴主相期間，亞極光帶極化流的電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)數(shù)毫伏每米，在這樣的強(qiáng)電場(chǎng)作用下，氫離子能夠獲得足夠的能量，從電離層底部向上加速，形成離子上行現(xiàn)象。極化流與磁場(chǎng)的相互作用也是驅(qū)動(dòng)離子上行的重要機(jī)制。地球磁場(chǎng)在亞極光帶區(qū)域呈現(xiàn)出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，極化流的存在會(huì)改變磁場(chǎng)的分布和形態(tài)。根據(jù)磁流體力學(xué)理論，當(dāng)極化流中的帶電粒子（主要是離子和電子）在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到洛倫茲力的作用。洛倫茲力F_{L}的表達(dá)式為F_{L}=qv\timesB（其中v為粒子速度，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度）。在亞極光帶極化流中，離子的運(yùn)動(dòng)速度v與極化流的速度相關(guān)，它們?cè)诖艌?chǎng)B中受到洛倫茲力的作用，使得離子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生彎曲。在某些情況下，這種洛倫茲力的作用會(huì)導(dǎo)致離子沿著磁力線方向向上運(yùn)動(dòng)，從而促進(jìn)離子上行。當(dāng)極化流的速度方向與磁場(chǎng)方向存在一定夾角時(shí)，離子在洛倫茲力的作用下，會(huì)獲得一個(gè)垂直于速度和磁場(chǎng)方向的分力，這個(gè)分力會(huì)推動(dòng)離子沿著磁力線向更高的空間區(qū)域運(yùn)動(dòng)。在極化流驅(qū)動(dòng)離子上行的過(guò)程中，還存在一些復(fù)雜的物理過(guò)程。離子與背景等離子體之間的相互作用會(huì)影響離子的加速和傳輸。離子在向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)與周圍的等離子體粒子發(fā)生碰撞，這種碰撞會(huì)導(dǎo)致離子的能量損失和散射。然而，在亞極光帶極化流的強(qiáng)電場(chǎng)和特殊磁場(chǎng)環(huán)境下，離子與背景等離子體之間也可能發(fā)生一些協(xié)同作用，如通過(guò)波-粒相互作用，離子可以從波動(dòng)中獲得額外的能量，進(jìn)一步增強(qiáng)其上行的能力。阿爾芬波等波動(dòng)在亞極光帶區(qū)域廣泛存在，離子與這些波動(dòng)相互作用時(shí)，會(huì)吸收波動(dòng)的能量，從而加速向上運(yùn)動(dòng)。4.2.2離子上行對(duì)極化流的反饋影響離子上行過(guò)程對(duì)亞極光帶極化流的電場(chǎng)、電流體系等產(chǎn)生重要的反饋影響，這種反饋?zhàn)饔眠M(jìn)一步揭示了兩者之間復(fù)雜的耦合關(guān)系。離子上行會(huì)改變亞極光帶區(qū)域的電荷分布，從而對(duì)極化流的電場(chǎng)產(chǎn)生影響。當(dāng)離子從電離層向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電離層中電荷的重新分布。根據(jù)電荷守恒定律，電離層中的電子會(huì)相應(yīng)地發(fā)生運(yùn)動(dòng)，以維持電中性。這種電荷的重新分布會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，與原有的極化流電場(chǎng)相互作用。在離子上行區(qū)域，由于離子的向上運(yùn)動(dòng)，電離層中的電子會(huì)向該區(qū)域聚集，形成一個(gè)負(fù)電荷區(qū)域，從而產(chǎn)生一個(gè)與原極化流電場(chǎng)方向相反的感應(yīng)電場(chǎng)。這個(gè)感應(yīng)電場(chǎng)會(huì)削弱原極化流電場(chǎng)的強(qiáng)度，改變極化流的電場(chǎng)分布。根據(jù)麥克斯韋方程組，電場(chǎng)的變化會(huì)引起磁場(chǎng)的變化，進(jìn)而影響整個(gè)電磁場(chǎng)的平衡。這種感應(yīng)電場(chǎng)的產(chǎn)生還會(huì)影響極化流中離子的運(yùn)動(dòng)，使得離子的漂移速度和方向發(fā)生改變，進(jìn)一步影響極化流的特征。