太阳活动和电离层环境的变化对地球和人类的影响一直以来备受关注，但是缺乏人类活动(比如电力系统、电波发射站等)对电离层环境产生的影响的系统研究[1-2]。电力线谐波辐射(Power Line Harmonic Radiation, PLHR)是一种在空间电离层中观测到的来自于地面电力系统的电磁波辐射现象。其频率一般在极低频(Extremely Low Frequency，ELF，3 Hz~3 kHz)和甚低频(Very Low Frequency，VLF，3~30 kHz)范围内，在空间电场强度时频功率密度谱图中表现为若干条明显高于背景强度、相隔50/60 Hz或100/120 Hz的平行谱线，而频率间隔与相应地面电力系统所采用的工作频率具有对应关系。自20世纪70年代开始，国外学者对PLHR现象开展了大量的地基观测、卫星观测和实验模拟研究[3-5]。特别是近年来，利用法国地震电磁卫星DEMETER在不同国家和地区上空已观测到了大量PLHR事件[6-9]，为深入研究这种现象对空间环境的影响提供了重要数据资源。
PLHR作为一种人为污染源，文献[10]分析了其对电离层环境影响的机理。PLHR可通过与电离层中的粒子或波发生相互作用而导致电子沉降，触发新的辐射，进而改变电离层的状态[11-12]。文献[13]统计分析了DEMETER卫星观测到的由PLHR引起的触发辐射的特点，指出PLHR可以通过与高能电子发生回旋共振来触发合声辐射。近年国内外有学者利用DEMETER、S81-1和P78-1等多颗卫星研究了地震、磁暴和VLF发射站对电离层高能电子的影响[14-16]，然而至今还未见到关于PLHR对电离层参数影响的报道。
高能电子的通量及投掷角是监测电离层状态变化的重要参数。本文介绍了DEMETER卫星高能粒子探测器(Instrument for Detection of Particles, IDP)数据产品的特点，综合利用PLHR自轨道和重访轨道探测数据，分析了中国电离层中72例PLHR事件发生前后电离层高能电子通量和投掷角的变化，以明确PLHR现象影响电离层参数的可能性。
1 DEMETER卫星高能粒子探测器法国地震电磁卫星DEMETER在轨运行时间为2004年7月—2010年12月，初始轨道高度为710 km，2005年12月降为660 km，采用准太阳同步圆形轨道。每条轨道包含一个下行半轨和一个上行半轨，下行半轨在经过某一固定区域上空时约为当地时间白天10:30，上行半轨则约为夜晚22:30。卫星有2种工作模式：Survey模式和Burst模式，后者可以提供更高分辨率的探测数据，80%的Burst模式数据来自于地震带上空，另外20%的数据随机分布，故卫星每条轨道上的Burst模式探测区域并不完全相同。
DEMETER卫星搭载了5类科学实验仪器：电场探测器，可测量超低频(Ultra Low Frequency, ULF)、ELF、VLF和高频(High Frequency, HF)4个不同频率范围的电场；磁场探测器，可测量ELF和VLF 2个频率段的磁场；郎缪探针，可测量电子密度、温度、离子密度；等离子体分析仪，用于测量离子各成分的密度、离子温度；高能粒子探测器，用于测量高能电子的通量、能谱和投掷角。文献[9]利用卫星运行期间在中国近地空间上空探测到的所有Burst模式下的VLF频段电场数据，得到了133例PLHR事件。本文将利用这些事件发生前后对应的IDP探测数据，来研究PLHR事件对电离层高能电子参数的影响。
IDP可提供电子投掷角和各能级电子通量等数据。其中，高能电子通量的能量范围位于72~2 342 keV。在Survey模式和Burst模式下，电子投掷角的时间分辨率分别为28和4 s；电子通量的时间分辨率分别为4和1 s，能量通道数分别为128道和256道，能道在测量范围内均匀分布，能量分辨率分别为17.8和8.9 keV[17]。由于不同能级的电子对外界因素干扰的响应有较大差异，且探测仪的几何因子随能道变化相差较大，从800 keV开始，IDP的探测效率随能量升高迅速下降[17]，故本文将电子通量划分为3个能带进行分析：72~200 keV的低能带电子通量，200~800 keV的中能带电子通量以及800~2 342 keV的高能带电子通量。
