太陽活動對赤道電離層閃爍影響的初步研究

方涵先 楊升高 翁利斌 汪四成 徐振中,2

(1.解放軍理工大學氣象學院，江蘇 南京 211101; 2.中國人民解放軍66011部隊，北京 102600)

引 言

電離層閃爍是由電離層中電離介質不均勻性引起的[1]。當電磁波穿越電離層傳播時，由于電離媒質中不規則結構的影響，電波屬性如幅度、相位和到達角隨時間產生隨機起伏[2]，給地空通信、衛星導航帶來一定影響，有時甚至使系統短時間失鎖[3]。電離層閃爍現象具有較強的時間和緯度變化特征[4]。據統計研究，閃爍主要是一種夜間現象，與擴展F密切相關，它們都由電離層不規則結構引起，特別是增強型距離擴展F(SSF)與赤道閃爍有相似的發生機制[5]。而白天偶有閃爍發生，是偶發E層作用的結果[6]。閃爍活動主要集中在磁赤道和磁高緯地區，中緯地區閃爍活動表現平靜，其中，以磁赤道南北緯15°的兩條帶內閃爍發生率最高，影響最為嚴重[7]。

赤道閃爍的發生，一般認為是瑞利-泰勒不穩性作用的結果[8]。在東向背景電場E×B作用下，F層快速上升，F層峰值高度也隨之抬高，又由于日落后E層的復合消失，使得F層底部背景電子密度梯度變得陡峭。在適當情況下，某種流體型梯度密度不穩定性[9]，引起等離子體密度波動，在底部形成密度衰減區域(電離層泡)。這些電離層泡在極化電場E×B作用下，非線性向上抬升至F層頂，引起電子、離子密度的不規則波動，便導致了日落后閃爍的發生。

太陽活動是一切空間天氣的源頭，太陽變化的紫外(UV)、極紫外(EUV)和X射線輻射，連同來自耀斑和日冕物質拋射(CME)的高速帶電粒子、具有方向不斷變化的磁場的太陽風直接或間接作用于地球大氣，就會產生一系列復雜多變的空間天氣現象[10]。因此，電離層閃爍現象的發生與太陽活動也固然存在某種相關性。太陽射線的電離作用使電離層產生電離介質，形成電離層等離子體背景，伴隨著太陽活動日、季、年以及11年周期變化，等離子體背景會發生相應響應，這樣就會對瑞利-泰勒不穩定性增長產生不同程度影響，從而使閃爍呈現出某些變化規律[6]。

關于太陽活動對電離層閃爍的影響，許多學者都作過理論研究和統計分析。SHI[5]等人利用海南站(109.1E,19.5N)2003年至2007年的DPS-4型測高儀和電離層閃爍監測儀數據，分析了太陽活動高年到低年SSF和電離層閃爍的關系，結果表明：電離層閃爍發生率與SSF發生率最值幾乎出現于相同月份，兩者變化趨勢表現出一致性，相關系數高達0.93.E.S.Babayev總結多年觀測結果，理論分析了太陽活動對閃爍的影響[6]。尚社平、史建魁[4, 11]等利用空間中心海南站全球定位系統(GPS)閃爍監測儀觀測資料，分析了海南地區L波段春秋分、太陽活動下降期間電離層閃爍特性。馮建、甄衛民[12]等利用海南站L波段電離層閃爍監測儀數據(2003.8～2007.5)，分析了太陽活動低年的閃爍特征。

利用太陽活動高年至低年間閃爍數據，進行赤道地區閃爍形態特征對比分析，對于進一步認識該地閃爍發生規律、建立區域預報模型有重要意義。但這些理論分析及統計結果還不夠完善，由于數據量所限，閃爍的統計研究大都集中于季節、地方時特征的分析上，對于閃爍隨太陽活動周變化、太陽活動影響閃爍的機制研究較少。本文利用世界數據中心提供的Vanimo站太陽活動高年到低年(2000～2009)閃爍數據，對比分析了太陽活動高年、低年幅度閃爍形態特征，并在此基礎上，對閃爍與太陽黑子的相關性進行統計研究，初步探討了太陽活動對閃爍的影響機制。

