微粒E層事件判讀及分析

何紹紅 徐 彤

（中國電波傳播研究所 電波環境特性及模化技術重點實驗室，山東 青島266107）

引 言

電離層垂直探測是目前電離層探測中最早、最常用的探測方法.垂直探測所獲得的垂測電離圖（頻高圖）包含了F2層峰值高度以下電離層臨頻、虛高等多種參數信息，是獲取電離層狀態特征的重要數據來源.

電離圖度量是對電離層探測數據進行正確分析的基礎.1972年出版的國際無線電科學聯盟（URSI）電離圖解釋和度量手冊［1］是度量人員廣泛應用的一本最好的入門書籍.1986年7月日本無線電研究所Wakai等人以電離層參數為線索，編寫了《電離層圖度量手冊（修正版）》.2008年中國電波傳播研究所焦培南等人在Wakai等人工作的基礎上編寫了《電波傳播基礎知識電離圖度量與解讀觀測技術與設備》，較為系統地介紹了電離層電波傳播理論與度量規則.然而，電離層變化復雜，實際度量過程中常遇到某些疑難電離圖，以致度量人員漏度或誤度.

出現微粒E層（或稱夜間E層）現象的電離圖是最具代表性的疑難電離圖之一.通常，E層受光化學過程控制，隨太陽天頂角變化.日落后，由于太陽極紫外（EUV）輻射消失，加上電子的復合作用，致使E層消失［2］.然而，某些時刻，我國多站能觀測到微粒E層.何友文［3］曾對微粒E層事件的特征進行了初步分析，之后我國地區微粒E層研究鮮有報道.由于目前微粒E層度量規則論述較少，度量人員對該現象認識不深，以致度量不統一，月報表數據不能正確體現該現象，研究人員無法有效利用數據開展微粒E層特征及機理研究.

2012年2月16日夜間，我國地區多個電波觀測站垂測電離圖出現微粒E層.本文借助該次典型的微粒E層事件，結合自身多年垂測電離圖度量經驗，對發生微粒E層事件判據及電離圖微粒E層判讀方法進行了討論.希望藉此形成典型微粒E層判讀方法，便于度量人員參考.同時，利用多站電離圖數據，對該次事件進行分析，給出微粒E層變化特征，并對其成因進行了初步討論.

1 數據來源

覆蓋我國的電離圖數據源自中國電波傳播研究所14個電離層電波觀測站（見圖1），各電波觀測站地理及地磁位置信息見文獻［4］.地磁Dst、ap指數及行星際磁場Bz數據源自日本京都世界數據中心（WDC）（http：//swdcbd.kugi.kyoto-u.ac.jp）及美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的空間天氣預測中心（http：//swpc.noaa.gov）.

圖1 14個電波觀測站分布

2 微粒E層電離圖判讀

2.1 微粒E層事件判據

日前微粒層的判據不統一，文獻［1］、［3］、［5］認為夜間垂測電離圖中，出現下述四種情況之一時，就可認為存在微粒E層：

1）出現微粒E層的尋常波或非常波描跡，或兩描跡同時出現；

2）F層尋常波描跡的低頻端出現明顯時延；

3）至少三個國內站，同一夜間在F層非常波描跡的低頻端出現明顯時延，并且其最低頻率對應的等離子體頻率高于0.95MHz；

4）出現Es-h和Es-c的尋常波描跡或非常波描跡，或兩描跡同時出現.

發生微粒E層事件，最直觀的特征就是夜間垂測圖上出現E層回波（如圖2新鄉站電離圖），即判據1）情況；圖2中蘭州站電離圖F層尋常波描跡出現明顯時延，滿足判據2）；滿洲里站電離圖雖然沒有出現E層回波，但是此時非常波低頻端出現明顯時延.反射回波時間延遲決定于反射點以下電子濃度的高度分布.當F層尋常波或非常波低端出現明顯時延，說明此時在F層之下存在一個類似于白天E層的一個厚層，即微粒E層.F層回波低頻端描跡的明顯延遲是由微粒E層電子密度峰值附近高度梯度小造成的.此外，烏魯木齊與北京站非常波低端亦出現明顯的延遲，滿足判據3）.Es-c即尖角型Es，特點是適用于白天.Es-h即高型Es，特點是尖角不對稱，h′Es高度明顯大于h′E，亦僅用于白天.而微粒E層即k型Es，其特點是夜間可觀測到的E層，所以判據4）并不合適.