2 自轨道与重访轨道探测数据综合分析方法与实例 2.1 分析方法由于影响电离层状态参数的因素有很多，例如地磁纬度、L-shell值、季节、昼夜、太阳活动以及地磁扰动等，设计分析PLHR对参数影响的方法时，应使这些因素的干扰降到最低。
考虑到利用卫星探测到的PLHR事件通常具有时空变化的特点，为了能够体现出电离层中高能电子参数在时间和空间上的整体变化趋势，借鉴文献[18]中对地震发生前后电子密度变化的分析，本文采用自轨道与重访轨道探测数据综合对比分析的方法。这里的自轨道是指出现PLHR事件的卫星飞行轨迹。通常卫星经过空间某点后，每隔一段固定的时间会再次经过该点，前后2次卫星的飞行轨迹基本重合，它们所对应的轨道互为重访轨道，相邻重访轨道的间隔时间称为卫星的重访周期。DEMETER卫星采用准太阳同步轨道，飞过某一固定空间的时间基本不变，而重访周期约十数天[19]，此时季节、太阳活动及地磁扰动等大时间跨度因素对电离层的状态影响较小，因此采用PLHR事件的自轨道及其重访轨道探测数据开展研究能有效减小上述因素对高能电子变化的干扰。
为了避免大时间跨度因素对分析结果造成影响，只提取PLHR事件发生的自轨道(用OR表示)，以及前后各3个重访轨道(分别用OR-3、OR-2、OR-1、OR+1、OR+2、OR+3表示)进行对比分析，确定PLHR发生前后参数的变化情况。注意，这里所述的PLHR事件发生前的变化，指的是轨道OR相比于OR-1的变化，由于OR-1与OR相差十数天的重访周期，而实际上在轨道OR上已经探测到PLHR，而PLHR是在重访周期之内发生的，故PLHR发生前的变化指的是PLHR发生时(OR)相比于没有发生(OR-1)的变化，而PLHR发生后的变化指的是PLHR结束以后(OR+1)相比于发生时(OR)的变化。根据这些重访轨道上是否存在Burst模式探测数据，并结合中国空间PLHR事件的特点，将133例PLHR事件归为以下3类。
1) 独立发生即相邻重访轨道上没有PLHR事件，且其前后各3个重访轨道上存在Burst模式探测数据的事件。对于此类事件，直接提取其自轨道与重访轨道的探测数据进行分析。
2) 在连续多个卫星重访轨道上的相同位置均有PLHR事件，将这些事件归为一类新事件。利用这些重访轨道探测数据的平均值作为新事件的自轨道数据，然后提取重访轨道的数据进行分析。
3) 除了上述2类事件以外的其他事件，对这类事件不做分析。
经过上述分类后，第1类共有56例事件；第2类共有50例事件，合并后为16例事件；第3类共有27例事件。本文仅对第1类、第2类总计72例事件开展研究。
2.2 分析实例以下利用自轨道与重访轨道综合对比的方法研究某例PLHR事件发生前后电离层电子投掷角和电子通量变化趋势。
图 1(a)为2010年2月13日在河南省新乡市上空探测到的一例PLHR事件的电场强度时频功率密度谱，从图中可看到在4 150、4 250、4 350、4 450 Hz处有4条间隔为100 Hz的PLHR谱线。横坐标上用2个红色‘×’标出了谱线比较明显的持续时间，即PLHR持续发生的时间。图 1(b)为该事件自轨道的电子投掷角以及电子通量的变化。投掷角随纬度下降平稳增大。电子通量时能谱图中的空白代表卫星在对应时间和对应能量通道上未采集到电子通量。
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| 图 1 典型PLHR事件自轨道高能电子变化 Fig. 1 Energetic electron variation of a typical PLHR event in its self-orbit |
