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电离层流出反馈回路

文章出自大气与太阳陆地物理学报·2014年8月

DOI：10.1016 / j.jastp.2014.02.002

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作者接受稿件

电离层流出反馈环

T.E. Moore，M-C Fok，K.Garcia-Sage

PII：S1364-6826（14）00043-1

DOI：http://dx.doi.org/10.1016/j.jastp.2014.02.002

参考文献：ATP3994

出现在：大气和太阳陆地物理学杂志

收到日期：2013年5月16日

修订日期：2014年1月9日

接纳日期：2014年2月10日

引用本文：T.E. Moore,M-C Fok,K.Garcia-Sage,The Ionospheric Outflow Feedback Loop,

Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics,

http://dx.doi.org/10.1016/j.jastp.2014.02.002

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电离层流出反馈回路

T.E.Moore，M-C Fok，K.Garcia-Sage
NASA Goddard SFC，Greenbelt MD 20771 USA
2013/4/30：提交J.大气和太阳能陆地物理
2014/1/3：修订

摘要

从70年代初开始的长时间的观察和调查之后，已经坚定地确定地球的磁层被其中的地球等离子体定义为由地磁场定义。该等离子体不限于电离层本身，其被定义为在F-区域等离子体密度峰值的几个密度标度高度内的区域。相反，其填充其上产生它的通量管，并且以由太阳风等离子体驱动的图案循环通过磁层，该等离子体通过经由日间磁层顶的重新连接而磁性连接到电离层。在某些太阳风条件下，等离子体和场效应被存储在磁尾中，而不是被平滑地再循环回到y侧。其向下游太阳风的释放通过存储的等离子体和磁场的连续地和以离散的等离子体团的形式的磁尾分离而产生，伴随产生高能的向地移动的突发体积流和注入前锋。新一代的全球环流模型表明，流出的电离层等离子体，特别是O ，以不同于在等离子体和大气中性气体中耗散能量的电流的电阻F-区域负载的方式加载系统。扩展的电离层负载对初级耗散产生反应，在系统内形成时间延迟反馈环路。这建立或加强突发的瞬态行为，如果电离层在刺激时没有“反冲”，则其将更弱或不存在。 了解这种反应似乎是一个必要的条件，如果不是足够的条件，我们获得空间天气的精确预测能力。 然而，对流出和对全球模拟的整合的全面预测性理解需要对流出的因果机制进行明确的观察和理论确认。 这仍然难以捉摸，需要专门的任务努力。

JASTP的亮点：
bull;新一代的全球模拟模型考虑了地质等离子体。
bull;存在经验缩放以将地球血浆流出与全球驱动因素相关联。
bull;全球模拟显示地球生成等离子体反馈全球动力学。
bull;预测需要地质等离子体流出的物理模型。
bull;需要多点观测来指导物理流出模型

电离层等离子体源

早期关于电离层流出及其磁层环流的评论由Moore和Horwitz [2007]，Lotko [2007]和Moore [2008]给出。这里给出了一个简要的解释性概要，作为介绍，由图1的示意图支持。电离层最初是通过探测火箭测量来确定的，以具有陡峭的顶部密度分布，其标度高度小于100公里，较重物种O 占优势。因此，它的密度预计在地球周围空间的更高海拔处可以忽略不计

注意力集中于太阳风的进入。然而，早期确定太阳风在磁层顶附近偏转，但是冷等离子体具有相当大的密度到几个地球半径。这最初由具有较大尺度高度的轻离子H 和He 的存在解释，因此它们最终在高于由O 和具有较小尺度高度的其它重离子占据的F层的高海拔处。

在较高的恒定纬度超过等离子体，离子流出最初被认为是连续存在作为轻离子主导极性风，延伸到叶，等离子体片和槽区域。在这些高度不变的纬度，通常高于55˚，等离子体条件不能建立，因为由循环通量管重新连接到太阳风驱动的全球循环。这种重新连接周期性地打开循环通量管，允许从磁磁层逃逸通过叶和边界层。此外，热等离子体由磁磁层产生，其压力足以解决磁尾中的等离子体片的拉伸。

图1.观测和确定电离层或地球化磁层等离子体源的重要性的十年间努力的示意图。 相关研究人员的名字放在大约反映其对这一努力的开创性贡献的位置。

上述电离层流出的早期观点得到了观测的充分支持，有一个明显的例外需要引起注意。在确定轻离子极性风之后很快注意到磁层热等离子体中O 的实质存在，这是一种破坏性的和有点令人不安的观察，引起了大量讨论和对等离子体组成的进一步研究。不久之后，O 被证实存在于极光加速的电离层流出中，并且随后发现伴随着N ，并且在非常活跃的时间中通过分子离子N2 ，NO 和O2 。从事后看来，太阳风能通过极光汇入大气层，提高了规模高度，导致这些重物质以名义热速度远远低于逃逸速度逃逸[Wilson and Craven，1999]。更活跃的时期产生O 和更高活性的分子离子的流出。

因此，注意力主要集中在产生重离子流出的极光现象。从大多数磁层中推断缺乏粒子碰撞开始，许多线索促成了最终的共识范式，即由电离层电子和由极光过程产生的离子加热的组合导致的流出。