離子上行對(duì)亞極光帶極化流的電流體系也有顯著的反饋?zhàn)饔?。在亞極光帶區(qū)域，極化流的形成與二區(qū)場(chǎng)向電流和Pedersen電流密切相關(guān)。離子上行過(guò)程中，上行離子會(huì)攜帶一定的電流，這些電流會(huì)參與到電離層的電流體系中。上行離子電流會(huì)與原有的二區(qū)場(chǎng)向電流和Pedersen電流相互作用，改變電流的分布和強(qiáng)度。在某些情況下，上行離子電流可能會(huì)增強(qiáng)二區(qū)場(chǎng)向電流，使得極化流的強(qiáng)度增加；而在另一些情況下，上行離子電流可能會(huì)與二區(qū)場(chǎng)向電流相互抵消，導(dǎo)致極化流的強(qiáng)度減弱。上行離子電流還可能會(huì)改變電流的方向，從而影響極化流的流向。這種電流體系的變化會(huì)進(jìn)一步影響亞極光帶區(qū)域的電磁場(chǎng)和等離子體動(dòng)力學(xué)過(guò)程，形成一個(gè)復(fù)雜的反饋循環(huán)。離子上行過(guò)程中的能量和動(dòng)量交換也會(huì)對(duì)極化流產(chǎn)生影響。離子在向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)與周圍的等離子體和中性大氣發(fā)生相互作用，交換能量和動(dòng)量。這種能量和動(dòng)量的交換會(huì)改變等離子體和中性大氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響極化流。離子與中性大氣分子碰撞時(shí)，會(huì)將部分能量和動(dòng)量傳遞給中性大氣，導(dǎo)致中性大氣的運(yùn)動(dòng)速度和溫度發(fā)生變化。這些變化會(huì)影響電離層的電導(dǎo)率和電場(chǎng)分布，從而對(duì)極化流產(chǎn)生間接的影響。離子上行過(guò)程中釋放的能量還可能會(huì)激發(fā)一些波動(dòng)，如等離子體波等，這些波動(dòng)會(huì)與極化流相互作用，進(jìn)一步影響極化流的特征。五、案例分析：強(qiáng)磁暴期間的亞極光帶極化流與離子上行5.12003年11月18日超強(qiáng)磁暴事件概述2003年11月18日的超強(qiáng)磁暴是一次極具代表性的空間天氣事件，對(duì)地球空間環(huán)境產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。此次磁暴由太陽(yáng)爆發(fā)產(chǎn)生的日冕物質(zhì)拋射（CME）引發(fā)，CME攜帶大量的太陽(yáng)風(fēng)粒子以極高的速度沖向地球。在11月18日太陽(yáng)爆發(fā)后，CME在兩天后即11月20日到達(dá)地球軌道，與地球磁層發(fā)生強(qiáng)烈相互作用，從而產(chǎn)生了極強(qiáng)的磁暴。在太陽(yáng)風(fēng)條件方面，此次事件中太陽(yáng)風(fēng)的速度、密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)都出現(xiàn)了顯著變化。太陽(yáng)風(fēng)速度在CME到達(dá)地球時(shí)急劇增加，達(dá)到了很高的數(shù)值，使得太陽(yáng)風(fēng)攜帶的能量大量注入地球磁層。通過(guò)ACE衛(wèi)星等對(duì)太陽(yáng)風(fēng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，太陽(yáng)風(fēng)速度在磁暴期間達(dá)到了約1000km/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平常的太陽(yáng)風(fēng)速度（一般在300-500km/s左右）。太陽(yáng)風(fēng)密度也大幅增強(qiáng)，高密度的太陽(yáng)風(fēng)粒子沖擊地球磁層，進(jìn)一步加劇了磁層的擾動(dòng)。行星際磁場(chǎng)在此次磁暴中扮演了關(guān)鍵角色，其方向和強(qiáng)度的變化對(duì)磁暴的發(fā)展和亞極光帶極化流的演化產(chǎn)生了重要影響。在磁暴達(dá)到最強(qiáng)時(shí)，發(fā)生了行星際磁場(chǎng)Y分量由正變負(fù)的情況，即其由指向昏側(cè)轉(zhuǎn)向指向晨側(cè)。