周云良, 楊艷艷, 朱劼, 熊超*,2, 王豐玨, 澤仁志瑪, 申旭輝

1 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院, 武漢 430072 2 湖北珞珈實驗室, 武漢 430079 3 應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院， 北京 100085

0 引言

赤道電集流(equatorial electrojet, EEJ)是電離層E層高度上的沿磁赤道流動的東西向帶狀電流，其沿緯度的展布寬度約為600 km(徐文耀, 2009, 2014; Lühr et al., 2004, 2021b).EEJ的產(chǎn)生主要與電離層E區(qū)風(fēng)發(fā)電機電場、電離層水平電導(dǎo)率隨高度變化的各向異性，以及赤道區(qū)水平指北的地磁場等因素有關(guān)(Forbes, 1981; Yamazaki and Maute, 2017).通常而言，赤道電集流在白天表現(xiàn)為水平東向電流.然而，赤道電集流有時也會發(fā)生反向，表現(xiàn)為西向赤道電集流，稱為反向赤道電集流(Gouin and Mayaud, 1967; Zhou et al., 2018a).

EEJ的存在使其高度以上的地磁場水平分量減小，而使其高度以下的地磁場水平分量增強，該現(xiàn)象首次在秘魯Huancayo地磁臺站被探測發(fā)現(xiàn)(Bartels and Johonson, 1940; Egedal, 1947; Chapman, 1951; 徐文耀，2009, 2014).隨后，EEJ所引起地磁場偏離的現(xiàn)象被很多觀測手段(如火箭上搭載的磁力計，雷達的觀測，以及低軌道衛(wèi)星上搭載的磁力計等)探測到(Onwumechilli, 1967; Fejer et al., 1975; Forbes, 1981; Onwumechili and Agu, 1980; Jadhav et al., 2002; Lühr et al., 2004; Zhou et al., 2016).基于早期的觀測結(jié)果，學(xué)者們對EEJ的產(chǎn)生機制、分布特征與相關(guān)物理參量間的關(guān)系做了廣泛的研究.然而，由于地基觀測數(shù)據(jù)的地域限制，早期的研究很難提供EEJ的全球特征.隨著低軌道衛(wèi)星的成功發(fā)射，星載磁力計可實現(xiàn)從空中觀測EEJ引起的磁效應(yīng)，可獲得全球EEJ的特征.特別是近20多年來，CHAMP衛(wèi)星和Swarm星座提供了大量的高精度、全球覆蓋的地磁場觀測數(shù)據(jù)，為研究EEJ奠定了豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

基于CHAMP衛(wèi)星地磁觀測數(shù)據(jù)和EEJ線電流模型，Lühr等(2004)從EEJ的磁場效應(yīng)推算出EEJ電流密度，該方法推算的電流密度與測量高度無關(guān)，使不同測量手段觀測的EEJ可以進行直接比較.利用CHAMP， ?rsted和SAC-C衛(wèi)星觀測的EEJ電流密度峰值數(shù)據(jù)，Alken和Maus(2007)分析了EEJ電流密度隨經(jīng)度、地方時、季節(jié)和太陽輻射水平變化的氣候?qū)W特征.由于低軌道衛(wèi)星觀測的地磁數(shù)據(jù)經(jīng)度覆蓋廣且密集，可從衛(wèi)星觀測的EEJ中提取非遷移潮汐分量.England等(2006)首先報道正午附近的EEJ呈現(xiàn)顯著的隨經(jīng)度變化的4波結(jié)構(gòu)，并將其歸因于東向傳播的DE3潮汐分量的影響.基于CHAMP衛(wèi)星近10年的地磁觀測數(shù)據(jù)， Lühr和Manoj(2013)對EEJ中的太陽潮汐分量進行了系統(tǒng)的分析，他們研究發(fā)現(xiàn)DE3分量在8月附近達到最大.隨后，Xiong等(2016)報道地磁擾動期間EEJ隨經(jīng)度變化的4波結(jié)構(gòu)也清晰可見，但相對于地磁平靜期間，其幅度明顯減弱.同樣是利用CHAMP衛(wèi)星10年的地磁觀測數(shù)據(jù)，Zhou等(2018a)全面地分析了西向EEJ的幅度和發(fā)生率隨經(jīng)度、季節(jié)、地方時、月相、太陽輻射水平和地磁活動水平的變化特征.除了CHAMP衛(wèi)星觀測外，Swarm星座的地磁觀測數(shù)據(jù)也廣泛應(yīng)用于EEJ的研究.利用Swarm A和C衛(wèi)星的地磁觀測數(shù)據(jù)，Zhou等(2016)詳細地分析了EEJ在1.4°經(jīng)度間隔的梯度特征，Lühr等(2021a)報道了EEJ中的潮汐和行星波的短期變化特征，這些研究都得益于Swarm星座獨特的軌道構(gòu)型.

