极区电离层等离子体与极区能量传输分布特征研究取得进展

     极区是地球面向太空的窗口，太阳风携带着大量的物质、动量和能量沿磁力线进入地球高层大气，极区电离层因此成为日地耦合的关键区域之一。在复杂的行星际太阳风条件影响下，极区电离层等离子体呈现非均匀分布，其来源和分布规律是当前研究的重要课题。当无线电信号通过这些非均匀等离子体时，产生的电离层闪烁现象，将严重影响卫星导航、定位以及通信质量。电磁能是高纬电离层中来自磁层和太阳风的主要的能量来源之一。电磁能的注入和传输过程，一方面将使得中性大气加热膨胀，从而改变不同高度中性大气的密度，影响极轨卫星运行阻尼，导致卫星轨道发生变化，严重的将造成卫星的工作寿命减少甚至提前坠落，另一方面电磁能在极区高层大气中的耗散，将引起极区电离层等离子体变化。在国家自然科学基金重点项目“极区能量传输与极区高层大气响应”资助下，中国极地研究中心（中国极地研究所）极地大气与空间物理研究团队及相关合作单位在极区高纬电离层等离子体主要来源和电磁能的极区分布特征方面取得重要研究进展，相关成果陆续在《Journal of Geophysical Research: Space Physics》上发表。

1、北半球高纬度电离层等离子体的晨昏非对称分布研究

     通常认为极区电离层F区域等离子体的重新分布主要是由大尺度的等离子体对流引起的，而等离子体的对流高度依赖行星际磁场（IMF）。IMF南向时，等离子体对流呈现出经典的双涡结构，而IMF北向时，等离子体对流比较复杂，呈现出多涡的对流结构。等离子体对流以双涡对流为主，并且这种对流将晨昏两侧极光和亚极光纬度的低密度等离子体向阳地输运到中午扇区，在更高纬度，午后扇区高密度等离子体，主要沿昏侧对流涡，从日侧逆阳输运到夜侧。由于北半球高纬度晨昏两侧的电离层等离子体来源有所不同，因此研究高纬度电离层等离子体的非对称分布特征是一个亟待解决的重要课题。如图1所示，北半球高纬电离层TEC（品红色圆圈内）在典型时刻呈现明显的晨昏非对称性分布特征，并且除了夏季16 UT附近，昏侧平均TEC（MTEC）大于晨侧MTEC。

图1 北半球不同季节高纬度典型时刻的TEC分布和数据覆盖

     极区电离层等离子体再分布工作利用GNSS TEC数据，对北半球高纬MTEC的晨昏非对称分布特征进行了统计，并定义了昏晨差异和昏晨比率两个参量，来研究这种非对称特征。研究发现：1）昏晨差异和昏晨比率的日变化，除夏季，存在两个峰值和两个谷点，并且其季节变化显著，在春季最大，夏季最小；2）昏晨差异和昏晨比率显著依赖Kp指数和IMF By方向，除了春季的昏晨差异，其他季节的昏晨差异和昏晨比率在地磁扰动期间大于平静期间。分析表明：午后高密度等离子体源是昏侧MTEC大于晨侧MTEC的主要原因。

      审稿人认为该项工作所提出的科学问题是重要的（The science question is important）。该研究将为后续极区高纬电离层理论预报模型模拟结果和南极中山站电离层观测对比分析提供依据。

2、日侧极盖区地球向电磁能通量的分布研究

     极区大尺度的能量转换和耗散是磁层-电离层-热层耦合的重要方面。电磁能作为高纬电离层的主要能量来源之一，通常用Poynting通量表示。Poynting通量分为两种，一种是大尺度的直流Poynting通量，另一种是小尺度的交流Poynting通量，也称之为阿尔芬波Poynting通量，而直流Poynting通量主要以焦耳热形式耗散在极区高层大气之中。之前的研究通常把极区电离层的直流Poynting通量分布作为一个单独整体来研究，更多关注磁中午附近的分布特征，较少对极区晨昏两侧分别进行对比分析。这种晨昏对比分析将有助于理解太阳风-磁层相互作用和能量在磁层-电离层耦合系统中的传输，以及阐明极区高层大气的电磁能沉降特征。如图2所示，极盖区日侧的场向Poynting通量存在明显的晨昏非对称性分布，并且场向Poynting通量与水平对流电场强相关，而且基本上都指向地球，在所有的地磁和IMF条件下，晨侧地球向Poynting通量（EPF）大于昏侧EPF，如表2所示。

图2 基于DMSP F17卫星的场向Poynting 通量（field-aligned PF），水平对流电场（Ehor）和水平磁场扰动（dBhor）分布

     极区电离层电磁能分布研究工作是利用美国DMSP F17卫星在2014-2016年的测量数据，对北半球日侧极盖区Poynting通量的晨昏非对称分布特征在不同IMF和地磁活动（Kp）条件下进行了统计分析。结果表明Poynting通量的晨昏非对称分布主要取决于增强的对流电场。非对称分布特征总结为：1）日侧极盖区主要存在两个增强EPF区域，分别在晨侧和极隙区附近，并且在所有IMF和Kp条件下，晨侧EPF比昏侧EPF大28%；2）整个日侧极盖区，高Kp时的EPF比低Kp时的EPF大3倍，并且增强EPF从低Kp时的晨侧转移到高Kp时的极隙区附近，高Kp时，晨侧EPF同样也比昏侧EPF大；3）随着IMF强度的增大，日侧极盖区的EPF明显增强。在IMF By+条件下，晨侧EPF比昏侧EPF大，IMF By-条件下则相反。增强的EPF在IMF Bz-条件下较明显，并且在IMF By+和Bz-（IMF By-和Bz-）条件下，晨侧（昏侧）的EPF达到最大。

    该项研究有助于理解极区高纬电离层和中性大气变化，为后续进一步完善极区高纬电离层理论模型能量过程提供参考。

     两篇论文的第一作者均为中国极地研究中心（中国极地研究所）和武汉大学联合培养的博士研究生王建平，张北辰研究员及武汉大学黄春明教授分别为论文的通讯作者，其他合作者分别来自于极地中心极地大气与空间物理学研究团队、武汉大学、哈尔滨工业大学（深圳）。研究工作得到了国家自然科学基金重点项目（42130210）、科技部重点研发项目（2021YFE0106400）的资助。

Wang, J., B. Zhang, C. Huang, R. Liu, S. Yang, Y. Huang, H. Hu, and H. Yang (2022), The High-Latitude Dawn-Dusk Asymmetry of Ionospheric Plasma Distribution in the Northern Hemisphere, Journal of Geophysical Research: Space Physics, 127(7), e2022JA030292, doi:https://doi.org/10.1029/2022JA030292.

Wang, J., B. Zhang, C. Huang, R. Liu, Y. Liu, Z. Hu, and J. Liu (2022), The Dawn–Dusk Asymmetrical Distribution of Earthward Poynting Flux in the Dayside Polar Cap From DMSP, Journal of Geophysical Research: Space Physics, 127(11), e2021JA030199, doi:https://doi.org/10.1029/2021JA030199.