沉降粒子

沉降粒子(precipitation particle)是指沿地磁力線向下進入到低高度的粒子。由於這些粒子通常是帶電粒子，故而又稱沉降等離子體。

沉降粒子在極區引起極光和中性大氣電離。可以是由於波-粒子相互作用驅動等離子體片粒子的投擲角擴散引起的電子沉降，如引起擴散極光的電子沉降；也可以是由於電流片的離子增能，經單粒子運動導致1keV~1MeV的所有各向同性極光的粒子沉降;或者是由於場向電位的存在加速電子沉降，造成分立極光的產生。不同緯度區的沉降粒子的產生機制不同，但都和磁場的某種擾動有關，它們是夜間顯著現象，高緯區的突出現象。它們都可以造成粒子沉降路徑上的中性成分電離 ^[1]  。

極光是由磁層各種區域的不同能量的粒子在磁力線的引導下與極區電離層高度的高層大氣碰撞，產生能量躍遷，激發出光子的發光現象．絢爛多彩的極光能夠反映沉降粒子的磁層源區以及地球極區高空大氣的空間結構等重要信息，通過對極光典型譜線（如427.8nm，557.7nm和630.0nm等）的同時觀測，比較不同譜線極光強弱，可以加深對磁層源區中各邊界層動力學過程對應的沉降粒子的特徵以及極光在電離層中激發、輻射及其湮滅過程的理解，對深入研究日地空間環境以及空間天氣過程的變換規律具有重要意義 ^[2]  。

南極地區的極光粒子沉降區域可分為極光橢圓區、極蓋區、南大西洋異常區(SAA)和極尖區(Polar Cusp Footpoint)。這些區域的沉降與磁層各部分結構緊密相關。磁層是這些區域的源區。中國南極長城站處於南大西洋異常區,中國南極中山站夜晚位於極光橢圓區的極向邊緣,而白天又處於極尖區沉降區。這些區域的沉降粒子來源、譜形式及其特點各有不同 ^[3]  。

極光橢圓區的沉降可分為白天側沉降和夜晚側沉降。最主要的還是夜晚側沉降,它有兩種形式: 彌散極光和分立極光。

(1)彌散極光

由於彌散極光其沉降位置正好是內磁尾中性片中心沿磁力線在高緯地區的投影,説明彌散極光的粒子來自於等離子體片。觀測表明彌散極光沉降粒子譜與磁尾等離子體中性片的粒子譜相似,説明磁尾等離子體中性片和地面之間不需要進一步加速。

來源於磁尾等離子體的極光粒子產生的極光有以下特點:存在相當穩定;通量為暴時函數,以亞暴膨脹相時通量增加最大; 質子彌散極光通常擴展到極光橢圓的赤道向, Hβ 線觀測表明質子極光帶常在67±1度; 在分立極光與彌散極光的交合區常常為彌散粒子譜再疊加單能粒子譜。

彌散極光電子譜通常有以下幾種類型:

(a)極光沉降粒子為冥律譜分佈；

(b)極光沉降粒子為指數譜；

(c)極光沉降粒子為速度分佈譜；

(d) 極光沉降粒子為麥克斯韋分佈譜。

(2)分立極光

具有單能或尖峯譜。分立極光粒子源於等離子體片內邊界區,此種極光結構通常有倒“ V”的λ結構。分立極光電子譜為單能或尖峯份量 ^[3]  。

1974年報告在極蓋區存在電子沉降，通常認為有3種類型的極蓋區沉降粒子。

（1）十分均勻的軟電子(大約為100keV ) ,通常認為是磁鞘起源的,俗稱“極雨” (Polar Rain) ,其特點為: 存在十分穩定,譜為軟電子譜,能量為100～300eV , 遵循麥克斯韋分佈。

（2）被稱為“極陣雨”(Polar Shower )的沉降粒子 ,其特點為: 為極蓋區分立極光,能量為1keV左右,它的出現與太陽向弧有關。

（3）還有一種“極暴雨” (Polar Squall) ,其特點為: 沉降電子能量為1keV左右,地磁活動較強時極陣雨活動大大加強 ^[1]  。

與北極不同,地理南極與傾角南極(磁場垂直地面)及地磁不變量磁極(磁場強度最大)分離很大,與地理南極分離達23°緯度。這使得南極地區有如下兩個特點:

(1)極光橢圓區環繞地球磁極分佈,而磁極與地理南極有較大偏差,因而導致沉降粒子在經度上分佈不同。

(2)在南極地區總磁場強度最小值地區為南大西洋異常區(SAA) ,這也許是沉降粒子在SAA出現異常的原因。此區域沉降粒子來源於輻射帶 ^[3]  。

Heikkila and Winningham(1971)和Frank(1971)幾乎同時發現在極區白天極尖區低高度,磁當地時0800到1600MLT存在電子和離子沉降,並擴展到幾個緯度寬,沉降粒子的特性具有磁鞘區粒子分佈的特點,服從麥克斯韋分佈。Newell and Meng (1988)發現極尖區的厚度大約為0.8～1.1磁緯度寬,基本與磁地方時無關。

極尖區是極隙區的一部分; 而極隙區在正中午時最薄,午前、午後變厚。極尖區離子通量在Cusp區大約為極隙區平均值的3.6倍 ^[2]  。