依据近地卫星观测检测磁尾BBF
爆发性整体流 (bursty bulk flow) 简称BBF，自从上世纪90年代被报道后就一直是一个研究热点，被认为是磁尾的一个非常重要的特征。“整体”体现在它们涉及磁尾的整个横截面，“爆发”体现在它们发生在仅持续几分钟的短暂、强烈的爆发中。从低熵的磁通量管角度考虑，BBF也被称为bubble。BBF/bubble除了是触发磁层亚暴的重要潜在因素，还被广泛认为是磁尾中等离子体输运的主要工具，能够加速并将带电粒子注入辐射带和环电流。
在过去二十年中，使用磁层卫星对BBF/bubble进行的研究提供了大量关于它们的统计特性，结构特征，传播特征和径向震荡的知识。然而，局部和零星出现的BBF/bubble可能具有复杂的几何形态和很长的磁尾移动距离，现有的磁层观测又受到卫星观测的周期性和卫星覆盖范围不足的限制。对高速流制动和粒子注入前沿形成的深入理解，需要更多角度的关于BBF/bubble发展及其与周围等离子体相互作用的研究。在这种情况下，电离层或近地卫星观测则可以提供很大的帮助。Sergeev等人报道了以电离层观测中高能质子通量的阶梯状突增和高能电子从各向同性沉降到耗尽损失锥分布的变化作为磁层中BBF/bubble标志的研究。
电离层近地轨道卫星观测
2018年6月14日02:00-04:00 UT期间，两颗POES型近地极轨卫星在午夜时分依次穿过南半球极光区，首先是NOAA-18（图1(a)），20分钟后是METOP-2（图1(b)）。它们的轨迹相似，从极光区的午夜后极区侧移动到午夜前赤道侧。在第一个事件中，NOAA-18观测到从T=02:42:57 UT开始，39-115keV的高能质子通量在8秒内惊人地增加了103倍。在这小段时间内，NOAA-18在电离层中仅移动了大约0.2° AACG纬度和1° AACG经度。在METOP-2观测的第二个事件期间，39-115keV的高能质子通量也在8秒内逐步增加了约20倍。然而，图1(a)和1(b)上部展示的极光电子沉降并没有在相同位置处表现出量级相当的尖锐特征。鉴于这些特征的阶梯状外观、高能质子通量的巨幅提升以及相对较弱的电子通量变化，Sergeev等人将其命名为“质子（或压强）墙（Proton/Pressure Wall，简称PW）”特征。
图1 (a) NOAA-18和 (b) METOP-2于2018年6月14日在南半球极光区上方的粒子观测结果，底部面板展示了40 keV电子的沉降通量与捕获通量之比。
与质子相反，高能电子在这两个事件中的表现有所不同。如图1(a)和1(b)底部的沉降粒子通量与捕获粒子通量之比 () 所示，在遇到PW之前，沉降电子通量与捕获粒子通量的变化水平相当，表现出接近各向同性的损失锥沉降。当通过PW时，沉降通量首先与捕获通量一起增加，但它也显示出巨大的波动，看起来像是叠加在空的损失锥背景上的突发沉降。在第二个事件 (METOP-2) 中，通过PW的捕获电子通量没有显著变化，但是，损失锥再次突然耗尽并保持了22秒。损失锥在黄色条带区域之前和之后均各向同性地填充，这意味着卫星从电流片（表现为低和各向同性电子分布）到偶极化等离子体片（耗尽的损失锥特征）然后再返回。这里PW划定了一个宽阔的损失锥耗尽区域的东边界，其纬度宽度约为0.7-0.8°。
Sergeev等人认为当POES卫星穿越BBF黎明侧边界对应的电离层区域时，由于这里存在电离层在磁赤道面磁足点的突变，因此观测到了PW特征。在这里，磁层中尾部磁通量管（具有较弱的等离子体压强和较小的，表现为各向同性的电子沉降）可能与BBF经过的相互作用区域（表现为较大的压强和，偶极化区域，高能电子的空损失锥）距离很近。这反映了由于BBF内外磁力线形状不同导致的磁赤道面映射点的剧烈变化，与在BBF侧翼观察到的强磁剪切力有关。
Rice Convection Model模拟验证