2018年2月2日，我國自主研制的首顆用于地震觀測的“張衡一號”電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星(China Seismo-Electromagnetic Satellite，CSES)成功發(fā)射，該衛(wèi)星上搭載的科學(xué)儀器可獲取全球地磁場、電離層等離子體、高能粒子等空間觀測數(shù)據(jù)，并廣泛用于科學(xué)研究(Shen et al., 2018).近年來，利用CSES磁場探測數(shù)據(jù)，學(xué)者們做了大量的前沿研究.例如，Yang等(2021a)發(fā)展了地球主磁場模型，Wang等(2021)提取了巖石圈磁場的信息，Yang等(2020)報道了2018年8月25日磁暴事件中磁層電流所引起的磁場效應(yīng).目前，還未曾有利用CSES衛(wèi)星磁場觀測數(shù)據(jù)對赤道電集流進行系統(tǒng)性研究的報道.另一方面， CSES衛(wèi)星升交點和降交點地方時(LT)固定，分別位于02∶00 和14∶00 LT，重訪周期為5天，有別于CHAMP或Swarm衛(wèi)星需130多天重訪一個固定的地方時.在固定地方時(如14∶00 LT)上，CSES衛(wèi)星具有相對連續(xù)的時間和空間采樣率，可為研究14∶00 LT上的電離層電流提供持續(xù)高采樣率的觀測數(shù)據(jù).本文擬利用我國自主研制的CSES衛(wèi)星提供的地磁觀測數(shù)據(jù)，反演14∶00 LT附近電離層赤道電集流，并在此基礎(chǔ)上分析CSES觀測的赤道電集流的特征.

1 數(shù)據(jù)及其處理方法

1.1 CSES衛(wèi)星及磁場數(shù)據(jù)

CSES衛(wèi)星是中國發(fā)射的第一顆用于地震監(jiān)測的電磁衛(wèi)星，其科學(xué)數(shù)據(jù)在地震科學(xué)、地球物理學(xué)和空間科學(xué)方面有重要的應(yīng)用前景(Shen et al., 2018).該衛(wèi)星于2018年2月2日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空，其軌道為圓形極軌太陽同步軌道，軌道高度為507 km，軌道傾角為97.4°.CSES衛(wèi)星降交點地方時固定在14∶00 LT，重訪周期為5天.CSES衛(wèi)星的有效載荷包含感應(yīng)式磁力計、高精度磁強計、電場探測儀、GNSS掩星接收機、等離子體分析儀、朗繆爾探針、高能粒子探測器、三頻信標發(fā)射機，這些科學(xué)儀器可獲取磁場、電磁波、電離層等離子體和高能粒子等各種觀測參數(shù)，為科學(xué)研究奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

本文所用的磁場數(shù)據(jù)由CSES衛(wèi)星上搭載的高精度磁力計(HPM)記錄，該儀器含兩個磁通門磁力計FGM-S1和FGM-S2(Cheng et al., 2018)，可測量磁場矢量；此外衛(wèi)星上還搭載有一個標量磁力計CDSM(Pollinger et al., 2018)，可測量標量磁場，其觀測數(shù)據(jù)可用于標定FGM-S1和FGM-S2等.本文所用的磁場數(shù)據(jù)主要由CDSM觀測的標量磁場，由應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院張衡一號科學(xué)應(yīng)用中心提供.本研究將聚焦2018年8月到2019年12月地磁平靜期間(Kp≤3)赤道電集流的特征，由于日落后電離層E層電子密度急劇下降，夜間赤道電集流很弱，本文只關(guān)注CSES衛(wèi)星在14∶00 LT附近觀測的赤道電集流.

1.2 磁場數(shù)據(jù)的處理

為了獲得EEJ所引起的磁場效應(yīng)，需要從衛(wèi)星所觀測的標量磁場數(shù)據(jù)中去除其他磁場的貢獻.為此，首先我們利用CHAOS-7模型(Finlay et al., 2020)，計算主磁場、地殼場(巖石圈磁場)和磁層電流引起的磁場效應(yīng)，并從CSES衛(wèi)星觀測的標量磁場數(shù)據(jù)中減去上述三部分的貢獻，獲得電離層電流引起的磁場分量，并記為ΔB.圖1a所示為2019年1月10日世界時(UT)20點32分左右， CSES衛(wèi)星在一次過赤道的軌道中所觀測的標量磁場的緯度剖面示例.該日地磁活動平靜，全天地磁活動指數(shù)Kp≤1+.為了方便比較，圖1a中也給出了Swarm A衛(wèi)星幾乎同時(包括世界時和地方時)過磁赤道時所觀測的標量磁場.本文中所用的Swarm A衛(wèi)星觀測的磁場數(shù)據(jù)，以及后面所用的EEJ電流密度的緯度剖面從歐空局的網(wǎng)站(https:∥earth.esa.int/web/guest/swarm/data-access)下載.圖1頂部也給出了CSES和Swarm A過磁赤道時的世界時(UT)，磁地方時(MLT)和所在的經(jīng)度，兩衛(wèi)星的軌跡如圖1c所示.由圖1a可見，CSES觀測的總磁場在赤道區(qū)達到極小值，其幅度為2.2×104nT，并隨著緯度的增加，地磁場強度增大.在幾乎同時過赤道的軌道上，Swarm A測量的總磁場的幅度和變化趨勢與CSES觀測結(jié)果幾乎一致.圖1b所示為去掉主磁場、地殼場和磁層電流的貢獻后，電離層電流所引起的磁效應(yīng)(ΔB).由圖1b可見，在中低緯度區(qū)CSES和Swarm A觀測的ΔB小于零，幅度在磁赤道位置達到極值，其幅度分別為-21.5和-22.8 nT；當(dāng)準偶極緯度(QDlat)高于12°時，ΔB的取值約為-10 nT.已有文獻(Richmond，1995；Emmert et al., 2010)報道準偶極坐標系便于解釋電離層電流，因此本文所用的緯度為準偶極緯度.

