地球磁场强度变化对地球电离层离子逃逸的影响

　　尽管地球、金星和火星被认为在大约45亿年前有类似的大气成分，但是它们目前的大气成分有很大的差异。在金星和火星上，大量的H₂O和O₂从大气中消失。人们考虑了导致这些现象的原因，其中一个主要的原因就是金星和火星上偶极磁场的消失。尽管地球保持了自身的磁场，但是地球磁场的方向和强度都在随时间发生变化。然而，研究这些变化对地球电离层离子逃逸的影响面临很大的困难，因为电离层离子的主要特点是能量很低，在卫星表面电势的情况下仪器都无法直接测量到这些离子。

　　利用欧洲空间局Cluster卫星上EFW、EDI和FGM仪器测量的电场可以间接地测量这些低能离子的速度和密度。我们使用了Cluster卫星从2001年到2010年期间所获得的数据。这些数据涵盖第23太阳活动周期的大部分，以此为基础我们已经研究了地球磁场方向的变化对地球电离层离子逃逸的影响。在本工作中，我们研究地球磁场强大的变化的影响。

　　尽管地球磁场的强度在2001-2010年的变化不及地球演化历史上的变化，但是在地球的南半球磁场强度分布是不均匀且差别较大的。磁场强度的大小在1000km高处从约nT变化到约6nT。我们以空间分布的不均匀来类比历史上较剧烈的磁场大小变化。

　　当磁场强度较小时，大量的太阳风粒子沉降至较低的高度，加热那里的大气导致大量的离子逃逸；当磁场强度较大时，太阳风粒子由于磁镜力作用在较高的高度被反弹而不能到达较低高度的大气，逃逸离子减少。同时，太阳风沉降粒子与大气的作用与太阳活动的强度有关。图一为这个规律的示意图。

图一. 不同太阳活动强度条件下太阳风沉降粒子在强磁场（其磁力线用点线表示）和弱磁场（其磁力线用虚线表示）被磁镜力反弹的高度（粒子到达的位置用红色实线表示），以及大气层顶（蓝色实线）的高度变化。沉降粒子到达高度与大气高度重叠越多，沉降粒子对大气的能量输入就越多，引起更多的离子逃逸。[Li et al., 2020]

　　我们总共分析了约50,000个数据点，发现了在中等太阳活动强度下（150 sfu<F10.7<200 sfu，如图一b所示）离子逃逸密度和通量与磁场强度存在反相关关系的比例最高。这正是因为在这一条件下沉降粒子到达高度与大气高度重叠较多。图一c中沉降粒子到达高度与大气高度重叠最多，但沉降离子在大气中与较多的大气粒子碰撞而不能被反弹回较高的大气。这些沉降粒子传输到大气中的能量与地球磁场强度相关性较小，因此在这个条件下离子逃逸密度和通量与磁场强度存在反相关关系的比例较小。 图二表示其中一个反相关的例子，当F10.7=[150,200) sfu，AE=[250,350) nT, SZA=[80,90)度时，逃逸离子的密度（图二d）和通量（图二e）均随磁场强度增大而减小，而其它参数（图二a-c）变化较小。表格一总结了在不同太阳活动条件下离子逃逸密度和通量与磁场强度存在反相关关系的比例。

   表格一. 不同太阳活动条件下离子逃逸密度和通量与磁场强度存在反相关关系的比例。

图二. 一个离子逃逸密度和通量与磁场强度反相关的例子，当F10.7=[150,200) sfu，AE=[250,350) nT, SZA=[80,90)度时，逃逸离子的密度（图三d）和通量（图三e）均随磁场强度增大而减小 [Li et al., 2020]

　　本项工作发表在JGR-Space Physics杂志上，详情请看:Li, K., Förster, M., Rong, Z., Haaland, S., Kronberg, E., Cui, J., et al. (2020). The Polar Wind Modulated by the Spatial Inhomogeneity of the Strength of the Earth's Magnetic Field. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 125, e2020JA027802. https://doi.org/10.1029/2020JA027802