地球物理学报  2013, Vol. 56 Issue (2): 365-373   PDF    
暴时低纬电离层不规则体响应特征的多手段观测
胡连欢1,2 , 宁百齐1 , 李国主1 , 赵必强1 , 吴宝元1 , 郝喜庆1     
1. 中国科学院地质与地球物理研究所 北京空间环境国家野外科学观测研究站, 北京 100029;
2. 中国科学院大学, 北京 100049
摘要: 2010年10月11日发生了一次中等强度的磁暴.本文利用三亚(18.4°N, 109.6°E)数字测高仪、VHF雷达和GPS TEC/闪烁监测仪数据以及120°E子午线附近我国漠河(53.5°N, 122.4°E)、北京(40.3°N, 116.2°E)和武汉(30.6°N, 114.4°E)的数字测高仪和GPS TEC/闪烁监测仪数据, 分析了磁暴期间我国中低纬地区电离层不规则体的响应特征.结果表明:这次磁暴触发了10月11日午夜前后两个时段低纬(三亚)电离层不规则体事件, 而在较高的纬度地区(武汉及以北), 并没有观测到电离层不规则体与闪烁.在午夜前, 电离层不规则体的发生受磁暴主相期间快速穿透电场激发; 在午夜后, 电离层不规则体受磁暴恢复相的扰动发电机电场触发, 该时段伴随行星际磁场北向翻转的过屏蔽穿透电场也可能是扰动源之一.此外, 磁暴期间不同尺度的电离层不规则体会伴随发生.
关键词: 磁暴      电离层不规则体      赤道扩展F      电离层闪烁      VHF雷达     
Multi-instruments observation of low latitude ionospheric irregularities response to Oct 2010 storm
HU Lian-Huan1,2, NING Bai-Qi1, LI Guo-Zhu1, ZHAO Bi-Qiang1, WU Bao-Yuan1, HAO Xi-Qing1     
1. Beijing National Observatory of Space Environment, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
2. 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: A moderate storm occurred on 11 Oct 2010. In this study, utilizing multi-instrument (Digisonde, VHF radar and GPS TEC/scintillation receiver) observations over Sanya, and the Digisonde and TEC/scintillation measurements at Mohe, Beijing, and Wuhan located along 120°E, the response characteristics of low and middle latitude ionospheric irregularities to the storm are investigated. Observational results show that F region ionospheric irregularities were triggered by the storm during post-sunset and post-midnight hours at Sanya, but it was not observed at higher latitude (Wuhan, Beijing and Mohe). During post-sunset hours, the ionospheric irregularities producing moderate scintillations were initiated by the prompt penetration electric field at the main phase of the storm. However, ionospheric irregularities observed during post-midnight hours were caused by the disturbance dynamo electric field at the recovery phase of the storm. The over-shielding electric field with the same polarity as disturbance dynamo could be another disturbance source. Ionospheric irregularities with different scales could occur simultaneously during the storm..
Key words: Storm      Ionospheric irregularities      ESF      Ionospheric scintillation      VHF radar     
1 引言

低纬和赤道地区电离层F层夜间存在着从数厘米到数百公里等不同尺度的不规则体, 它会引起电离层频高图的描迹发生扩散, 通常称之为赤道扩展F现象.穿透电离层传播的无线电波, 由于电离层不规则体的作用, 会出现信号幅度和相位的闪烁.一般认为Rayleigh-Taylor不稳定性是这种电离层不规则体产生和发展的机制[1].在过去数十年中, 对电离层不规则体的基本特性和动力学过程的观测研究取得了一系列重要进展, 但是对于电离层不规则体的逐日变化和暴时特性, 仍需要进行深入研究[2].

在磁扰动期间, 赤道和低纬地区电离层F层的电场、等离子体漂移和不稳定性均会出现复杂的变化[3].现在一般认为, 磁暴期间低纬电离层被两种主要的高纬度扰动源所控制.一个是磁层高纬度电场赤道方向的快速穿透引起的快速穿透电场, 另一个是高纬焦耳加热形成的全球热层风环流导致的电离层扰动发电机[2-6].磁暴事件分析表明, 这两种机制既可能促进也可能抑制电离层F层不规则体的发生. Li等分析了2004年7月磁暴期间不同经度电离层不规则体的响应, 发现美洲扇区的午夜前等离子体泡不规则体由快速穿透电场激发, 而东南亚扇区午夜后不规则体则可能是电离层扰动发电机与穿透电场共同作用的结果[7]. Abdu等研究了磁暴期间巴西扇区赤道电离层不规则体的响应, 发现1998年8月磁暴期间, 欠屏蔽和过屏蔽的快速穿透电场分别促进了日落后和午夜后等离子体泡的发展[8]; 而2001年3月磁暴期间, 日落后较强的过屏蔽电场却抑制了赤道扩展F现象的发生[9].