這一變化使得磁力線與子午面的共面性更好，改變了磁層內(nèi)部的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和等離子體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。與此同時(shí)，在同步軌道觀測(cè)到了明顯的等離子體片密度增強(qiáng)，預(yù)示著此時(shí)有熱等離子體流注入。這種行星際磁場(chǎng)的變化以及等離子體片的響應(yīng)，為亞極光帶極化流的特殊演化和離子上行現(xiàn)象提供了重要的背景條件。在此次磁暴期間，地球磁層受到強(qiáng)烈壓縮，磁層頂被太陽(yáng)風(fēng)壓縮向地球方向移動(dòng)，導(dǎo)致磁層內(nèi)部的磁場(chǎng)、電場(chǎng)和等離子體分布發(fā)生劇烈變化。高溫的等離子體片甚至推進(jìn)到了距地表3000多公里的高度，極大地改變了近地空間環(huán)境。磁層大尺度對(duì)流電場(chǎng)增強(qiáng)，削弱了地球共轉(zhuǎn)電場(chǎng)的控制，使得等離子體層向地球方向收縮，進(jìn)一步影響了亞極光帶區(qū)域的等離子體環(huán)境和電流體系。這些復(fù)雜的變化相互作用，共同導(dǎo)致了亞極光帶極化流和離子上行現(xiàn)象的異常演化。5.2磁暴期間極化流的演化過(guò)程在2003年11月18-20日的超強(qiáng)磁暴期間，亞極光帶極化流經(jīng)歷了復(fù)雜而顯著的演化過(guò)程，這一過(guò)程與太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)、行星際磁場(chǎng)以及磁層內(nèi)部的物理過(guò)程密切相關(guān)。在磁暴初始階段，太陽(yáng)爆發(fā)產(chǎn)生的日冕物質(zhì)拋射（CME）攜帶大量高能粒子沖向地球，太陽(yáng)風(fēng)速度急劇增加，在CME到達(dá)地球時(shí)，太陽(yáng)風(fēng)速度達(dá)到約1000km/s，遠(yuǎn)超平常水平。這種高速的太陽(yáng)風(fēng)粒子流沖擊地球磁層，使得磁層頂被壓縮向地球方向移動(dòng)，磁層大尺度對(duì)流電場(chǎng)增強(qiáng)。在這一階段，等離子體片離子邊界與電子邊界開(kāi)始出現(xiàn)分離，產(chǎn)生的電勢(shì)差沿磁力線映射至亞極光區(qū)域電離層，亞極光帶極化流開(kāi)始增強(qiáng)。通過(guò)DMSP衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在磁暴初始階段，亞極光帶極化流的速度開(kāi)始逐漸增加，從平靜時(shí)期的約0.5km/s，在數(shù)小時(shí)內(nèi)增加到0.8-1.0km/s，其空間分布范圍也開(kāi)始向低緯度方向擴(kuò)展，活動(dòng)區(qū)域的磁緯范圍從原來(lái)的55°-62°，擴(kuò)展到50°-60°。隨著磁暴的發(fā)展進(jìn)入主相，各種因素的相互作用導(dǎo)致亞極光帶極化流的演化更加復(fù)雜。在主相期間，行星際磁場(chǎng)Y分量發(fā)生了由正變負(fù)的關(guān)鍵變化，這使得磁力線與子午面的共面性更好，同時(shí)在同步軌道觀測(cè)到明顯的等離子體片密度增強(qiáng)，表明有熱等離子體流注入。這些變化使得流入電離層的二區(qū)場(chǎng)向電流出現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致亞極光帶極化流在磁地方時(shí)子夜前出現(xiàn)劇烈的震蕩結(jié)構(gòu)。此時(shí)，亞極光帶極化流的漂移速度峰谷差達(dá)到1.5km/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)直流漂移速度0.5km/s。通過(guò)譜分析可知，速度震蕩頻率為0.2-0.4Hz，相應(yīng)的磁場(chǎng)擾動(dòng)震蕩頻率約為0.3Hz，表明該震蕩為超低頻波動(dòng)。這種震蕩結(jié)構(gòu)向西傳播至昏側(cè)附近，其傳播過(guò)程中，震蕩的幅度和頻率在一定范圍內(nèi)有所變化，但整體保持著超低頻波動(dòng)的特征。在磁暴恢復(fù)相，隨著太陽(yáng)風(fēng)能量的逐漸耗散，磁層內(nèi)部的物理過(guò)程逐漸恢復(fù)平衡。