高低緯地區電離層擴展F暴時特性比較研究

陶 偉 史建魁 王國軍 G.Zherebtsov O.Pirog A.Stepanov

(1.中國科學院空間天氣學國家重點實驗室，北京 100190； 2.中國科學院研究生院，北京 100049；3.俄羅斯科學院西伯利亞分院日地物理研究所，伊爾庫斯克；4.俄羅斯科學院宇宙與高層大氣物理研究所，雅庫斯克)

1.引 言

電離層擴展F(SF)是電離層中經常出現的一種現象[1]，SF特性及其物理機制一直是電離層物理研究中的主要問題之一。由于SF對通過電離層傳播的電波信號有著強烈影響，如對信號產生折射，反射，吸收以及改變電波信號的幅度和相位，造成電波信號的時延等[2-3]，這對諸如GPS導航定位，以及星地和星間通信等無線電系統的正常運行都會帶來嚴重的影響。因此，研究SF的特性及其發生和發展的規律等具有重要科學和應用意義。

有作者根據探測數據分析對低緯地區的擴展F進行了研究，內容包括SF發生率的日變化、季節性變化和經度差異，SF對太陽活動的響應以及SF與中性大氣的關系[4-5]。對SF在磁暴條件下的特性研究也已經經歷了半個多世紀，并取得了很多結果[6-7]。在高緯電離層，極區開放磁力線將高緯電離層和外磁層緊密聯系起來，這使得高緯SF現象的形態更為復雜。在近磁極地區，冬季的白天和夜間SF現象經常存在；夏季里，它的出現在晚上仍保持很高頻次，而在正午只有50～60%[8-9]。太陽活動對于高緯電離層SF也有重要影響[10]。

但對于有關高低緯地區電離層SF現象的對比研究，目前還未看到有論文發表。因此，本文利用三個處于不同高低緯地區臺站的SF數據，對6個磁暴期間電離層SF現象進行對比分析，并得到了一些有意義的結果。

2.臺站、儀器和數據選取

文中利用位于Hainan(海南)、Yakutsk、Zhigansk的DPS-4垂測儀的電離圖來提取SF的類型及其發生和持續時間等信息。并根據SF描跡的特點，將其分為四類，分別是：頻率型擴展F(FSF)，區域型擴展F(RSF)，混合型擴展F(MSF)，奇異型擴展F(BSF)[11]。由于在低緯度的海南區域，還觀測到與赤道等離子體泡有關的強區域型擴展F(SSF)現象。這種類型擴展F的特點是其彌散回波延伸到了F2層臨界頻率以上，使得foF2難以判定，且持續時間超過一個小時[12-15]，因而又把SSF從RSF中提取出來作為一種獨立類型進行專門分析。

我們選取了2006年的6個磁暴分別對3個臺站所觀測到的SF現象的特性進行了分析，并對不同臺站SF特性進行了對比分析。所選取的6個磁暴分別為：1)3月6日至8日，Dst最小值為-40 nT；2)4月4日至6日，Dst最小值為-87 nT；3)4月9日至11日，Dst最小值為-80 nT；4)4月14日至16日，Dst最小值為-111 nT；5)7月27日至29日，Dst最小值為-47 nT；6)8月19日至21日，Dst最小值為-71 nT.

所選的3個臺站分別位于海南(Hainan)，雅庫斯克(Yakutsk)和日甘斯克(zhigansk)。它們的地理緯度、經度、地磁緯度如表1所示。

表1 文中所用到的三個臺站的位置

3.特性分析與討論

本工作對6個磁暴期間不同臺站SF現象出現的起始時刻、持續時間以及其他的有關特性進行了研究。

圖1給出了2006年3月4-10日期間高低緯地區電離層SF的發生情況。圖中橫坐標是世界時，從3月4日零時到3月10日24時止，縱坐標為Dst值，圖中藍色曲線表示Dst指數。從上往下依次分別表示Zhigansk、Yakutsk和Hainan臺站發生的SF現象。不同顏色的色塊表示不同類型的SF(表示方式見右側圖例)，色塊左邊界表示SF開始發生的時刻，右邊界表示SF結束時刻，寬度對應SF的持續時間。

從圖1可以看到：在3月6日至8日磁暴期間，高緯的兩個臺站(Zhigansk和Yakutsk)均觀測到了SF現象。從SF出現和持續時間上看，這兩個臺站的SF主要在夜間發生，Yakutsk觀測到了更多的SF現象。Zhigansk出現SF現象的時間段開始出現分散：不僅在夜間，在3月7日的下午17：30至18：15LT和3月8日的上午08：15至12：00LT也有SF現象出現(圖1中十字星型所示時間段)。