為了獲得EEJ引起的磁效應(yīng)，除了去除主磁場、地殼場和磁層電流引起的磁場效應(yīng)外，還需從上述ΔB中，去除中緯電離層太陽靜日(Solar quiet, Sq)電流系的貢獻.為此，我們首先將ΔB分組到以1°QDlat為分辨率的數(shù)組中.然后，我們對±13°到±40° QDlat的緯度區(qū)間中，用4階多項式對ΔB進行擬合，估算Sq電流系的磁效應(yīng)(Lühr et al., 2004).為了避開EEJ磁效應(yīng)對上述擬合的影響，在用4階多項式擬合Sq電流系磁效應(yīng)的過程中，±12° QDlat之內(nèi)所觀測的ΔB沒有參與擬合.最后，根據(jù)上述4階多項式擬合的結(jié)果，可獲得Sq電流系的磁場貢獻，將這部分貢獻從ΔB中去除后，剩余的磁場被認為是EEJ引起的磁場效應(yīng)，也是本文推算EEJ電流密度的基礎(chǔ).

圖1 (a) 2019年1月10日20∶32 UT左右 CSES(實線)和Swarm A(虛線)衛(wèi)星幾乎同時過磁赤道時所記錄的標量磁場的緯度剖面示例; (b) 去掉主磁場、地殼場和磁層電流的貢獻后，電離層電流所引起的磁效應(yīng)(ΔB); (c) CSES和Swarm A 幾乎同時過磁赤道時的軌跡Fig.1 (a) Scalar magnetic field and (b) the related residuals to CHAOS7.6 observed by CSES and Swarm A for conjunction orbits on Jan. 10, 2019; (c) The tracks of the aforementioned conjunction orbits for CSES and Swarm A

圖2所示為圖1中2019年1月10日20點32分左右CSES過赤道時所觀測ΔB用上述方法處理后的結(jié)果，其中細實線為ΔB被分組后的結(jié)果、虛線為4階多項式擬合的Sq電流系的磁效應(yīng)、粗實線表示CSES衛(wèi)星這次過赤道時觀測的EEJ磁效應(yīng).由圖2可見，EEJ的磁效應(yīng)在磁赤道達到峰值，其幅度為9.4 nT，且符號為負，符合東向EEJ的磁效應(yīng)特征(Lühr et al., 2004)；此外，在磁赤道南北兩側(cè)幾度的范圍內(nèi)(特別是南半球)，存在清晰的磁場增加，這與西向的EEJ旁瓣相關(guān)(Zhou et al., 2018b).

圖2 圖1所示的CSES過赤道的軌道中由CSES觀測的ΔB處理后的結(jié)果.其中細實線為ΔB被分組后的結(jié)果、虛線為4階多項式擬合的Sq電流系的磁效應(yīng)、粗實線 代表CSES衛(wèi)星觀測的EEJ磁效應(yīng)隨緯度的分布Fig.2 The magnetic contributions (ΔB) of ionospheric currents (thin curve) observed by CSES for the orbit shown in Fig.1. The fitted Sq signatures (dashed curve) and the EEJ magnetic effect (thick curve)

圖3 赤道電集流和CSES軌道的示意圖Fig.3 Schematic drawing of the configuration for the EEJ and CSES orbit

1.3 EEJ電流密度的反演

利用1.1和1.2節(jié)中描述的方法，可獲得CSES衛(wèi)星每次過赤道時觀測的EEJ磁效應(yīng)隨緯度的變化.為了更好地理解EEJ的特征，本節(jié)將介紹由EEJ磁效應(yīng)反演EEJ電流密度的緯度剖面.這里，我們先假定EEJ位于110 km高度，在±20°QDlat范圍內(nèi)，EEJ由41個東西向的線電流組成，兩線電流之間的間隔為1°QDlat.圖3所示為赤道電集流和CSES軌道的示意圖，其中CSES的軌道用黑色的實弧線表示，黑色的虛弧線代表赤道區(qū)赤道電集流，其中心位置用Rcur表示.

