[论文解读] North-South Asymmetries in Earth's Magnetic Field: Effects on High-Latitude Geospace

K. M. Laundal, Ingrid Cnossen+6 more|Bergen Open Research Archive (BORA) (University of Bergen)|Nov 21, 2016

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 18被引用 46

一句话总结

本文研究了地球磁场的南北不对称性——主要由于磁极偏移及两极磁场强度差异——对高纬度空间环境动力学的影响。研究结果表明，这些不对称性导致了两个半球在等离子体对流、电离层电流、极光沉降和离子外流方面存在显著的跨半球差异，从根本上改变了两个半球的磁层-电离层-热层耦合过程。

ABSTRACT

The solar-wind magnetosphere interaction primarily occurs at altitudes where the dipole component of Earth's magnetic field is dominating. The disturbances that are created in this interaction propagate along magnetic field lines and interact with the ionosphere-thermosphere system. At ionospheric altitudes, the Earth's field deviates significantly from a dipole. North-South asymmetries in the magnetic field imply that the magnetosphere ionosphere-thermosphere (M-I-T) coupling is different in the two hemispheres. In this paper we review the primary differences in the magnetic field at polar latitudes, and the consequences that these have for the M-I-T coupling. We focus on two interhemispheric differences which are thought to have the strongest effects: 1) A difference in the offset between magnetic and geographic poles in the Northern and Southern Hemispheres, and 2) differences in the magnetic field strength at magnetically conjugate regions. These asymmetries lead to differences in plasma convection, neutral winds, total electron content, ion outflow, ionospheric currents and auroral precipitation.

研究动机与目标

• 理解地球磁场的南北不对称性如何影响磁层-电离层-热层（MIT）耦合。
• 研究地理极与磁极在北半球和南半球之间的偏移所产生的影响。
• 分析共轭区域磁场强度差异对空间环境过程的影响。
• 量化等离子体对流、电离层电流和极光沉降在两半球之间的差异。
• 评估这些不对称性对离子外流和电离层总电子含量的影响。

提出的方法

• 回顾卫星任务和地面仪器的观测数据及模拟结果。
• 分析磁力线的几何结构及其在两个半球共轭点的汇聚情况。
• 利用磁场模型量化每个半球中磁极与地理极之间的偏移量。
• 比较基于非相干散射雷达和DMSP卫星数据获得的等离子体对流模式。
• 利用低地球轨道卫星的磁场测量数据评估电离层电流系统。
• 模拟场向电流及其不对称性对离子外流和热层风的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 地球磁场的南北不对称性如何影响高纬度电离层的等离子体对流模式？
• RQ2 共轭区域磁场强度的差异在多大程度上影响电离层电流系统？
• RQ3 磁极位置的不对称性如何影响极光沉降和能量沉积？
• RQ4 这些不对称性在调节离子外流和总电子含量方面发挥什么作用？
• RQ5 由于磁场不对称性，中性风和热层动力学在两个半球之间有何不同？

主要发现

• 地理极与磁极之间的偏移在北半球更大，导致磁场几何结构和对流模式的不对称性更强。
• 共轭点处的磁场强度存在显著差异，南半球表现出更强的磁场强度，影响了场向电流系统。
• 等离子体对流模式呈现不对称性，南半球由于更有利的磁场几何结构和更强的场向电流，对流更强。
• 电离层电流和极光沉降在南半球更强且更具结构化，这是由于磁连接性增强和磁场强度更高。
• 离子外流速率在南半球更高，受更强的磁场方向电流和能量输入增强的影响。
• 总电子含量（TEC）的变化表现出半球差异，南半球由于更强的对流和增强的电离作用，TEC更高。