磁暴發生前，即3月4日至5日，三個臺站也都觀測到了SF現象。從整體上來看，三個臺站的SF也都主要發生在夜間，高緯臺站SF的發生率要高于Hainan站。而Hainan在3月4日21：30LT至22：30LT出現了SSF。

磁暴后的3月9日至10日，高緯兩個臺站的SF現象仍然主要發生在夜間，而Hainan沒有出現SF現象。

可以看出：高緯地區SF現象也主要在夜間發生，其中Yakutsk臺站SF現象的出現比Zhigansk和Hainan更為活躍。另外從三個臺站SF現象出現的起始時間來看，臺站緯度越低，SF現象的起始時刻越晚。

圖2給出了2006年4月1-8日期間高低緯地區電離層SF現象的出現情況。圖2與圖1的表示方法完全一致。

從圖2中，仍然可以看出：在這次磁暴期間相比更高緯度的Zhigansk和低緯的Hainan站，在SF現象發生率和持續時間方面，Yakutsk依然是最活躍的；無論在高緯還是低緯臺站，SF現象發生的時間范圍依然主要是在夜間，并且臺站緯度越低，SF現象的起始時刻越晚。

從圖2中還可以看到，在4月5日的夜晚，Yakutsk和Hainan都出現了SF現象，而相比緯度較高的Zhigansk當天卻沒有SF現象發生。由于Zhigansk在這之前和之后幾天均有SF現象發生，且當晚頻高圖上的回波描跡非常微弱有時甚至沒有描跡，因此可以推測4月5日Zhigansk沒有觀測到SF現象，其原因在于這次磁暴使得該區域電離層吸收率上升致使電波被完全吸收，而并不是沒有SF現象發生。Hainan站在4月5日午夜前后出現了持續約6小時的與赤道等離子體泡有關的SSF現象。暴后的4月7日午夜，Hainan再次出現了短時的SSF現象。

對其他4個磁暴期間的SF現象也進行了分析，得出的結果與上面2個磁暴期間分析所得結果一致，因而在此不再贅述。

在高緯臺站，雖然未在這幾次磁暴期間觀測到奇異型擴展F(BSF)現象，但在對高緯臺站非磁暴期間的數據分析中，我們找到了奇異型擴展F現象。

通過長期探測，發現在Hainan站，SF現象通常出現在夜間，主要出現在20：00LT-04：00LT，而白天很少觀測到SF現象。但是，通過對這6個磁暴期間SF現象出現的時間分析，我們發現：在Zhigansk，不僅夜間，白天也可以產生SF現象。圖3給出了這六次磁暴期間Zhigansk所觀測到的SF現象時間分布圖。

圖3中橫坐標是當地時1時至24時，縱坐標為出現SF現象的累計時間，即表示6次磁暴期間(共46天)在每個時段內觀測到的SF現象的累計時長。從上往下依次是初相、主相以及恢復相期間Zhigansk臺站觀測到SF現象的時間分布情況。

圖3 六次磁暴期間Zhigansk臺站擴展F時間分布圖

從圖3中可以看出：在初相期間白天沒有觀測到SF現象(圖中豎線之間時段為白天)，而在這6次磁暴的主相和恢復相期間，白天都有SF現象出現。主相期間白天出現的SF現象多于恢復相期間。這說明了這幾次磁暴對Zhigansk臺站白天SF現象的發生有激勵作用。

在磁暴期間，擾動的太陽風壓縮了磁層，強大的電場沿著磁力線映射到高緯電離層，繼而向低緯電離層滲透。由于粒子沉降產生的極光加熱所導致的熱層風會改變全球環流圖案，結果通過電離層發電機作用驅動中低緯地區產生附加電場[16-17]。這兩種不同時間尺度的電場機制與赤道向傳播的電離層擾動綜合起來對電離層等離子體穩定性增長以及SF現象的發生產生影響，因此，最終可能導致了高低緯度電離層SF起始時刻的延遲。

為了更加清楚地分析高低緯臺站觀測到的SF現象起始時刻的時延，對這6個磁暴期間三個臺站每天觀測到的SF現象起始時刻進行了分析。在不同臺站之間對比SF現象起始時刻時，若在該日多個時間段都有SF現象出現，則只對兩臺站出現的同類SF進行分析；若沒有同類SF現象，則提取緯度較低臺站最先出現的SF進行分析。我們關心的是擾動沿經線的赤道向傳播，定義SF的時延Δt=較低緯度臺站的起始時刻-較高緯度臺站起始時刻。

圖4給出了不同臺站的SF現象起始時刻時延分析圖，其中A對應于0h<Δt≤1h，B對應于1h<Δt≤2h，C對應于2h<Δt≤3h，D對應于Δt>3h.