根據(jù)文獻(Lühr et al., 2004)中的(2)式可知，在衛(wèi)星軌道高度上，東西向的線電流引起的磁場變化可表示為

(1)

其中，bx和bz分別表示EEJ引起的磁場的北向分量和垂直向下分量；I代表東向電流的強度；μ0為自由空間的磁導(dǎo)率；h代表CSES衛(wèi)星軌道高度與電流所在高度的高度差，CSES衛(wèi)星在電流以上時，h為正；x為CSES衛(wèi)星與電流在南北方向上的距離，CSES衛(wèi)星向南偏離電流時，x為正.

根據(jù)(1)式，并結(jié)合圖3，如果考慮衛(wèi)星的第i個觀測點，則第j個線電流在該觀測點產(chǎn)生的磁場北向分量和垂直向下分量可表示為(Zhou et al., 2020)

(2)

其中，J(j)代表第j個線電流的電流密度；Δl表示兩個相鄰的線電流之間的距離，本文中相鄰的線電流間隔為1°，Δl取110 km；x(i,j)=Rcur·sin(Δβ(i,j))，h(i,j)=Δh+Rcur[1-cos(Δβ(i,j))]，且它們的單位為km，其中Δβ(i,j)為第i個觀測點和第j個電流之間的緯度差，即Δβ(i,j)=β(j)-β(i)；Rcur代表EEJ電流的高度，離地表110 km；Δh代表CSES衛(wèi)星軌道高度和電流中心高度之間的距離.

由于EEJ引起的磁場效應(yīng)遠小于觀測點周圍的磁場，EEJ所引起的標量磁場可表示為(Lühr et al., 2004)

(3)

其中b為東向EEJ引起的磁場矢量；B和|B|分別表示觀測點矢量磁場和磁場強度，Bx和Bz分別為觀測點周圍磁場的北向和垂直向下的分量，本文中觀測點周圍磁場由CHAOS-7模型計算.

結(jié)合(2)式和(3)式，由41個線電流在第i個觀測點所引起的標量磁場可表示為

(4)

根據(jù)(4)式和(2)式，可以得到第i個觀測點EEJ所引起的標量磁場和EEJ電流密度之間的關(guān)系.在此基礎(chǔ)上，利用CSES觀測到的由EEJ所引起的磁場效應(yīng)的緯度剖面，可計算得到41個線電流的電流密度.

圖4 圖1中所示的CSES和Swarm A衛(wèi)星幾乎同時過赤道時的軌道中，由兩衛(wèi)星觀測的EEJ磁場效應(yīng) 反演的EEJ電流密度隨緯度的變化Fig.4 Latitudinal profile of the EEJ current density derived from EEJ effect observed by CSES and Swarm A for the conjunction orbits shown in Fig.1

圖4所示為2019年1月10日20點32分左右CSES過赤道時所觀測±20°QDlat范圍內(nèi)EEJ電流密度.由圖4可見，CSES衛(wèi)星在此次過赤道的軌道中，探測到EEJ峰值電流密度位于磁赤道處，幅值約為45.2 mA·m-1，電流密度的符號為正，表明EEJ的方向為東向；若以半峰值寬度衡量，EEJ主瓣的寬度約為4°QDlat.偏離磁赤道約3°處，電流的方向由東向變?yōu)槲飨?，稱為EEJ旁瓣.在南半球5°QDlat處，EEJ旁瓣達到最大幅度，約為22 mA·m-1；在北半球，本次探測的 EEJ旁瓣不明顯.在±12°QDlat外，EEJ電流密度很小，其幅度在0附近變化.為了與CSES衛(wèi)星這個軌道觀測的EEJ對比，圖4也給出幾乎在同時過赤道的軌道中Swarm A衛(wèi)星觀測的EEJ電流密度隨緯度的變化.由圖4可見，Swarm A衛(wèi)星在這次過赤道的過程中觀測到的EEJ電流密度位于磁赤道，峰值為58.9 mA·m-1，比CSES觀測的EEJ峰值密度略大，這可能與兩衛(wèi)星在過赤道時雖然世界時和地方時非常接近，但飛行軌跡有差異，Swarm A過赤道時觀測到較大的標量磁場有關(guān)(見圖1).此外，與Swarm A衛(wèi)星的觀測結(jié)果相比，CSES衛(wèi)星觀測的EEJ電流密度隨緯度的分布存在明顯的南北半球不對稱性.盡管兩衛(wèi)星觀測的EEJ有差異，但從圖4中可見，CSES衛(wèi)星觀測的EEJ電流密度的緯度剖面與Swarm A衛(wèi)星的觀測結(jié)果基本相符.