国内有关学者对我国低纬电离层不规则体的暴时特性已经开展了一些研究工作. Li等[10-11]、Xu等[12]和Shang等[13]分别利用武汉、海南的数字测高仪和GPS电离层闪烁数据研究了我国中低纬和赤道地区的电离层不规则体在强磁暴事件中的变化特征, 获得了一些重要结果.然而磁暴和电离层不规则体在时间和空间上都具有高度可变性, 因此探寻这两者之间的联系需要多台站和多手段的综合观测与研究[2].

最近几年, 在子午工程和中科院有关项目的支持下, 中国科学院地质与地球物理研究所在120°E子午线附近的漠河(53. 5°N, 122. 4°E)、北京(40. 3°N, 116. 2°E)、武汉(30. 6°N, 114. 4°E)和三亚(18. 4°N, 109. 6°E)相继建成了地磁仪、数字测高仪、GPS电离层TEC与闪烁监测仪、流星雷达和VHF电离层雷达等综合观测手段.本文利用该观测台链的多种观测数据, 研究了2010年10月11日磁暴期间电离层不规则体的响应特征.其中, 重点分析了低纬地区不同尺度的电离层不规则体的演变特性和扰动机制.同时, 还给出了磁暴期间电离层不规则体的纬度分布差异特征.

2 观测手段与数据

漠河、北京、武汉和三亚站运行的DPS4D数字测高仪是当今国际上最为先进的电离层垂直探测仪器, 能获取包含回波强度、多普勒频移、到达角和极化等信息的数字频高图, 并能实时度量反演获得电离层特性参数和电子浓度剖面.本文用到的电离层峰值高度hmF2和F2层临界频率foF2等特征参数, 采用SAO Explorer软件人工标定得到, 各参数的时间分辨率为15min.

雷达观测数据来自于三亚站VHF雷达.该雷达于2009年2月建成并投入运行, 是我国大陆首台VHF电离层相干散射雷达.具有电离层相干散射探测和全天空流星探测两种工作方式, 工作频率为47. 5 MHz, 发射功率24kW, 可以探测电离层中3m尺度的不规则体.通常, 在不同季节, 该雷达运行不同的相干散射工作程序.在2010年10月11日磁暴期间, 该雷达白天探测范围为80~200km, 高度分辨率900 m, 夜间探测范围为80~800km, 高度分辨率4. 8km, 时间分辨率均为2min[14-15].

GPS电离层TEC与闪烁数据来源于各观测站的GSV4004GPS电离层TEC与闪烁监测仪.它通过接收双频GPS信号分析获得电离层TEC, 并对GPSL1信号强度分析计算, 得到时间分辨率为1min的幅度闪烁指数和相位闪烁指数.为了避免低仰角卫星信号的多径效应, 本文只选取了仰角大于30°的GPS卫星观测数据.

行星际磁场IMF Bz指数来自CDAWEB发布的ACE卫星观测数据(http://cdaweb.gsfc.nasa.gov/), AEKpDst指数来自世界数据中心地磁指数发布网站(http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/wdc/expdata.html).

3 观测结果

图 1是2010年10月10日至12日的行星际环境参量和地磁活动指数的变化情况.在10月11日, 0800UT(LT=UT+8h)左右IMF Bz处于北向最大值, 随后30min内迅速翻转为南向, 并达到南向极大值, 在此之后的约10个小时中一直保持南向. Dst指数显示此时段正处于磁暴的主相, 其中在1000-1100UT时段, Dst指数的变化率dDst/dt达到最大, 为-25nT/h, 在1850UTDst指数达到最大值-80nT. 1810UT左右IMFBz又反转为北, 并在随后数小时中有数次的南北向往复翻转. Dst指数表明此时段磁暴正处于恢复相, AE指数在2100-2300UT记录到了幅度500nT的扰动, Kp指数降到4以下.从磁暴的强度来看, 这是一次中等强度的磁暴.

