[科普中國]-沉降粒子

沉降粒子(precipitation particle)是指沿地磁力線向下進入到低高度的粒子。由于這些粒子通常是帶電粒子，故而又稱沉降等離子體。

簡介沉降粒子(precipitation particle)是指沿地磁力線向下進入到低高度的粒子。由于這些粒子通常是帶電粒子，故而又稱沉降等離子體。

沉降粒子在極區(qū)引起極光和中性大氣電離?？梢允怯捎诓?粒子相互作用驅(qū)動等離子體片粒子的投擲角擴散引起的電子沉降，如引起擴散極光的電子沉降；也可以是由于電流片的離子增能，經(jīng)單粒子運動導(dǎo)致1keV~1MeV的所有各向同性極光的粒子沉降;或者是由于場向電位的存在加速電子沉降，造成分立極光的產(chǎn)生。不同緯度區(qū)的沉降粒子的產(chǎn)生機制不同，但都和磁場的某種擾動有關(guān)，它們是夜間顯著現(xiàn)象，高緯區(qū)的突出現(xiàn)象。它們都可以造成粒子沉降路徑上的中性成分電離1。

極光極光是由磁層各種區(qū)域的不同能量的粒子在磁力線的引導(dǎo)下與極區(qū)電離層高度的高層大氣碰撞，產(chǎn)生能量躍遷，激發(fā)出光子的發(fā)光現(xiàn)象．絢爛多彩的極光能夠反映沉降粒子的磁層源區(qū)以及地球極區(qū)高空大氣的空間結(jié)構(gòu)等重要信息，通過對極光典型譜線（如427.8nm，557.7nm和630.0nm等）的同時觀測，比較不同譜線極光強弱，可以加深對磁層源區(qū)中各邊界層動力學(xué)過程對應(yīng)的沉降粒子的特征以及極光在電離層中激發(fā)、輻射及其湮滅過程的理解，對深入研究日地空間環(huán)境以及空間天氣過程的變換規(guī)律具有重要意義2。

南極地區(qū)極光粒子沉降特征及譜形式南極地區(qū)的極光粒子沉降區(qū)域可分為極光橢圓區(qū)、極蓋區(qū)、南大西洋異常區(qū)(SAA)和極尖區(qū)(Polar Cusp Footpoint)。這些區(qū)域的沉降與磁層各部分結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。磁層是這些區(qū)域的源區(qū)。中國南極長城站處于南大西洋異常區(qū),中國南極中山站夜晚位于極光橢圓區(qū)的極向邊緣,而白天又處于極尖區(qū)沉降區(qū)。這些區(qū)域的沉降粒子來源、譜形式及其特點各有不同3。

極光橢圓區(qū)極光橢圓區(qū)的沉降可分為白天側(cè)沉降和夜晚側(cè)沉降。最主要的還是夜晚側(cè)沉降,它有兩種形式: 彌散極光和分立極光。

(1)彌散極光

由于彌散極光其沉降位置正好是內(nèi)磁尾中性片中心沿磁力線在高緯地區(qū)的投影,說明彌散極光的粒子來自于等離子體片。觀測表明彌散極光沉降粒子譜與磁尾等離子體中性片的粒子譜相似,說明磁尾等離子體中性片和地面之間不需要進一步加速。

來源于磁尾等離子體的極光粒子產(chǎn)生的極光有以下特點:存在相當(dāng)穩(wěn)定;通量為暴時函數(shù),以亞暴膨脹相時通量增加最大; 質(zhì)子彌散極光通常擴展到極光橢圓的赤道向, Hβ 線觀測表明質(zhì)子極光帶常在67±1度; 在分立極光與彌散極光的交合區(qū)常常為彌散粒子譜再疊加單能粒子譜。

彌散極光電子譜通常有以下幾種類型:

(a)極光沉降粒子為冥律譜分布；

(b)極光沉降粒子為指數(shù)譜；

(c)極光沉降粒子為速度分布譜；

(d) 極光沉降粒子為麥克斯韋分布譜。

(2)分立極光

具有單能或尖峰譜。分立極光粒子源于等離子體片內(nèi)邊界區(qū),此種極光結(jié)構(gòu)通常有倒“ V”的λ結(jié)構(gòu)。分立極光電子譜為單能或尖峰份量3。

極蓋區(qū)極光(極光橢圓高緯側(cè)區(qū)域)1974年報告在極蓋區(qū)存在電子沉降，通常認(rèn)為有3種類型的極蓋區(qū)沉降粒子。

（1）十分均勻的軟電子(大約為100keV ) ,通常認(rèn)為是磁鞘起源的,俗稱“極雨” (Polar Rain) ,其特點為: 存在十分穩(wěn)定,譜為軟電子譜,能量為100～300eV , 遵循麥克斯韋分布。

（2）被稱為“極陣雨”(Polar Shower )的沉降粒子 ,其特點為: 為極蓋區(qū)分立極光,能量為1keV左右,它的出現(xiàn)與太陽向弧有關(guān)。

（3）還有一種“極暴雨” (Polar Squall) ,其特點為: 沉降電子能量為1keV左右,地磁活動較強時極陣雨活動大大加強1。

南大西洋異常區(qū)(SAA)與北極不同,地理南極與傾角南極(磁場垂直地面)及地磁不變量磁極(磁場強度最大)分離很大,與地理南極分離達23°緯度。這使得南極地區(qū)有如下兩個特點:

(1)極光橢圓區(qū)環(huán)繞地球磁極分布,而磁極與地理南極有較大偏差,因而導(dǎo)致沉降粒子在經(jīng)度上分布不同。

(2)在南極地區(qū)總磁場強度最小值地區(qū)為南大西洋異常區(qū)(SAA) ,這也許是沉降粒子在SAA出現(xiàn)異常的原因。此區(qū)域沉降粒子來源于輻射帶3。

極尖/極隙區(qū)沉降Heikkila and Winningham(1971)和Frank(1971)幾乎同時發(fā)現(xiàn)在極區(qū)白天極尖區(qū)低高度,磁當(dāng)?shù)貢r0800到1600MLT存在電子和離子沉降,并擴展到幾個緯度寬,沉降粒子的特性具有磁鞘區(qū)粒子分布的特點,服從麥克斯韋分布。Newell and Meng (1988)發(fā)現(xiàn)極尖區(qū)的厚度大約為0.8～1.1磁緯度寬,基本與磁地方時無關(guān)。

極尖區(qū)是極隙區(qū)的一部分; 而極隙區(qū)在正中午時最薄,午前、午后變厚。極尖區(qū)離子通量在Cusp區(qū)大約為極隙區(qū)平均值的3.6倍2。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

杜強 - 高級工程師 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所