1.4 EEJ事件的挑選

本文主要考慮2018年8月到2019年12月期間CSES觀測的磁場數(shù)據(jù).在此期間，CSES在14∶00 LT附近共有約7300次過赤道的觀測數(shù)據(jù)，在這些過赤道的軌道中，利用CSES衛(wèi)星磁場觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合上述EEJ電流密度的反演方法，可獲得EEJ電流密度隨緯度的變化.為了獲得地磁平靜期間EEJ的特征，我們挑選EEJ電流密度峰值出現(xiàn)在±1°QDlat內(nèi)，且峰值幅度不小于10 mA·m-1的EEJ事件為研究對象.根據(jù)上述挑選EEJ事件的標準，共有4729個EEJ事件符合要求，是本文統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

2 觀測結(jié)果

圖5 CSES衛(wèi)星觀測的EEJ平均電流密度隨緯度的變化Fig.5 Average latitudinal profile of the EEJ current density observed by CSES

由上述挑選的4729個EEJ事件中EEJ電流密度的緯度剖面，通過平均，可得到14∶00 LT附近CSES觀測的EEJ電流密度隨緯度變化的平均特征，見圖5.由圖5可見，CSES觀測的EEJ主瓣的電流密度的峰值位于磁赤道處，其平均幅度約為27 mA·m-1.EEJ主瓣的寬度窄，若用半峰值寬度來衡量，其緯度展布寬度約為4°.偏離磁赤道約3°QDlat處，EEJ方向變?yōu)槲飨?，形成西向的EEJ旁瓣，并在5°QDlat處達到峰值，其平均幅度約為10 mA·m-1；EEJ主瓣和旁瓣的峰值幅度之比約為2.7；CSES觀測的EEJ旁瓣存在半球的不對稱性，相比于北半球，南半球EEJ旁瓣更明顯.在±12°QDlat外，EEJ幾乎可以忽略，其電流密度的幅度保持在0附近變化.

圖6 CSES衛(wèi)星觀測的EEJ峰值電流密度的分布特征Fig.6 Occurrence distribution of the peak current density observed by CSES

EEJ主瓣的峰值電流密度是EEJ的重要參數(shù)，為了了解CSES衛(wèi)星觀測的EEJ的整體特征，下面我們以EEJ主瓣電流密度的峰值(簡稱EEJ峰值電流密度)來表征EEJ.首先，我們統(tǒng)計分析了CSES衛(wèi)星觀測的EEJ峰值電流密度的分布特征，其結(jié)果見圖6，這里100%代表我們所挑選的4729個EEJ事件.圖6中顯示EEJ峰值電流密度的符號有正有負，其中，符號為正代表東向EEJ事件，符號為負代表西向EEJ事件(即反向赤道電集流事件).CSES觀測的4729個EEJ事件中，有3927個東向EEJ事件，占比約為83%，西向EEJ事件為802個，占比約為17%.不管是東向還是西向EEJ事件，EEJ峰值電流密度的最可幾值為20 mA·m-1； EEJ峰值電流密度增大時，出現(xiàn)的概率顯著降低.在我們所挑選的事件中，只有很少量的EEJ事件的峰值電流密度超過120 mA·m-1.東向和西向的EEJ事件的峰值電流密度的平均值分別為36.8和-32.7 mA·m-1.

下面我們分析CSES衛(wèi)星觀測的EEJ峰值電流密度隨經(jīng)度、季節(jié)和太陽輻射水平的變化特征.由于西向EEJ事件的樣本較少，在分析EEJ對經(jīng)度、季節(jié)和太陽輻射水平的依賴性時，我們主要考慮3927個東向EEJ事件.首先，將衛(wèi)星觀測的EEJ峰值電流密度按經(jīng)度分成25組，其中經(jīng)度間隔為15°；然后將各組EEJ峰值電流密度求平均，其結(jié)果如圖7所示.由圖7可見，EEJ峰值電流密度呈現(xiàn)顯著的隨經(jīng)度變化特征，分別在經(jīng)度為-165°、-75°、0°和105°的區(qū)域出現(xiàn)極大值.

圖7 CSES衛(wèi)星觀測的東向EEJ峰值電流密度隨經(jīng)度的 變化特征Fig.7 Longitudinal variation of the peak current density for the EEJ events observed by CSES

圖8 CSES衛(wèi)星觀測的EEJ峰值電流密度隨季節(jié)的 變化特征Fig.8 Seasonal variation of the peak current density for the EEJ events observed by CSES

圖8所示為在2018年8月到2019年12期間EEJ峰值電流密度的月平均值.由圖8可見，EEJ峰值電流密度出現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征，在4月和8月EEJ峰值電流密度較大，冬至和夏至季節(jié)附近，出現(xiàn)極小值，特別是2018年年末.

前人的研究也曾報道(Alken and Maus, 2007; Lühr et al., 2021b)，在太陽輻射水平高時，EEJ電流密度較大.因此，本文也檢驗了CSES衛(wèi)星觀測的EEJ峰值電流密度對太陽輻射水平的依賴性，其結(jié)果見圖9.這里我們用P10.7指數(shù)表征太陽輻射水平，其中P10.7=(F10.7+F10.7A)/2，且F10.7A表示太陽10.7 cm輻射通量(F10.7指數(shù))的81天平均值.由圖9可見，在2018年8月到2019年12月期間，盡管太陽輻射水平較低，EEJ峰值電流密度隨著P10.7指數(shù)的增加而增大.當(dāng)P10.7指數(shù)從68到77 sfu變化時，EEJ峰值電流密度由31.3 mA·m-1增加到39.2 mA·m-1，其變化斜率約為0.7 mA·m-1·sfu-1.