图 2为该例事件自轨道与前后重访轨道探测数据的对比。图中分别用绿色、红色和蓝色表示PLHR事件发生前一周期重访轨道OR-1，事件发生的自轨道OR和事件发生后两周期重访轨道OR+1的探测数据。图 2(a)为投掷角变化趋势对比，可看出3条轨道投掷角变化趋势基本一致，且三者在PLHR发生范围内相差也不大。图 2(b)为重访轨道间3个能带的电子通量变化情况对比，除了高能带电子通量由于采样数据不完整导致没有明显变化趋势外，中、低能带的电子通量具有大体一致的趋势。
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| 图 2 典型PLHR事件自轨道与重访轨道的投掷角和电子通量的对比 Fig. 2 Comparison of pitch angle and electron flux between self-orbit and revisiting orbits of typical PLHR event |
重访轨道之间利用其在PLHR发生范围内的参数平均值进行比较。轨道OR相比于OR-1的变化为PLHR发生前的变化，轨道OR+1相比于OR的变化为PLHR发生后的变化。为了量化变化趋势，定义投掷角变化若小于0.05°则为无变化，电子通量变化若小于3个轨道相应参数平均值的10%，则为无变化。表 1为该例事件的4项参数在PLHR发生范围内的平均值以及PLHR发生前后的变化情况。
| 高能电子参数 | OR-1 | OR | OR+1 | PLHR发生前 | PLHR发生后 |
| 投掷角/(°) | 81.871 | 81.861 | 81.874 | 不变 | 不变 |
| 低能带电子通量/(cm-2·s-1·sr-1·keV-1) | 0.054 01 | 0.054 57 | 0.067 02 | 不变 | 增大 |
| 中能带电子通量/(cm-2·s-1·sr-1·keV-1) | 0.008 06 | 0.007 69 | 0.007 52 | 不变 | 不变 |
| 高能带电子通量/(cm-2·s-1·sr-1·keV-1) | 0.000 564 | 0.001 576 | 0.002 875 | 增大 | 增大 |
3 PLHR对电离层高能电子的影响 3.1 统计结果
表 2是按照表 1的方法对72例事件的重访轨道在PLHR发生前后的投掷角和电子通量变化情况的统计结果。表 2中的数字表示事件的个数，从表中可以看出中能带的电子通量在PLHR发生前和发生后均倾向于不变的趋势，而高能带电子通量变化在PLHR发生前后一致，通量增大和减小的事件分别占总事件数的43.1%和47.2%，并无明显偏好。
| 变化趋势 | 投掷角 | 低能带电子通量 | 中能带电子通量 | 高能带电子通量 | |||||||
| PLHR发生前 | PLHR发生后 | PLHR发生前 | PLHR发生后 | PLHR发生前 | PLHR发生后 | PLHR发生前 | PLHR发生后 | ||||
| 不变 | 61 | 61 | 21 | 23 | 44 | 50 | 7 | 7 | |||
| 增大 | 10 | 4 | 16 | 27 | 15 | 9 | 31 | 31 | |||
| 减小 | 1 | 7 | 35 | 22 | 13 | 13 | 34 | 34 | |||
低能带电子通量在PLHR发生前倾向于出现减小的趋势(表 2的35比16)。在这35例低能带电子通量减小的事件中，投掷角增大的有6例，没有投掷角减小的事件，在PLHR发生后低能带电子通量继续减小的有9例，增大的有12例，保持不变的有14例，没有明显的趋势偏好。另外，投掷角在PLHR发生前和发生后发生变化的事例虽较少，但PLHR发生前有较大变化的投掷角均倾向于增大的趋势(表 2的10比1)。在这10例PLHR发生前投掷角增大的事件中，发生后有4例投掷角出现了减小的现象，1例为继续增大，说明较多的PLHR发生时投掷角会出现峰值。这10例投掷角增大的事件当中，有6例伴随着低能带电子通量减小，3例电子通量增大。