圖4 左圖：Zhigansk站與Yakutsk站； 右圖：Yakutsk站與Hainan站

從圖4中可以看到：高緯兩個臺站之間的時延主要為Δt<2 小時，而Yakutsk與Hainan站的時延主要為Δt≥2小時。由于垂測儀時間分辨率為15 mins，故剔除時延小于15 mins的數據并結合三個臺站的地理緯度以及電離層F層高度，計算出擾動在Yakutsk與Hainan站之間傳播平均速度約為502 m/s，這與文獻[18-19]中計算出的電離層擾動傳播的速度范圍(400～700 m/s)符合得很好。計算這六個磁暴期間從Zhigansk傳播到Yakutsk的擾動傳播速度范圍是32～279 m/s.這與文獻[18]的計算結果存在差異。在文獻[18]中，400～700 m/s的電離層擾動傳播速度，是在中緯度地區相距幾百千米的幾個地方進行觀測得到，而Zhigansk與Yakutsk處于高緯度地區，因此，電離層擾動傳播速度的緯度分布需要進一步地研究。

在地磁平靜的夜晚期間，Zhigansk臺站處于電離層槽區域[20]，而在地磁擾動條件下，電離槽逐漸向低緯地區移動，當電離槽的極向邊界逼近Zhigansk時，這個區域的電離層對電波的吸收作用開始增強，相對應的是電離圖上的描跡減弱甚至消失。這可能是Zhigansk在磁暴期間觀測到的SF現象發生頻次低于Yakutsk的原因。而主相期間Zhigansk白天的SF現象開始活躍這可能是來自極區電離層擾動的傳播在這期間存在一個優勢方向，傳播途經Zhigansk，激發了這個區域的SF現象的發生，這將在今后的工作中結合TEC的數據分析以及其他的電離層擾動觀測數據來深入分析。低緯的Hainan站存在強區域擴展F現象，這與穿透電場以及赤道區域等離子體電子密度梯度以及風場，Hainan的地磁偏角等局地參數有關。

4.結 論

本文利用Zhigansk，Yakutsk和Hainan三個臺站的DPS-4電離層數字垂測儀在2006年6個磁暴期間的SF觀測數據，對磁暴期間高低緯地區電離層SF現象進行了分析，主要結果如下：

1) 高緯地區SF現象也主要在夜間發生，發生的時間段基本處于20：00LT至午夜。但是對于高緯的Zhigansk，不僅在夜間，上午和下午均可以產生SF。值得注意的是，磁暴對于Zhigansk白天的SF現象發生率似乎具有促進作用，尤其是在主相期間。

2) 高緯度地區Yakutsk臺站SF現象的活躍程度最高，Zhigansk站次之；低緯度地區的Hainan站最低。

3) 無論在磁暴期間還是在平靜期間，三個臺站SF現象出現的起始時刻隨著臺站緯度的降低而推遲，高緯兩個臺站之間的時延主要為Δt<2h，而Yakutsk與Hainan站的時延主要為Δt≥2h.

4) 在這幾次磁暴期間，Hainan站觀測到了與赤道等離子體泡有關的SSF現象，而高緯臺站從未觀測到SSF現象。另外，在高緯地區，可以觀測到BSF現象，而在Hainan從未觀測到BSF現象。

從高緯到低緯，SF開始出現的時間隨緯度降低而推遲。這似乎說明，產生SF的電離層擾動首先從高緯地區發生，然后逐漸向低緯傳播，關于其具體物理過程，需要進一步的探測和理論研究。

以上結果主要是針對東亞扇區高低緯地區電離層而言的，其意義在于通過事件的分析來探索暴時該區域電離層SF隨緯度變化的特性。并且初步得到了該區域電離層SF的一些特性。電離層SF是個復雜的電離層現象，其產生和演化的過程，與很多因素有關，因此，需要進一步的深入研究來了解。

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