圖9 CSES觀測的EEJ峰值電流密度對P10.7指數(shù)的依賴性Fig.9 Dependence of the EEJ peak current density observed by CSES on the solar flux index P10.7

3 討論

本文重點分析了地磁活動平靜期EEJ的特征，反演EEJ所用的磁場數(shù)據(jù)由CSES衛(wèi)星上搭載的CDSM測量得到.由于CSES衛(wèi)星軌道特點，CDSM在14∶00 LT附近時間和空間的采樣率高，為分析EEJ的特征提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ).但也正是由于CSES衛(wèi)星軌道的這個特點，與CHAMP衛(wèi)星和Swarm星座的軌道不同，地磁觀測數(shù)據(jù)局限于同一地方時，我們只能得到同一地方時(14∶00 LT)的EEJ，無法得到EEJ隨地方時的分布特征.

基于CSES衛(wèi)星觀測的磁場數(shù)據(jù)，若要獲得EEJ的電流密度信息，首先需準確提取EEJ所引起的磁場效應(yīng).本文1.3節(jié)中將CSES獲得的EEJ電流密度與近乎同時過赤道的Swarm A衛(wèi)星觀測的EEJ進行了對比，發(fā)現(xiàn)CSES衛(wèi)星觀測的EEJ電流密度的緯度剖面與Swarm A衛(wèi)星的觀測結(jié)果基本相符，這表明我們能有效提取EEJ的磁場效應(yīng).為了進一步驗證提取EEJ磁場效應(yīng)的方法，我們也將CSES衛(wèi)星觀測的EEJ磁場效應(yīng)與地基地磁臺站的數(shù)據(jù)進行了對比.圖10所示為CSES衛(wèi)星觀測的EEJ磁場效應(yīng)與地基臺站觀測的EEJ信號的對比.圖10a中所示為2018年10月22日17∶21 UT附近CSES衛(wèi)星在309.6°經(jīng)度(LT=14.00 h)附近過磁赤道時所觀測的EEJ磁場效應(yīng)隨緯度的變化，在磁赤道處EEJ引起的磁場變化約為12.1 nT，CSES衛(wèi)星軌道高度約為507km，因位于EEJ電流的上方，EEJ在CSES衛(wèi)星處引起的磁場效應(yīng)符號為負.圖10b中給出了2018年10月22日TTB(1.2°S，311.5°E)地磁臺站觀測的EEJ磁場效應(yīng)(用ΔH表示)隨世界時的變化.其中ΔH計算方法如下(Soares et al., 2018；Yang et al., 2021b；Abadi et al., 2021)：由位于磁赤道處TTB臺站測量的地磁場水平分量先去掉夜間的值，并記為dHequa；對于低緯臺站KOU(5.2°N，307.3°E)觀測的地磁場水平分量也同樣處理，獲得dHoff_equa；最后由dHequa減去dHoff_equa得到ΔH，即地磁臺站觀測的EEJ磁場效應(yīng).圖10b中虛線對應(yīng)TTB臺站的地方時為14.00 h時刻，對應(yīng)的世界時為17∶14 UT，與CSES過磁赤道時的地方時和世界時非常接近.在虛線對應(yīng)的時刻，TTB臺站觀測的EEJ磁場效應(yīng)為41.0 nT；此外，由于EEJ位于臺站上方約110 km處，EEJ在TTB處引起的磁場效應(yīng)的符號為正.根據(jù)(1)式，若不考慮磁場效應(yīng)的符號，同一位置相同大小的東向EEJ電流，在不同位置處產(chǎn)生的磁場效應(yīng)乘以電流與觀測處之間距離的乘積不變，即ΔB1·r1=ΔB2·r2.根據(jù)圖10b可知，TTB臺站在17∶14 UT地面(r1=110 km)磁赤道處觀測的EEJ磁場效應(yīng)為ΔB1=41.0 nT，可估算同一EEJ在CSES軌道高度(r2=397 km)磁赤道處產(chǎn)生的磁場效應(yīng)為11.4 nT.而實際上，我們提取的CSES觀測的EEJ磁場效應(yīng)為12.1 nT(見圖10a)，與估算的結(jié)果基本相符，這也說明我們有效地提取了EEJ的磁場效應(yīng).