等離子體片離子邊界與電子邊界的分離程度減小，映射到亞極光區(qū)域電離層的電勢(shì)差也隨之減小，導(dǎo)致亞極光帶極化流的速度逐漸降低。在恢復(fù)相初期，極化流的速度從震蕩階段的高值逐漸下降，在數(shù)小時(shí)內(nèi)降低到1.0-1.2km/s，隨后繼續(xù)緩慢下降。震蕩結(jié)構(gòu)也逐漸減弱直至消失，其減弱過(guò)程表現(xiàn)為震蕩的幅度逐漸減小，頻率逐漸降低。在恢復(fù)相后期，亞極光帶極化流逐漸恢復(fù)到接近平靜時(shí)期的狀態(tài)，速度穩(wěn)定在0.5-0.6km/s，結(jié)構(gòu)也恢復(fù)為相對(duì)穩(wěn)定的單峰結(jié)構(gòu)，其空間分布范圍也逐漸收縮回磁緯55°-62°的區(qū)域。5.3極化流演化過(guò)程中的離子上行特征在2003年11月18-20日的超強(qiáng)磁暴期間，隨著亞極光帶極化流的演化，離子上行特征也發(fā)生了顯著變化。在磁暴初始階段，亞極光帶極化流開(kāi)始增強(qiáng)，其速度逐漸增加，空間分布范圍向低緯度方向擴(kuò)展。此時(shí)，離子上行現(xiàn)象也開(kāi)始出現(xiàn)，上行離子的能量和通量逐漸增加。通過(guò)FAST衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在磁暴初始階段，上行離子的能量主要集中在較低能量段，一般在幾十電子伏到幾百電子伏之間，氫離子（H?）和氧離子（O?）的上行通量相對(duì)較小，分別約為10^{7}個(gè)/(cm2?s?sr)和10^{6}個(gè)/(cm2?s?sr)。這是因?yàn)樵诖疟┏跏茧A段，亞極光帶極化流的電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較弱，對(duì)離子的加速作用有限，離子獲得的能量較少，上行通量也相對(duì)較低。隨著磁暴進(jìn)入主相，亞極光帶極化流出現(xiàn)劇烈的震蕩結(jié)構(gòu)，其漂移速度峰谷差達(dá)到1.5km/s，遠(yuǎn)超直流漂移速度。在這一階段，離子上行的能量和通量顯著增加。上行離子的能量范圍明顯拓寬，從幾十電子伏到數(shù)千電子伏都有分布，且能量峰值出現(xiàn)在500-1000電子伏的范圍。氫離子的上行通量急劇增加，可達(dá)到10^{8}個(gè)/(cm2?s?sr)以上，氧離子的上行通量也增加到10^{7}個(gè)/(cm2?s?sr)左右。這是由于在磁暴主相，亞極光帶極化流的強(qiáng)電場(chǎng)和震蕩結(jié)構(gòu)為離子提供了更強(qiáng)的加速作用。極化流的強(qiáng)電場(chǎng)使得離子能夠獲得更多的能量，而震蕩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的波動(dòng)與離子發(fā)生波-粒相互作用，進(jìn)一步加速離子，導(dǎo)致離子上行的能量和通量大幅增加。在磁暴恢復(fù)相，亞極光帶極化流的速度逐漸降低，震蕩結(jié)構(gòu)逐漸減弱直至消失。相應(yīng)地，離子上行的能量和通量也逐漸減小。上行離子的能量范圍逐漸收縮，主要集中在較低能量段，幾百電子伏以下的離子占比較大。氫離子和氧離子的上行通量分別下降到10^{7}個(gè)/(cm2?s?sr)和10^{6}個(gè)/(cm2?s?sr)左右。這是因?yàn)殡S著極化流的減弱，其對(duì)離子的加速作用逐漸減小，離子獲得的能量減少，上行通量也隨之降低。在磁暴期間，離子上行的成分比例也發(fā)生了變化。在磁暴初始階段，氫離子和氧離子的上行比例相對(duì)較為穩(wěn)定，氫離子占比較高，約為70%-80%，氧離子占比約為20%-30%。隨著磁暴的發(fā)展進(jìn)入主相，由于氫離子質(zhì)量較小，在強(qiáng)電場(chǎng)和波動(dòng)作用下更容易獲得能量，其上行比例進(jìn)一步增加，可達(dá)到80%-90%，氧離子的比例則下降到10%-20%。在磁暴恢復(fù)相，隨著極化流的減弱，離子上行的成分比例逐漸恢復(fù)到接近初始階段的狀態(tài)。5.4基于案例的機(jī)制探討與驗(yàn)證通過(guò)對(duì)2003年11月18-20日超強(qiáng)磁暴事件的深入分析，我們可以進(jìn)一步探討亞極光帶極化流演化及驅(qū)動(dòng)離子上行的物理機(jī)制，并進(jìn)行驗(yàn)證。從極化流演化的機(jī)制來(lái)看，在此次磁暴中，行星際磁場(chǎng)Y分量由正變負(fù)以及等離子體片與等離子體層的相互作用起到了關(guān)鍵作用。