1. 數據來源

本文數據來源于世界數據中心提供的Vanimo站(Lat：2.7°S，Long：143°E)太陽活動高年到低年(2000～2009)L波段經過修正之后的閃爍指數。監測設備為雙頻GPS閃爍監測儀，該設備以50 Hz的速率采樣幅度和相位數據，以1 Hz的速率采樣信噪比數據，可提供經修正(消除環境噪聲和硬件誤差)后的S4指數。由于設備故障原因，數據有所缺失，但對閃爍整體形態統計分析不會產生本質影響。

2. 數據處理及結果分析

避免人為因素引起的誤差，將數據的間斷段以及調變值作丟棄處理。為減小多徑效應和低仰角效應對統計結果產生影響，本文選取GPS衛星仰角大于25°的數據進行分析。閃爍的發生率參照文獻[1]定義為：一定時間段內接收到閃爍指數滿足某強度要求的個數與該時間段接收到閃爍指數總個數的比值。

2.1 赤道地區閃爍形態特征

由于赤道、低緯地區閃爍活動發生頻繁，特別是較強的閃爍事件會引起信號衰落，影響衛星電視、通信、導航質量，因此，赤道、低緯閃爍發生規律及特征受到人們廣泛關注[2, 4, 13-15]。

圖1是赤道地區2003年3月至2004年2月((a)、(c))、2007年3月至2009年2月((b)、(d))不同強度L波段電離層閃爍發生率逐日變化圖，縱軸是以天為單位的閃爍發生率。由于設備原因，2003年3月、2004年2月和2009年6、7月部分數據缺失。從圖1 (a)、(c)看出，在中等太陽活動年期間，赤道地區中等閃爍的天發生率最高可達3%以上，強閃爍也將近1.5%。中、強閃爍有明顯的季節變化規律：閃爍主要發生于春秋季，且在春分(4月15日)附近發生率達到最大值；夏季閃爍發生率較春秋季低，但比冬季高，通過進一步數據分析發現，冬季閃爍事件極少發生，12月份閃爍發生率達到全年最小值。

圖1(b)、(d)顯示了太陽活動低年閃爍發生率逐日變化，可以看出，低年閃爍活動主要以0.4>S4>0.2的弱閃爍為主，天發生率可達10%左右，中等以上閃爍天發生率幾乎不到1%，且無論是弱閃爍，還是中等以上強度的閃爍，都沒有表現出明顯的季節或月變化規律。即使在兩分日，也不例外。

圖1 赤道地區不同太陽活動水平不同強度 閃爍發生率逐日變化(圖中空白處數據缺失)

一般認為，電離層不規則體結構是引起電離層閃爍的原因[1]。低緯電離層閃爍與赤道地區電離層不穩定性效應關系密切，是R-T不穩定性發展的結果[13, 16-18]。春秋分附近，太陽的日落線和磁力線趨于平行，東向電場和垂直漂移增加。東向電場的增加在電離層擾動時會促使極化電場的發展、對磁赤道區瑞利-泰勒不穩定性過程起放大作用，結果可能會導致電離層不均勻體的產生和發展，從而引起電離層閃爍的高發現象。但是，隨著太陽活動下降到極小值的影響，即使春秋分，也不會有閃爍的發生[12]。

圖2是太陽活動高年((a)～(d))到低年((e)～(h))不同強度閃爍發生率的地方時變化，橫軸是地方時，縱軸是一年內對應地方時的不同強度閃爍發生率，實線表示0.4>S4>0.2閃爍(弱閃爍)發生率，條形表示S4>0.4閃爍(中強以上閃爍)發生率。通過對比高低年閃爍地方時形態，不難得出，太陽活動高年閃爍存在較強的、一致的地方時特性，而低年閃爍的地方時特征并不明顯，可以認為沒有特征表現。進一步對高、低年閃爍分析，發現高年閃爍主要發生在夜間，而且不管是弱閃爍，還是中等以上閃爍，都集中于地方時20：00至00：00，弱閃爍在其他時段也有發生，但發生率明顯低于日落之后到午夜之前這段時間；低年主要以弱閃爍為主，中強閃爍發生非常少，且無明顯地方時特性。

圖2 赤道地區太陽活動高年至低年 不同強度閃爍發生率地方時變化

2.2 閃爍與太陽活動的相關性

電離層閃爍活動除了一年的季節變化、月變化和地方時變化外，隨著太陽11年活動周期，閃爍強度、發生率也表現出一定的相關特性。

選取閃爍活動較強的10月份、頻發時段數據對比分析高低年閃爍強度，圖3是同一顆衛星(PRN25)在太陽活動高年(2002年)和低年(2007年)同一天同一時段閃爍強度對比圖，橫軸是世界時(UT)，縱軸是S4指數。從圖3中看出，該時段高年閃爍強度明顯高于低年，閃爍強度最大達0.85；低年閃爍指數絕大多數低于0.2，偶爾有弱閃爍出現。