根據(jù)提取的EEJ磁場效應(yīng)，我們計算得到了EEJ電流密度的緯度剖面.在分析EEJ特征時，本文挑選的EEJ事件電流密度的峰值位于±1°QDlat內(nèi)，且幅度不小于10 mA·m-1.在2018年8月到2019年12月期間，共挑選出4729個清晰的EEJ事件，它們構(gòu)成本文統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).利用挑選出來的EEJ事件，我們分析了CSES衛(wèi)星觀測的平均EEJ電流密度隨緯度的變化(見圖5).CSES衛(wèi)星觀測的EEJ平均電流密度的峰值位于磁赤道處，這與Lühr 等(Lühr et al., 2004)報道的CHAMP衛(wèi)星觀測的結(jié)果相符.由圖5可見，CSES衛(wèi)星觀測的EEJ電流密度的峰值約為27 mA·m-1，小于文獻(Lühr et al., 2004)中CHAMP衛(wèi)星觀測的EEJ電流密度的峰值150 mA·m-1.在Lühr等(Lühr et al., 2004)研究中，主要利用的是2000年8月到2003年4月之間CHAMP衛(wèi)星觀測的磁場數(shù)據(jù).在2000—2003年太陽輻射水平高，F(xiàn)10.7指數(shù)的平均值約為174 sfu，而我們所關(guān)注的2018—2019年間F10.7指數(shù)的平均值約為 70 sfu.CSES衛(wèi)星觀測的EEJ幅度較小可歸因于不同時期的太陽輻射水平不同.此外，Lühr 等(Lühr et al., 2004)研究的EEJ的平均電流密度是由CHAMP衛(wèi)星在10∶00—13∶00 LT之間觀測的，而本文中分析的EEJ是由CSES衛(wèi)星在14∶00 LT附近觀測的.在10∶00—13∶00 LT期間，EEJ幅度通常達到最大值，這可以從文獻(Zhou et al., 2016)中圖6可見，EEJ的峰值電流密度在正午時候達到最大值70 mA·m-1，而在14∶00 LT時EEJ的峰值電流密度下降到40 mA·m-1，這也說明相對于正午而言，午后EEJ電流密度減小.因此，CSES衛(wèi)星觀測的EEJ幅度較小也與其所在的地方時(14∶00 LT)有關(guān).除了EEJ電流密度峰值的幅度外，我們也檢測了EEJ的寬度，CSES衛(wèi)星觀測的EEJ半峰值寬度約為4°QDlat，這也與文獻(Lühr et al., 2004)的結(jié)果相符.但值得一提的是，CSES衛(wèi)星觀測的EEJ隨緯度的分布存在明顯的半球不對稱性(見圖4和5)，其原因有待深入研究.

圖10 (a) 2018年10月22日世界時17點21分左右CSES衛(wèi)星過赤道時觀測的EEJ磁場效應(yīng)的緯度剖面與 (b)2018年10月22日TTB地基地磁臺站觀測的EEJ信號隨世界時的變化Fig.10 (a) The latitudinal profile of EEJ magnetic signature observed by CSES about 17∶21 UT on Oct. 22, 2018 and (b) the variation of EEJ magnetic effect observed by ground observatory with UT on Oct. 22, 2018

除了EEJ平均的電流密度緯度剖面外，我們也分析了EEJ峰值電流密度的分布特征(見圖6).對于我們所選取的4729個事件，既包含東向EEJ事件，也包含西向EEJ事件，它們的發(fā)生率分別為83%和17%.基于CHAMP衛(wèi)星近10年的地磁觀測數(shù)據(jù)，Zhou等(Zhou et al., 2018a)對西向EEJ事件進行了系統(tǒng)的分析，他們的研究結(jié)果表明西向EEJ事件大概占到所有EEJ事件的18%.CSES觀測的西向EEJ事件比例(17%)稍低，這與CSES的軌道特點有關(guān).因為CSES軌道降交點地方時固定在14∶00 LT附近，我們在本文中所分析的EEJ事件局限在14∶00LT附近，Zhou等(Zhou et al., 2018a)的研究表明西向EEJ事件正午和午后出現(xiàn)概率低，而晨昏兩側(cè)出現(xiàn)概率高.此外，西向EEJ事件在地磁擾動期間出現(xiàn)的概率高，而2018—2019年期間地磁活動水平低也可能是造成CSES觀測的西向EEJ事件比例較低的原因.對于CSES觀測的西向EEJ事件，EEJ峰值電流密度的最可幾值為-20 mA·m-1，這點與Zhou等(Zhou et al., 2018a)報道的結(jié)果相符.

利用CSES觀測的東向EEJ事件，本文檢驗了EEJ對經(jīng)度、季節(jié)和太陽輻射水平的依賴性.由圖7可見，EEJ峰值電流密度隨經(jīng)度變化呈現(xiàn)4個極大值，分別位于-165°、-75°、0°和105°經(jīng)度處.利用Swarm A 和C衛(wèi)星觀測的磁場數(shù)據(jù)，Zhou等(Zhou et al., 2016)也曾報道過這種EEJ隨經(jīng)度變化的4波結(jié)構(gòu).特別是在秋分季節(jié)14∶00 LT附近，由Swarm A和C衛(wèi)星觀測的EEJ幅度隨經(jīng)度變化的四個極大值所在的經(jīng)度，與CSES衛(wèi)星觀測的結(jié)果一致.EEJ的這個隨經(jīng)度變化的4波結(jié)構(gòu)可歸因于低層大氣的潮汐作用，如DE3，SW6和SPW4等潮汐分量的影響(Zhou et al., 2016).