圖2 微粒E層事件期間垂測圖回波描跡

本文認為微粒E層判讀條件1）～4）是正確的，但4）值得商榷.通過對大量實例分析，作者認為是否存在微粒E層主要判據為1）～3），即滿足其中一條便認為發生微粒E層事件，同時可增加如下3點作為參考，為便于描述，接續排號：

4）微粒E層出現前后或同時，經常出現Es-r（遲延型）、平型、a型Es，偶爾迭加在微粒E描跡上（圖3（b）就是r、平型Es迭加在微粒E描跡上的實例.）

5）微粒E層顯示出有比正規E層更高的虛高可在100～200km高度上出現，經常出現在120～180km之間；

6）微粒E層的臨界頻率foE要高于正規E層.

2.2 微粒E層電離圖判讀

出現微粒E層時用符號K表示.其中fmin、foEs的判讀精度是0.1MHz，foE的判讀精度是0.05MHz，判讀時最后給出的值以省去小數點的表示給出，且foE度量值的末位數字總是零或5.如foEs 1.6MHz，foEs＝16；foE 1.2MHz，foE＝120.根據微粒E層六條判據對下面幾個電離圖實例判讀.

實例1：出現微粒E層的尋常波或非常波描跡，或兩描跡同時出現（圖3（a））.此圖是2012年2月16日01∶20（地方時）西安站（34.130°N，108.827°E）頻高圖，約在130km的高度觀測到E層的非常波描跡，F層X波描跡低頻出現明顯時延，夜間常規Es類型Es-f一般高度在120km以下，并且粗而平，沒有時延.而微粒E層顯示出有比正規E層更高的虛高；且有比正規E層更高的臨界頻率（一般夜間E層頻率小于1MHz）.因此，推斷認為這描跡在E區必然是微粒E層的非常波分量.foE＝（fxE-fB/2）JK＝120JK.由于干擾，觀測不到1.1MHz以下的描跡.值得注意是，度量foE參數時，當說明符號K（微粒E層）與說明符號S（干擾）兩個符號都適用時，K優先于S.

實例2：F層尋常波描跡的低頻端出現明顯時延（圖3（b））.此圖是2012年2月16日04∶30（地方時）昆明站（25.637°N，103.718°E）頻高圖，當 E區描跡的穿透頻率超過F層描跡的最低頻率即foEs＞foE（微粒E）時，可以解釋為微粒E層被r型Es所遮蔽，E區描跡應是r型Es.Es的型別放在K之前，接近fminF的時延代替了微粒E層基礎部分的存在.foE＝（fminF）UK＝120UK，h’E＝A.foEs＝18JA.當夜間微粒E層出現時，則可像白天一樣把平型Es列為l型，所以Es類型為r2k2l.

實例3：有事件發生但沒有類型出現的頻率圖及參數度量值（見圖3（c））.此圖是2012年2月16日01∶45（地方時）北京站（40.110°N，116.276°E）頻高圖，雖然微粒E層存在的主要跡象是夜間電離圖較高層描跡的低頻端出現群時延，但是由于沒有觀測到Es類型，度量時可認為Es描跡短缺是干擾原因引起的.所以foEs＝fbEs＝fmin＝（fmin）Es，Es類型無.

圖3 微粒E層事件電離圖及判讀

3 微粒E層事件分析及討論

通過詳細判讀各站電離圖，發現2012年2月16日微粒E層事件主要發生在當地時間16日00∶00-05∶00.中緯度臺站夜間微粒E層回波明顯，容易判讀.圖4給出了西安、蘭州、拉薩、蘇州、重慶五站微粒E層臨頻及高度分布.其中，西安站微粒E層臨頻foEs-k在1.1～1.3MHz之間，高度在130～195km之間變化.04∶35及04∶55，微粒E層高度達到195km；蘭州站微粒E層出現時間為00∶10-04∶40，foEs-k范圍與西安站相近，高度穩定在120～130km；拉薩站微粒E層主要發生在00∶00-02∶00之間，其臨頻在1.1～1.3MHz之間變化，中值為1.2MHz，高度變化范圍為125～140km；01∶00-02∶30，蘇州站出現類似于北京站情況，非常波低頻端出現明顯時延，但是沒有E層回波，即有事件無類型.E層回波主要出現在04∶0-05∶30之間，其臨頻為1.2～1.4MHz，高度范圍為150～195km；重慶站微粒E層相對集中在04∶00-05∶00，微粒E層臨頻在1.1～1.7MHz之間變化，高度相對較高，大部分時間約160km.

緯度相對高的滿洲里、烏魯木齊及北京站，F層非常波低頻端出現明顯時延，但是沒有出現E層回波，即有事件無類型；緯度較低的昆明、廣州及海口站微粒E層回波出現時間段約為04∶00至日出前，持續時間較短，其中?？谡疚⒘層出現時間、臨頻及高度分布如圖4所示.04∶45，有事件無類型.05∶15及05∶30，微粒E層臨頻為1.4MHz，高度分別為140km、130km.何友文［3］對1986年2月7日微粒E層事件分析發現，我國低緯度廣州及?？谡境霈F微粒E層現象，與本次事件較為吻合.