图 1 行星际环境参量和地磁活动指数 Fig. 1 Interplanetary environment parameters and geomagnetic disturbance index

数字测高仪作为电离层观测的重要手段, 常用于观测研究磁暴期间电离层的响应[16-18]. 图 2是120°E子午线附近漠河、北京、武汉和三亚4个观测站的数字测高仪观测的电离层峰值高度hmF2和F2层临界频率foF2的变化图.其中, 实线是10月11日磁暴当天的hmF2foF2变化情况, 虚线是地磁活动平静日的背景参考值, 采用的是当月地磁活动较为平静的2、10、14、21日电离层特征参数的平均值.从电离层峰值高度的对比图看, 白天, 磁暴当天与地磁平静日变化情况基本一致.在夜间, 地磁平静日除三亚站外其它台站均记录到了不同程度的反转增强.而10月11日1000-1200UT之间, 4个观测站都记录到了比地磁平静日更明显的电离层F层峰值高度抬升, 其中, 三亚和漠河站的抬升更为显著.在之后的1400-1600UT和1800-2100UT内, 磁暴当天各站电离层峰值高度均高于地磁平静日.而在1600-1800UT时段, 北京、武汉和三亚站电离层峰值高度开始快速下降, 并且低于当月地磁平静日水平.

图 2 2010年10月11日电离层峰值高度hmF2和F2层临界频率foF2的变化实线是10月11日的参数值, 点线是当月地磁平静日的背景参考值.灰色水平棒显示的是三亚数字测高仪记录到扩展F的时间. Fig. 2 Variation of hmF2 and foF2 on Oct 11, 2010 Solid line represents the parameter on Oct 11, dotted linerep resents the reference background value of geomagnetic quiet days in this month, gray horizontal bar indicates the periods of spread F recorded by Sanya Digisonde.

从电离层F2层临界频率看, 10月11日1600-1800UT时段, 三亚站数字测高仪均记录到了电离层临界频率的一次快速正相起伏.武汉站数字测高仪同样记录正相起伏, 但幅度不及三亚站, 而北京站和漠河站数字测高仪记录到的变化幅度更小.

需要指出的是, 三亚站1200-2215UT期间数字测高仪记录到了不同程度的扩展F现象, 这使电离层频高图标定时存在一定的误差, 但从与120°E子午线附近其它台站数据的一致性来看, 标定的结果整体上较准确地反映了三亚上空电离层的实际变化特征.

图 3给出了三亚站数字测高仪记录的夜间扩展F的演变过程.从日落后1200UT起, 开始记录到强烈的扩展F现象, 1245-1315UT之间, 扩展F现象有所减轻, 之后扩展F加强并一直持续到午夜1600UT.这一阶段的强烈扩展F的特征是:电离层频高图除在高度上扩展之外, 回波描迹可远高于当地电离层F2层临界频率. Shi等[19]将这种现象作为传统距离扩展F(RSF)和频率扩展F(FSF)之外一种独立的扩展F类型, 称为强烈扩展F(SSF).此后, 扩展F现象逐渐减弱, 但从1945UT开始, 又出现了明显的距离扩展F(RSF)现象, 一直持续到日出前2215UT.在此次磁暴期间, 三亚低纬电离层在日落后和午夜后分别出现了两种不同类型的扩展F现象, 表明可能存在着不同的扰动机制.

图 3 2010年10月11日三亚站数字测高仪记录的扩展F演变过程(电离层频高图观测时间均为世界时) Fig. 3 Evolution of equatorial spread F recorded at Sanya on Oct 11, 2010 (The time label of ionogram is universal time)

图 4是VHF雷达观测的电离层不规则体回波的强度和多普勒速度随时间和高度的分布图.在磁暴主相发生的前两天(9日, 10日)和后两天(12日, 13日), 雷达都没有记录到电离层F层不规则体.而从图 4b显示的2010年10月11日夜间的雷达回波RTI分布图来看, 从1150UT开始, 雷达记录到了较强的电离层不规则体回波, 这一现象一直持续到1330UT, 距离从200 km到500 km.而1400-1540UT之间, 300~450km的距离内探测到了电离层不规则体回波, 这与三亚站数字测高仪记录到的强烈扩展F(SSF)现象时间段基本一致.而午夜后2000-2140UT之间, 又记录到了F层不规则体, 但不规则体回波的强度已明显弱于午夜前, 这也与数字测高仪所记录到的午夜后距离扩展F(RSF)同步.从图 4c所示的2010年10月11日夜间雷达回波多普勒速度看, 羽毛状结构的开始阶段多普勒速度主要为正, 表明不规则体向上漂移, 随着时间的推移, 多普勒速度逐渐变小, 在较低的高度上, 不规则体已基本呈现负的多普勒速度, 不规则体向下漂移.而午夜后(2000-2130UT)的不规则体多普勒速度基本为50m/s, 不规则体向上漂移.