与等离子体波的离子相互作用必须在加热横向于局部磁场的离子等离子体中起重要作用。产生观测到的通量所需的能量与在活动的极光中从磁层传递到大气的能量相比是相当小的，但是流出却直接用可用的能量供应来缩放[Moore等人，1999; Strangeway等人，2005，Zheng等人，2005]。建议不同类型的波模式，从阿尔弗恩（MHD）波[Chaston et al。 2006]离子回旋波[Andreacute;和Yau，1997]，以降低混合波[Retterer et al。，1985]。已经建议驱动这种波的能量来自诸如场对准电流，与这种电流相关联的等离子体对流模式中的剪切，或来自更远的来源，诸如与磁层边界层或等离子体相关的重新连接或湍流片。热等离子体损耗锥或其它各向异性也可以有助于所需的波生长。然而，没有电离层加热的理论或模型已经成功地从磁层的详细体特性得出了可保护的物理参数化，现在通过全局仿真模型相当成功地计算。

流出通量的局部原位观测导致功率定律与坡印廷流量，即使在DC频率[Strangeway等人，2005]。因为这种低频电磁能主要反射对流运动，通过与中性粒子碰撞的离子的对流摩擦加热似乎是重要的。然而，不清楚典型的对流流动的动能范围如何漂移，速度高达几公里/秒，可以给离子释放能量。加热和流出也响应于从高海拔由低频Alfveacute;n波携带到电离层中的电磁通量，即在频率范围内向上延伸通过重离子回旋频率[Strangeway，2005]。工作继续确定波在较高频率延伸到较低混合范围的有效性。

电子加热也发生在极光中，这是由于与沉淀电子的直接碰撞或与极光加速度和沉淀相关的更高频率的等离子体波不稳定性。这得到了非相干散射雷达观测到的上层电离层上升事件的强烈支持，这些上升事件有时与电离层电子或电离层离子的强烈加热有关，或者两者之一或两者似乎产生强烈的向上大量的血浆流[Wahlund等1992，Blelly，1996]。建模[Cannata和Gombosi，1988; Khazanov等人，1997]已经表明，电离层电子加热通过增强将电子与其产生的离子结合的双极电场来有效地产生流出物。没有显着的平均电子通量可以离开电离层，也没有提升类似的离子通量离开重力陷阱。

最终结果是，电子热能或压力与将电子提升离子一样有效，而不考虑重力结合的巨大差异，因为它们通过静电耦合在一起。

电离层流出的比例关系可以用于确定预期由流入电离层的能量和降水产生的流出，如由磁层全球循环模型产生的。缩放没有完全指定所有相关参数，但通过几个合理的假设，可以用于构建对在全局磁层模拟的内边界处发展的条件的反应流出响应。

图2示出了为在原始里昂 - 费德尔移动全局循环模型中使用而建立的缩放的结果[Lyon等人，2004]。它响应于Poynting Flux进入电离层，并且响应于电子沉淀通量进入电离层，如从全局模拟中的等离子体密度估计的。对Poynting fux和电子沉淀的响应由Strangeway等人指定的缩放确定。 [2005]。虽然这两种影响的相互作用，组合起来，并没有规定由Strangeway等人，他们被带到这里对总流出有乘法的影响。因此，何时降水通量为零，没有量的坡印亭通量可产生任何显着的外流，反之亦然。 Moore等人更详细地描述了细节。 [2007]。如以下各节所述，这种类型的缩放已被用于研究流出对磁层动力学的反馈效应。

图2.上图显示了从单个流体LFM模拟指定的热等离子体密度，进入电离层的Poynting通量和从单个流体LFM模拟指定的极光平行电势降（源自场对齐电流和Knight关系），从内边界映射到F 区[Fok et al。 2011]。 下图显示了来自Strangeway等人的源缩放的通量，热能和平行能量。 [2005]，假设离子通过推断的平行电位降落。

测试粒子模拟

与太阳风等离子体源相比，如上所述的流出缩放已经用于研究观察到的电离层流出将能够输送到磁层的等离子体多少。观察显示，这种贡献在活跃时期必须是显着的，然而，其存在的大的影响在全局动力学的观察中不明显。因此，MHD建模者认为，没有电离层重离子流出的单一流体代码足以描述磁层，表明磁层中地球等离子体的密度和压力可能

相当小，对动力学的影响可以忽略不计。为了评估这一点并更好地确定是否需要开发多流体代码所需的实质性努力是合理的，用表示电离层流出的测试粒子进行初步研究。测试颗粒模拟还用于阐明在这样的颗粒上操作的磁层的重要循环路径和加速机制[Moore等人，2005,2007,2009; Fok等人，2006,2011]。

这些研究的结果的示例在图3中示出为在活动风暴期间磁层的横截面的三维集合。其表明由上述效应产生的O 压力在该模拟中达到等于或超过太阳风流体的压力的实质值。由于颗粒在由单个太阳风流体产生的场中移动，因此清楚的是电离层等离子体与太阳能流体竞争动力学优势，这与由其他认为电离层贡献可忽略的论点。相反，这个数值实验清楚地表明，根据包括在这些循环模型中的物理水平，电离层等离子体不能被忽略作为对磁层的动态影响。然而，不可忽略的电离层等离子体压力的实际效果只能通过实施允许各种等离子体物质和场之间的相互作用的多流体全球循环模型在理论上评估。这样的努力在在出版试验粒子结果时的

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