这种投掷角增大和低能带电子通量减小的现象可能是由于PLHR在哨声模传播过程中在地磁赤道区域上空与电子发生回旋共振波粒耦合作用，加速其中的电子，使电子的投掷角增大，从磁镜运动中溢出，导致在中国上空探测到的电子通量减小，但是这种变化趋势并没有完全占主导。波粒相互作用要求电磁波频率、带宽、电子能量、投掷角范围、磁壳层满足严苛的共振条件[20]，对于给定的波，需在满足一定当地磁场的条件下，只能与能量及投掷角在特定范围(敏感范围)内的电子发生共振作用。
从对高能电子参数的统计结果来看，投掷角显著改变的情况仅偶尔出现，并以增大为主，且增大幅度有限(均在10°以内)，其对应的赤道投掷角未必落入损失锥，所以探测到的电子通量变化趋势与投掷角之间并无明显关联。不同于研究地震、人工VLF发射站等对电离层的影响，PLHR具有强度低、频带窄、同步探测手段少、无预知性、发生空间和时间离散等特点，故本文建立在统计分析的基础上。尽管如此，统计出的影响仍是概率表现，且没有出现一种完全占主导的变化趋势，有可能是影响并不显著，也有可能是样本集较小且集中于中国空间的原因，同时不能排除其他因素包括环境因素及卫星探测仪自身因素的干扰。
3.2 PLHR发生前投掷角增大和低能带电子通量减小实例对于PLHR发生前投掷角增大和低能带电子通量减小的现象分别举2例事件进行说明。图 3是2009年2月11日轨道号为246730的PLHR事件，图 3(b)为该事件前后各3个重访轨道的投掷角事件发生范围内的变化。类似地，图 3(c)为3个能带电子通量的变化。在PLHR发生前，出现了明显的投掷角增大的现象，而且伴随着低能带电子通量的明显变化，而在PLHR发生后的轨道投掷角和低能带电子通量回到了原来水平。
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| 图 3 轨道号为246730的PLHR事件的投掷角和电子通量的变化 Fig. 3 Variation of pitch angle and electron flux of PLHR event on orbit 246730 |
图 4是2007年5月4日轨道号为151390的PLHR事件电子通量对比图。由图可见，在PLHR发生轨道相比于PLHR发生前的重访轨道低能带电子通量明显下降，同时高能带的电子通量也有下降。而PLHR发生后的重访轨道的电子通量上升。
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| 图 4 轨道号为151390的PLHR事件的电子通量对比 Fig. 4 Electron flux of PLHR event on orbit 151390 |
这2例分别展示了PLHR发生前的投掷角增大和低能带电子通量减小的情况。投掷角的明显增大可能与低能带的电子通量变化密切相关，很有可能是PLHR的出现造成的这种变化。
4 结论本文对72例PLHR事件发生时以及前后的自轨道和重访轨道的投掷角和电子通量变化趋势进行统计分析，结果表明：
1) 大部分事件显示出PLHR发生前和发生后投掷角变化不大；在极少数PLHR发生前投掷角有变化的事件中，投掷角更倾向于出现增大的趋势，并伴随低能带电子通量的显著变化。
2) 中能带和高能带的电子通量在PLHR发生前和发生后均没有表现出变化的偏向性，而低能带电子通量在PLHR发生前倾向于出现减小的趋势。
经过统计分析，PLHR发生前投掷角增大和低能带电子通量减小这2种趋势较明显，可能是PLHR产生的影响，但并不能排除其他因素或随机结果的影响。与VLF发射站信号产生的明显投掷角增大和电子沉降相比，PLHR由于强度较弱及随机出现性并未观测到明确的趋势。而由于投掷角增大和低能带电子通量减小的情况均出现在PLHR发生前，也可能是电离层高能电子状态的变化导致PLHR更容易被探测到。
致谢 感谢法国国家空间科学中心(CNES, https://cdpp-archive.cnes.fr/)提供DEMETER卫星数据下载服务。
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