图 4 三亚VHF雷达记录到的电离层不规则体 (a)是2010年10月9日至13日的雷达回波强度随距离和高度的变化图(RTI), (b)是2010年10月11日夜间的RTI图, (c)是2010年10月11日夜间的雷达回波多普勒速度随距离和高度的变化图(RTV). Fig. 4 Irregularities recorded by Sanya VHF radar Panel (a) shows radar Range-Time-Intensity (RTI) map during Oct 9 to Oct 13 of 2010, panel (b) shows radar RTI map at the night of Oct 11, 2010, panel (c) shows radar Range-Time-Velocity (RTV) map at the night of Oct 11, 2010.

图 5是磁暴期间三亚、武汉、北京的GPSTEC与电离层闪烁观测结果.在磁暴主相发生的前一天(10月10日)和后一天(10月12日), 三亚站GPS TEC/电离层闪烁监测系统没有记录到较强的L波段电离层闪烁.而在磁暴主相当天(10月11日)记录到较强的夜间电离层闪烁与TEC起伏.从1140UT开始记录到了较强的电离层闪烁, 一直持续到1500UT, 这与午夜前数字测高仪记录到的扩展F和VHF雷达记录到的不规则体回波的发生时间同步.其中在1200UT和1440UT附近, 出现了闪烁的极大值, 午夜后1630到1700UT之间, 又记录到了电离层闪烁, 但强度不如午夜前时段, 这一时段三亚站数字测高仪和VHF雷达没有记录到强的电离层不规则体, 但是电离层F2层临界频率有一次明显起伏.从GPS TEC观测结果看, 虽然夜间电离层TEC总体呈现下降趋势, 但在记录到电离层闪烁的时段里(1200-1300, 1400-1500, 1600-1700UT), TEC都有明显的起伏, 与电离层闪烁呈现明显的正相关.

图 5 GPSTEC/电离层闪烁监测系统记录到的电离层闪烁指数S4与TEC变化情况 Fig. 5 Variation of ionospheric scintillation index S4 and TEC recorded by GPS TEC and scintillation monitor

从电离层闪烁发生的纬度范围看, 仅低纬的三亚站记录到L波段电离层闪烁, 而较高纬度的武汉和北京均未有记录.表明中等磁暴期间, 电离层闪烁主要发生在较低纬度地区.

4 讨论

多种手段综合观测表明, 10月11日磁暴期间海南上空电离层不规则体经历了复杂的变化过程.根据磁暴的不同相位和电离层不规则体的响应特征, 可以将此次事件划分为以下几个阶段:

1000-1200UT时段, 4个台站数字测高仪都记录到了日落后电离层F层的快速抬升, 此时段内行星际磁场Bz分量转为南向, Dst指数快速下降, AE指数快速增强, 磁暴处于快速增长阶段. Li等认为, 快速穿透电场的穿透时刻与Dst达到最大变化率的时刻同步[11].东向的快速穿透电场引起等离子体向上的E×B漂移, 从而导致日落后电离层F层的快速抬升.

1200-1600UT时段, 三亚数字测高仪、VHF雷达和GPS电离层TEC/闪烁监测仪均记录到了较长时间和基本同步的电离层不规则体.日落后发生的东向快速穿透电场促进了电离层反转增强过程, 从而激发了各种尺度的电离层F层不规则体. Fejer等[20]统计了各种扰动电场对等离子体垂直漂移影响的季节与地方时变化特性. Abdu则总结得出:欠屏蔽快速穿透电场在地方时日落至午夜前倾向于触发F层电离层不规则体, 而在午夜后至日出前, 倾向于抑制不规则体的发生.电离层扰动发电机电场在日落后至午夜前, 倾向于抑制F层不规则体, 而在午夜后至日出前, 倾向于触发F层不规则体.过屏蔽电场对电离层不规则体的影响随地方时的变化特性与电离层扰动发电机的影响效果基本一致[6].

电离层频高图上反映的扩展F, 其不规则体尺度可为数米到数十公里.三亚VHF雷达探测的不规则体尺度约为3m.而引起L波段电离层闪烁的不规则体尺度为几百米.三种手段同步记录到的电离层不规则体现象表明, 午夜前电离层F层各种尺度的不规则体可伴随着发生.在Rayleigh-Taylor机制的作用下, 电离层F层底部较低密度的等离子体非线性上升到电离层顶部, 形成几公里到几百公里尺度的沿磁场方向的等离子体泡不规则体, 同时, 在其它不稳定机制如二次梯度漂移的作用下, 大尺度场向电离层不规则体可以演化为米级尺度[6].