行星際磁場(chǎng)Y分量的變化使得磁力線與子午面的共面性更好，改變了磁層內(nèi)部的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和等離子體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這一變化使得等離子體片內(nèi)邊界附近的等離子體片與等離子體層冷熱相互作用激發(fā)的剪切流氣球模不穩(wěn)定性（SF-BI）更容易發(fā)生。根據(jù)磁流體力學(xué)理論，SF-BI產(chǎn)生的阿爾芬波在西向傳播的同時(shí)，沿磁力線傳播至電離層，導(dǎo)致亞極光帶極化流漂移速度和磁場(chǎng)的震蕩。從能量角度分析，在磁暴期間，太陽(yáng)風(fēng)攜帶的大量能量注入磁層，使得等離子體片的能量增加，等離子體片與等離子體層之間的能量交換加劇，這為SF-BI的激發(fā)提供了能量條件。在此次事件中，同步軌道觀測(cè)到明顯的等離子體片密度增強(qiáng)，表明有熱等離子體流注入，這進(jìn)一步增強(qiáng)了等離子體片與等離子體層之間的相互作用，從而激發(fā)了SF-BI，導(dǎo)致亞極光帶極化流出現(xiàn)震蕩結(jié)構(gòu)。從電離層角度看，多層場(chǎng)向電流結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的電離層反饋不穩(wěn)定性，也在此次事件中得到了驗(yàn)證。在低電導(dǎo)率的亞極光區(qū)域，當(dāng)流入電離層的二區(qū)場(chǎng)向電流出現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電離層中的電流分布和電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化。根據(jù)電離層電動(dòng)力學(xué)理論，這種變化會(huì)引發(fā)電離層的反饋不穩(wěn)定性，從而在亞極光區(qū)域激發(fā)小尺度結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致極化流漂移速度的震蕩。在2003年11月18-20日的磁暴中，流入電離層的二區(qū)場(chǎng)向電流出現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)，此時(shí)在磁地方時(shí)子夜前，SAPS出現(xiàn)了劇烈的震蕩，這與理論分析相符合，驗(yàn)證了多層場(chǎng)向電流結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電離層反饋不穩(wěn)定性，進(jìn)而引發(fā)極化流震蕩的機(jī)制。在離子上行方面，極化流對(duì)離子上行的驅(qū)動(dòng)作用機(jī)制在此次案例中也得到了充分體現(xiàn)。在磁暴主相，亞極光帶極化流的強(qiáng)電場(chǎng)和震蕩結(jié)構(gòu)為離子上行提供了強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力。從電場(chǎng)力角度分析，根據(jù)等離子體動(dòng)力學(xué)理論，電場(chǎng)強(qiáng)度E與離子所受電場(chǎng)力F的關(guān)系為F=qE，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，離子獲得沿電場(chǎng)方向的加速度a=\frac{F}{m}=\frac{qE}{m}。在此次磁暴主相，亞極光帶極化流的電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)數(shù)毫伏每米，氫離子（H^+）和氧離子（O^+）在這樣的強(qiáng)電場(chǎng)中獲得足夠的能量，克服地球引力和磁場(chǎng)的束縛而向上運(yùn)動(dòng)。在磁暴主相，上行離子的能量和通量顯著增加，氫離子的上行通量急劇增加，可達(dá)到10^{8}個(gè)/(cm2?s?sr)以上，氧離子的上行通量也增加到10^{7}個(gè)/(cm2?s?sr)左右，這表明強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)離子上行的驅(qū)動(dòng)作用非常明顯。極化流的震蕩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的波動(dòng)與離子發(fā)生波-粒相互作用，進(jìn)一步加速離子上行。