圖3 25號衛星在2002年10月1日與2007年 10月1日同一時段閃爍強度對比

圖4是赤道地區不同強度閃爍發生率隨太陽活動從高年到低年的變化統計，橫軸是以年為單位的時間，左縱軸表示不同強度以小時為單位的閃爍發生率，右縱軸是經過月平滑后的太陽黑子數。圖4(a)、(b)、(c)分別對應0.4>S4>0.2(弱閃爍)、0.6>S4>0.4(中等閃爍)、0.8>S4>0.6(強閃爍)發生率隨太陽黑子數從2000年到2009年的變化圖。由于設備原因，圖中的空白區數據缺失。從圖4容易看出，在太陽黑子數高達125的高年期間(2001～2002)，弱閃爍、中等閃爍和強閃爍發生率分別可達約50%、40%和15%，而低年(2007～2008)僅為30%、5%和2%左右，閃爍在太陽黑子數多的高年發生率明顯高于黑子數少的低年；如圖4(a)、(b)、(c)顯示，太陽黑子對閃爍發生率表現出一定調制作用，無論弱閃爍、中等閃爍，還是強閃爍，其發生率與太陽黑子數存在一定的相關特性，尤其是中、強閃爍圖4(b、c)，對太陽黑子數表現出了較明顯的依賴關系，即隨著太陽黑子數從高年到低年的減少，閃爍發生率也呈現下降趨勢，但弱閃爍與黑子數的這種依賴關系并不明顯，說明太陽活動主要影響中、強閃爍的發生，弱閃爍對太陽活動的敏感性低于中、強閃爍。

圖4 赤道地區太陽活動高年到低年不同強度閃爍 發生率隨太陽黑子數變化(空白處數據缺失)

當太陽活動比較平靜時，對電離層等離子體背景場的擾動較少，閃爍主要是由相對較穩定的背景場自身擾動對信號作用的結果，所以閃爍表現出比較平靜、穩定的特點；而當太陽活動變得逐漸劇烈時，引起電離層等離子體密度等特性的擾動，這些擾動疊加于背景場上，觸發R-T不穩定性的發展，便導致閃爍呈現出強度增大、頻發等特征[6]。

3.結 論

利用赤道地區Vanimo站太陽活動高年到低年(2000～2009)L波段閃爍數據，對比分析了高、低年閃爍特征，并進一步統計研究了閃爍與太陽活動的相關特性。結論如下：

1) 赤道地區太陽活動中、高年的電離層閃爍主要是一種夜間現象，主要發生于地方時20:00～00:00，有明顯的季節變化規律，集中于春秋季，且在春分(4月15日)附近發生率達到最大值；夏冬季閃爍發生率較春秋季低，冬季閃爍事件極少發生，12月份閃爍發生率達到全年最小值。這與尚社平[4]關于赤道地區電離層閃爍形態統計結論相一致。

2) 赤道地區太陽活動低年以弱閃爍為主，且沒有明顯的季節、月以及地方時變化規律。即使在兩分日，也不例外，這進一步印證了馮建[12]關于太陽活動低年電離層閃爍特征的統計結論。

3) 太陽黑子數對赤道地區電離層閃爍發生率表現出一定調制作用，閃爍發生率與太陽活動存在一定的相關性，尤其是中、強閃爍，對太陽黑子數表現出了較明顯的依賴關系：隨著太陽黑子數從高年到低年的減少，閃爍發生率也呈現下降趨勢。說明太陽活動對中、強閃爍的影響比弱閃爍更明顯。這可能是因為弱閃爍僅是電離層等離子背景場自身擾動作用的結果，而隨著太陽活動逐漸變得劇烈，等離子體背景場受到擾動，觸發R-T不穩定性發展，產生電子密度不均勻體，導致了中、強閃爍的發生。

由于本研究使用數據量有限，且側重于統計研究，關于太陽活動影響電離層閃爍的發生機制，仍需后續工作的進一步研究。

致謝感謝澳大利亞IPS WDC提供的閃爍數據。

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