[科普中国]-沉降粒子

沉降粒子(precipitation particle)是指沿地磁力线向下进入到低高度的粒子。由于这些粒子通常是带电粒子，故而又称沉降等离子体。

简介沉降粒子(precipitation particle)是指沿地磁力线向下进入到低高度的粒子。由于这些粒子通常是带电粒子，故而又称沉降等离子体。

沉降粒子在极区引起极光和中性大气电离。可以是由于波-粒子相互作用驱动等离子体片粒子的投掷角扩散引起的电子沉降，如引起扩散极光的电子沉降；也可以是由于电流片的离子增能，经单粒子运动导致1keV~1MeV的所有各向同性极光的粒子沉降;或者是由于场向电位的存在加速电子沉降，造成分立极光的产生。不同纬度区的沉降粒子的产生机制不同，但都和磁场的某种扰动有关，它们是夜间显著现象，高纬区的突出现象。它们都可以造成粒子沉降路径上的中性成分电离1。

极光极光是由磁层各种区域的不同能量的粒子在磁力线的引导下与极区电离层高度的高层大气碰撞，产生能量跃迁，激发出光子的发光现象．绚烂多彩的极光能够反映沉降粒子的磁层源区以及地球极区高空大气的空间结构等重要信息，通过对极光典型谱线（如427.8nm，557.7nm和630.0nm等）的同时观测，比较不同谱线极光强弱，可以加深对磁层源区中各边界层动力学过程对应的沉降粒子的特征以及极光在电离层中激发、辐射及其湮灭过程的理解，对深入研究日地空间环境以及空间天气过程的变换规律具有重要意义2。

南极地区极光粒子沉降特征及谱形式南极地区的极光粒子沉降区域可分为极光椭圆区、极盖区、南大西洋异常区(SAA)和极尖区(Polar Cusp Footpoint)。这些区域的沉降与磁层各部分结构紧密相关。磁层是这些区域的源区。中国南极长城站处于南大西洋异常区,中国南极中山站夜晚位于极光椭圆区的极向边缘,而白天又处于极尖区沉降区。这些区域的沉降粒子来源、谱形式及其特点各有不同3。

极光椭圆区极光椭圆区的沉降可分为白天侧沉降和夜晚侧沉降。最主要的还是夜晚侧沉降,它有两种形式: 弥散极光和分立极光。

(1)弥散极光

由于弥散极光其沉降位置正好是内磁尾中性片中心沿磁力线在高纬地区的投影,说明弥散极光的粒子来自于等离子体片。观测表明弥散极光沉降粒子谱与磁尾等离子体中性片的粒子谱相似,说明磁尾等离子体中性片和地面之间不需要进一步加速。

来源于磁尾等离子体的极光粒子产生的极光有以下特点:存在相当稳定;通量为暴时函数,以亚暴膨胀相时通量增加最大; 质子弥散极光通常扩展到极光椭圆的赤道向, Hβ 线观测表明质子极光带常在67±1度; 在分立极光与弥散极光的交合区常常为弥散粒子谱再叠加单能粒子谱。

弥散极光电子谱通常有以下几种类型:

(a)极光沉降粒子为冥律谱分布；

(b)极光沉降粒子为指数谱；

(c)极光沉降粒子为速度分布谱；

(d) 极光沉降粒子为麦克斯韦分布谱。

(2)分立极光

具有单能或尖峰谱。分立极光粒子源于等离子体片内边界区,此种极光结构通常有倒“ V”的λ结构。分立极光电子谱为单能或尖峰份量3。

极盖区极光(极光椭圆高纬侧区域)1974年报告在极盖区存在电子沉降，通常认为有3种类型的极盖区沉降粒子。

（1）十分均匀的软电子(大约为100keV ) ,通常认为是磁鞘起源的,俗称“极雨” (Polar Rain) ,其特点为: 存在十分稳定,谱为软电子谱,能量为100～300eV , 遵循麦克斯韦分布。

（2）被称为“极阵雨”(Polar Shower )的沉降粒子 ,其特点为: 为极盖区分立极光,能量为1keV左右,它的出现与太阳向弧有关。

（3）还有一种“极暴雨” (Polar Squall) ,其特点为: 沉降电子能量为1keV左右,地磁活动较强时极阵雨活动大大加强1。

南大西洋异常区(SAA)与北极不同,地理南极与倾角南极(磁场垂直地面)及地磁不变量磁极(磁场强度最大)分离很大,与地理南极分离达23°纬度。这使得南极地区有如下两个特点:

(1)极光椭圆区环绕地球磁极分布,而磁极与地理南极有较大偏差,因而导致沉降粒子在经度上分布不同。

(2)在南极地区总磁场强度最小值地区为南大西洋异常区(SAA) ,这也许是沉降粒子在SAA出现异常的原因。此区域沉降粒子来源于辐射带3。

极尖/极隙区沉降Heikkila and Winningham(1971)和Frank(1971)几乎同时发现在极区白天极尖区低高度,磁当地时0800到1600MLT存在电子和离子沉降,并扩展到几个纬度宽,沉降粒子的特性具有磁鞘区粒子分布的特点,服从麦克斯韦分布。Newell and Meng (1988)发现极尖区的厚度大约为0.8～1.1磁纬度宽,基本与磁地方时无关。

极尖区是极隙区的一部分; 而极隙区在正中午时最薄,午前、午后变厚。极尖区离子通量在Cusp区大约为极隙区平均值的3.6倍2。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所