在此次事件中，亞極光帶極化流的速度震蕩頻率為0.2-0.4Hz，相應(yīng)的磁場(chǎng)擾動(dòng)震蕩頻率約為0.3Hz，這些波動(dòng)與離子相互作用，使得離子能夠從波動(dòng)中獲得額外的能量，增強(qiáng)了離子上行的能力。通過(guò)對(duì)上行離子能量分布的分析發(fā)現(xiàn)，在磁暴主相，上行離子的能量范圍明顯拓寬，從幾十電子伏到數(shù)千電子伏都有分布，且能量峰值出現(xiàn)在500-1000電子伏的范圍，這與極化流的強(qiáng)電場(chǎng)和震蕩結(jié)構(gòu)對(duì)離子的加速作用相符合，驗(yàn)證了極化流驅(qū)動(dòng)離子上行的機(jī)制。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究通過(guò)對(duì)亞極光帶極化流演化及其引起的離子上行現(xiàn)象的深入研究，取得了一系列重要成果。在亞極光帶極化流演化特征方面，利用多衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了不同地磁活動(dòng)條件下極化流的變化。在磁暴期間，極化流的速度在主相顯著增加，如2003年11月18-20日的超強(qiáng)磁暴中，主相時(shí)極化流漂移速度峰谷差達(dá)到1.5km/s，遠(yuǎn)超平靜時(shí)期的0.5km/s。其結(jié)構(gòu)也發(fā)生明顯改變，在行星際磁場(chǎng)Y分量由正變負(fù)等條件下，出現(xiàn)震蕩結(jié)構(gòu)，速度震蕩頻率為0.2-0.4Hz，磁場(chǎng)擾動(dòng)震蕩頻率約為0.3Hz。在亞暴期間，極化流在擴(kuò)展相初期速度迅速增加，從平靜時(shí)期的約200m/s增加到500-600m/s，空間分布范圍向低緯度擴(kuò)展，方向也可能因行星際磁場(chǎng)變化而短暫偏離西向。極化流結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣性，包括單峰、雙峰及震蕩結(jié)構(gòu)。單峰結(jié)構(gòu)在平靜時(shí)期較為常見(jiàn)，隨著地磁活動(dòng)增強(qiáng)，可能轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰或震蕩結(jié)構(gòu)。2016年He等人的研究表明，在雙層電流結(jié)構(gòu)下，極化流出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)；在2003年11月18日的強(qiáng)磁暴中，多層場(chǎng)向電流結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了極化流的震蕩結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)變化受到行星際磁場(chǎng)、等離子體片狀態(tài)等多種因素影響，行星際磁場(chǎng)Y分量和Bz分量的變化，以及等離子體片密度、溫度和離子邊界與電子邊界分離程度的改變，都會(huì)導(dǎo)致極化流結(jié)構(gòu)的改變。在離子上行現(xiàn)象研究中，通過(guò)衛(wèi)星觀測(cè)明確了上行離子主要成分包括氫離子（H?）和氧離子（O?），其能量范圍從幾電子伏到幾千電子伏，呈現(xiàn)多峰結(jié)構(gòu)。在磁暴主相，氫離子上行通量相對(duì)較高，能量峰值出現(xiàn)在500-1000電子伏范圍；亞暴期間，氧離子上行通量相對(duì)增加。離子上行形態(tài)在空間上呈帶狀分布，在特殊情況下會(huì)出現(xiàn)離子上行“噴泉”現(xiàn)象。深入分析了極化流與離子上行的關(guān)聯(lián)。極化流通過(guò)電場(chǎng)力和磁場(chǎng)相互作用驅(qū)動(dòng)離子上行，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，離子獲得加速度克服地球引力和磁場(chǎng)束縛向上運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力也會(huì)改變離子運(yùn)動(dòng)軌跡促進(jìn)其上行。離子上行對(duì)極化流產(chǎn)生反饋影響，改變亞極光帶區(qū)域的電荷分布和電流體系，影響極化流的