為了進一步的比較，我們同樣考慮2018年8月到2019年12月期間Swarm A衛(wèi)星的觀測，重點關(guān)注Swarm A衛(wèi)星的軌道在13∶30—14∶30 LT時觀測的EEJ事件，且要求所挑選的事件滿足2.4節(jié)中所描述的標準，共挑選出442個符合條件的EEJ事件.對于這442個事件，我們也分析了Swarm A衛(wèi)星所觀測的EEJ隨經(jīng)度變化特征(見圖11).由圖11可見，盡管Swarm A衛(wèi)星在此期間觀測的EEJ事件較少，CSES和Swarm A兩衛(wèi)星所觀測的EEJ隨經(jīng)度變化的主要特征非常相似.除了隨經(jīng)度變化表現(xiàn)為4波結(jié)構(gòu)外，西半球EEJ峰值電流密度較大，特別是在-90°到-60°的區(qū)間，這與CHAMP衛(wèi)星觀測結(jié)果相符(Lühr et al., 2008).

對于CSES衛(wèi)星觀測的EEJ隨季節(jié)變化特征方面，整體而言，在春秋分季節(jié)EEJ幅度較大，而兩至季節(jié)EEJ幅度較小(見圖8)，這一點也與CHAMP衛(wèi)星2000—2010年的觀測結(jié)果相符(Lühr et al., 2021b).CSES衛(wèi)星觀測的EEJ幅度隨著太陽輻射水平的增加而增加，增加的斜率約為0.7 mA·m-1·sfu-1，該斜率比CHAMP衛(wèi)星的觀測結(jié)果大(Lühr et al., 2021b)，這可能與我們所關(guān)注的年份太陽輻射水平整體較低有關(guān).

圖11 2018年8月到2019年12月期間，Swarm A衛(wèi)星在14∶00 LT附近觀測的EEJ峰值電流密度隨經(jīng)度的變化特征Fig.11 Longitudinal variation of the peak current density for the EEJ events at 14∶00 LT observed by Swarm A during August 2018 and December 2019

4 結(jié)論

本文利用2018年8月至2019年12月期間CSES衛(wèi)星測量的磁場數(shù)據(jù)，分析了地磁活動平靜期14∶00 LT附近赤道電集流(EEJ)的特征，主要結(jié)果如下：

(1) 利用CHAOS-7模型，結(jié)合多項式擬合的方法，通過去除主磁場、地殼場、磁層電流和電離層Sq電流系的磁場貢獻后，得到CSES衛(wèi)星觀測的EEJ磁場效應(yīng)，與近乎同時刻相同位置地磁臺站觀測的EEJ磁場效應(yīng)相符.在此基礎(chǔ)上，采用線電流模型，由EEJ引起的磁場效應(yīng)反演EEJ電流密度的緯度剖面.通過事件分析和統(tǒng)計分析結(jié)果表明，CSES衛(wèi)星觀測的EEJ與Swarm A衛(wèi)星同期所觀測的EEJ特征基本相符.

(2) CSES衛(wèi)星觀測的平均EEJ電流密度的峰值位于磁赤道處，其幅度為27 mA·m-1；和以前報道的CHAMP和Swarm衛(wèi)星觀測結(jié)果相比，CSES衛(wèi)星觀測的EEJ平均峰值密度較小.這可歸因于2018—2019年期間太陽輻射水平較低，此外也與觀測的地方時有關(guān).CSES衛(wèi)星觀測的EEJ寬度窄，半峰值寬度約為4°QDlat；EEJ的主瓣和旁瓣電流密度的峰值之比約為2.7；在本文所關(guān)注的EEJ事件中，東向EEJ和西向EEJ事件的發(fā)生率分別為83%和17%.這個比例與CHAMP衛(wèi)星的觀測結(jié)果稍有不同，與14∶00 LT附近西向EEJ出現(xiàn)的概率較低有關(guān).

(3) CSES衛(wèi)星觀測的EEJ對經(jīng)度、季節(jié)和太陽輻射水平有顯著的依賴性.東向EEJ電流的峰值電流密度隨經(jīng)度變化呈現(xiàn)明顯的4波結(jié)構(gòu)，其極大值分別出現(xiàn)在-165°、-75°、0°和105°附近，這與同時期Swarm A衛(wèi)星觀測的結(jié)果相符，可歸因于低層大氣非遷移潮汐的影響.東向EEJ電流有顯著的季節(jié)變化特征，整體而言，二分季節(jié)EEJ幅度較大，二至季節(jié)幅度較小.在2018—2019年期間，盡管太陽輻射水平較低，EEJ電流密度隨太陽輻射水平的增加而增加.

致謝感謝德國地學(xué)研究中心(GFZ)Hermann Lühr教授提供的幫助與討論.本研究工作使用了國家航天局和中國地震局支持的張衡一號衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)(https:∥leos.ac.cn/#/dataService/data BrowsingList)；Swarm衛(wèi)星觀測的磁場數(shù)據(jù)和相應(yīng)的赤道電集流數(shù)據(jù)來自https:∥earth.esa.int/web/guest/swarm/data-access；TTB和KOU地磁臺站的觀測數(shù)據(jù)來自https:∥www.intermagnet.org/data-donnee/download-eng.php.