1600-1800UT时段, 磁暴达到主相的极大值(Dst=-80nT), AE指数从750nT快速增强到1500nT, 三亚电离层强烈扩展F现象逐渐消失, 数字测高仪记录到了hmF2快速负相起伏和foF2的快速正相起伏, VHF雷达没有记录到不规则体回波, 但是GPSTEC/电离层闪烁监测系统却记录到了中等强度的电离层闪烁.统计结果表明, 海南上空电离层闪烁通常发生于分点季节的日落至午夜前时段, 午夜后闪烁的发生率较低[21].在10月11日1700UT左右, 随着电离层F2层临界频率的快速增大, 海南上空电子浓度增长到午夜前的水平, 过程中可能还伴随着电子浓度的快速随机起伏, 这些都有利于电离层闪烁现象的发生. Basu等在两次磁暴期间的午夜前后均观测到电离层不规则体, 进而推测磁暴期间午夜前变得不稳定的背景电离层, 在午夜后再次趋于不稳定的可能性将大大增加[4].本文的结果支持这一观点.

1945-2215UT时段, 行星际磁场Bz有数次的南北向往复翻转, 磁暴处于恢复相.从AE指数看发生了一次亚暴, 太阳风能量注入到极区, 产生了电离层扰动发电机电场, 形成向上的E×B等离子体漂移, 促进了午夜后的电离层不规则体发展.数字测高仪记录到的距离扩展F(RSF)和VHF雷达记录到的向上漂移的电离层不规则体则是这一效应的体现.而午夜后过屏蔽电场与电离层扰动发电机电场有相同的极化方向, 也有可能是产生电离层不规则体的原因之一.在此时段中, 虽然观测到明显的距离扩展F和VHF雷达回波, 但未记录到较强的电离层闪烁与TEC扰动, 这与Li等[15]在赤道地区的观测结果一致.当存在大尺度以及米级尺度不规则体时, 这种百米尺度不规则体的缺失可能和太阳活动性有关.太阳活动上升年的午夜后, 在较低的背景电离层电子浓度条件下, 即使存在电离层不规则体, 也不足以引起较强的L波段信号闪烁[4].

从GPS电离层闪烁发生的纬度范围看, 电离层闪烁主要发生在较低纬度地区, 在较高纬度台站未记录到电离层闪烁.而Basu等在1999年9月和10月的强磁暴期间在40°N都记录到了电离层闪烁现象[4].虽然中等强度磁暴期间的快速穿透电场能够促进日落后的反转增强和等离子体漂移, 但其电场强度却低于大磁暴期间的穿透电场.而在太阳活动上升年, 背景等离子体密度较低, 当等离子体泡上升到与背景等离子体密度较为接近的高度时, 将停止向上漂移并制约沿磁力线的扩展.

5 结论

利用三亚站数字测高仪、VHF雷达和GPSTEC/电离层闪烁监测仪数据以及120°E子午线附近的漠河、北京和武汉站的数字测高仪数据, 本文分析研究了2010年10月一次中等强度磁暴期间我国低纬电离层不规则体的响应特征.结果表明:受中等强度磁暴的触发, 在10月11日午夜前后两个时段低纬地区出现了电离层不规则体, 但在三亚以北的高纬度地区, 并没有观测到明显的扩展F、TEC扰动和电离层闪烁.分析显示在三亚观测的两次电离层不规则体事件具有不同的扰动源.在午夜前, 磁暴主相期间的东向快速穿透电场促进了电离层反转增强过程, 激发了低纬电离层不规则体.在午夜后, 磁暴恢复相期间的东向电离层扰动发电机电场与过屏蔽穿透电场可能对午夜后电离层不规则体的产生发挥着主要作用.此外, 在此次磁暴期间, 数字测高仪、GPSTEC/闪烁监测仪和VHF雷达在午夜前均观测到电离层不规则体, 表明不同尺度的不规则体同时发生; 而在午夜后, 数字测高仪和VHF雷达观测到距离扩展F以及3m尺度回波, 但没有明显TEC扰动和电离层闪烁, 可能与太阳活动低年极低的电离层背景电子浓度相关.

致谢

本文部分数据来自于国家重大科技基础设施子午工程.

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