Sergeev等人还使用Rice Convection Model (RCM) 模拟了一次常规的磁尾等离子片气泡 (bubble) 注入过程来检验这种解释的可行性。bubble从磁尾边界注入后，向地球高速流动，大约10分钟后速度达到了约500km/s，最终抵达了夜侧距离地球约为6 Re处。图2(a)展示了bubble注入到内磁层后，39-115 keV质子微分通量在赤道面的分布，黑色等值线表示的大小。图2(b)是图2(a)在各向同性假设下沿磁力线的电离层映射。偶极化峰值（赤道面上最大）在空间和时间上几乎与质子通量的峰值完全重合。图2a和2b很好地说明了磁场偶极化区域和质子通量增强区域的协同发展，他们的电离层映射形成了一个明显的极向凸起，即偶极化区域的电离层图像。该突起与磁尾赤道面上bubble的发展过程一致，伴随着bubble的地向运动开始极向发展，在bubble的制动阶段达到最大。图2(b)中的三条粉色实线表示三颗类似图1中POES卫星的虚拟近地卫星轨迹。当卫星穿过电离层突起的侧翼时，其赤道面足点显示出快速的地向位移，表明电离层一小段卫星位移对应的磁赤道面映射点的快速变化。例如，对于轨迹2，当纬度仅变化1°，经度仅变化5°时，赤道面足点从16 Re变为了7.2 Re。
图2(c)展示了39-115keV的质子通量（粗实线）和（细实线）沿三颗卫星轨迹的变化，每条曲线都显示出质子通量的大幅阶梯状增加，彩色矩形标记出了通量迅速提高的时间段记为PW1a/b、PW2和PW3。通量的迅速提高通常都伴随着的阶梯式增加，对应了磁足点的剧烈变化。在峰值通量最大的PW2中，质子通量增加了约70倍，这与图1(a)中NOAA-18的观测结果很相似，但幅度略小。PW1a看起来有所不同，它靠近极区的大部分轨迹穿过电离层凸起的顶部，但是它的磁足点没有映射到10 Re以内，导致的增加相对较弱。
图2磁尾bubble注入过程的RCM模拟结果。(a) bubble注入到内磁层时，39-115 keV质子微分通量在赤道面上的分布，黑色等值线表示的大小；(b) 相同物理量的电离层映射，粉色实线表示电离层中三颗虚拟卫星的飞行轨迹，它们的赤道面足点也在(a)中用粉色实线表示；(c) 39-115keV质子通量（粗实线）和（细实线）沿着三颗虚拟卫星轨迹的变化，不同曲线上的彩色矩形表示主要的质子通量迅速增加的时间段；(d) 40 keV电子的沿着三颗虚拟卫星轨迹的变化。
磁力线曲率半径与粒子回旋半径的比值表征以粒子刚性为特征的带电粒子群的投掷角变化的平均幅度，其中是粒子的总速度。在粒子穿越磁尾电流片的过程中，最小和最大散射出现赤道面上处。这里如果，则代表投掷角散射很强，整个损失锥在电流片历遍过程中各向同性地填充；如果，则投掷角散射较弱，损失锥仍然保持耗尽。如图2(d)所示，40 keV电子的初始值接近（轨迹2和轨迹3）或低于（轨迹1）阈值，可以推测出位于等离子体片中尾部的各向同性沉降。当接近穿越bubble侧翼的时候，轨迹2和轨迹3的由于的增加而超过阈值。虽然和的绝对大小与前面的观测结果可能有所不同，但PW与高能电子从各向同性分布到耗尽损失锥分布的转变仍有着普遍关联，也是电离层中bubble侧翼的重要表现。
讨论与总结
Sergeev等人结合卫星观测和RCM模拟，证明高能质子通量的阶梯状突增以及高能电子从各向同性沉降到耗尽的损失锥分布的变化可以作为在电离层中检测磁尾BBF的特征。他们展示了质子通量呈阶梯状显著增加的观测事例，并称之为质子（或压强）墙（简称PW），它们是电离层-磁层足点发生急剧变化的重要标记。对其他时间段POES卫星观测结果的快速检查表明此类PW特征在亚暴和非亚暴期间并不少见。
电子各向同性和耗尽损失锥分布之间的转变与穿越偶极化通量管有关，偶极化通量管可能具有各种形状和方向，并停留在磁尾的任何距离处。然而，它与质子通量剧烈变化的结合似乎是径向拉长的注入通道的一个显着特性，其一端侵入内磁层中的高压强和的区域，而另一端仍位于磁层中尾部。因此，结合POES航天器上的两个观测结果可以使解释更加直接和可靠。PW处的最小和最大质子计数可以作为压强标记，对应遇到的对流通道的远地和近地部分。
近地高能粒子判据的实用性将随着高能电子仪器光谱分辨率的增加而显着增加，尤其是在有极光观测作为补充的时候，因为光学观测能提供有关结构方向、空间模式和动力学背景的信息。这种组合观测对于解决高速流制动、高能粒子注入以及bubble与内磁层相互作用等长期存在的问题具有重要价值。
Sergeev, V. A., Sun, W., Yang, J., &Panov, E. V. (2021). Manifestations of magnetotail flow channels in energetic particle signatures at low-altitude orbit. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL093543. https://doi.org/10.1029/2021GL093543