圖4 部分站微粒E層臨頻及高度

我們同時考察了該次微粒E層事件發生前后地磁活動條件及各站電離層foF2變化，如圖5所示.該次微粒E層事件出現在一次中等強度磁暴的主相期間.磁暴開始于2月14日北京時間約23∶00，此時行星際磁場Bz轉為南向，Dst持續下降，最小值為-58nT，約在16日05∶00磁暴開始進入恢復相.緯度較高的臺站，如滿洲里、西安等電離層foF2沒有顯著變化.緯度較低的昆明與?？谡荆?6日凌晨出現明顯的正擾動，相對偏差超過60%.16日正午開始，兩站出現顯著的負擾動，foF2下降超過50%，負暴持續超過12小時，直至17日日出.電離層負暴是由磁暴期間熱層循環改變中性成分，使得電子復合率增加造成的［6-7］.

圖5 2012年2月13-19日行星際磁場、地磁指數及電離層觀測站foF2變化.豎間斷線為磁暴開始時刻

該次微粒E層事件發生在磁暴主相期間，似乎說明微粒E層事件與磁暴有關.Hirao等［8］指出微粒E層由能量粒子沉降引起的，但是沒有說明能量粒子的來源與種類.高能帶電粒子沉積主要發生在磁暴（亞暴）期間的高緯地區，如極光現象.由于高能帶電粒子受磁場束縛，沿地球磁力線運動，只能沉降到高緯地區.Lyons等人［9］認為微粒E層事件粒子來源于磁暴期間環電流，能量在1～100keV的中性原子.Bauske［10］在前人工作基礎上，較為詳細地論述了夜間微粒E層出現的原因：磁暴主相期間，大量來源于等離子體片的質子和其他帶電粒子被地磁場捕獲，在外輻射帶形成西向環電流，地磁指數Dst持續下降.被捕獲的高能粒子與H原子碰撞交換電荷，變成中性高能原子.此時這些中性高能粒子不再受磁場約束，如果運動方向指向地球，可以沉降到地球熱層大氣中，再次與中性成分（NO，O2等）碰撞而電離，使得E層電子產生率增大，該過程如圖6所示.

圖6 源于環電流中性高能粒子沉降示意圖

然而，并不是每次磁暴都發生微粒E層事件.比如，三天后，即2012年2月19日發生中等磁暴，西向環電流顯著增強，Dst最小值為-54nT.我國區域電離層沒有出現明顯擾動，各站亦沒有觀測到夜間微粒E層事件.電離層E層中性成分密度大，光化學過程（電離過程）是主要控制因素.因此，磁暴夜間E層電子密度顯著增強，勢必存在額外的電離源.大量觀測表明，微粒E層事件與磁暴密切相關［11］.衛星觀測資料亦表明磁暴主相期間常發生環電流中性原子事件［12-14］.但是磁暴期間中性高能粒子的注入機制（由太陽風注入磁層、內磁層注入環電流、環電流中性粒子注入熱層中性大氣等）復雜，需深入研究.此外，電離層暴時自身的輸運等動力學過程是否對發生微粒E層有影響，還有待確認.

4 結 論

2012年2月16日凌晨，我國14個觀測站觀測到電離層微粒E層事件.借助該次事件，對微粒E層判據進行了討論，結合自身判讀經驗，形成六條判據 .并通過圖例，說明判讀方法，希望為數據度量及科研人員提供參考.同時對該次事件進行了初步分析，結果表明：緯度較高的滿洲里、烏魯木齊及北京站非常波低頻端時延增加顯著，但沒有E層回波，即有事件無類型；我國中緯度臺站，如蘭州、拉薩、重慶等站微粒E層回波清晰，且持續時間長；低緯?？凇V州等站出現微粒E層回波，但持續時間較短.該次事件發生在磁暴主相期間.微粒E層現象與磁暴密切相關，可能是由環電流中性化的高能粒子注入熱層引起，但是其注入機制需進一步研究.

需要指出的是，在判讀時，觀測不到1.1MHz以下回波.我們描述為是干擾造成的（說明符號S）.然而高能粒子沉降能夠電離低熱層大氣中性成分，使電波吸收增強.Nishino等［15］利用二維成像式宇宙噪聲接收機監測2000年7月15-16日強磁暴期間電離層吸收.由于粒子沉降電離低熱層中性大氣，巴西地區電離層吸收增加0.5dB.然而本次事件缺乏中頻段電離層吸收數據，無法確定微粒E層事件期間，夜間電離層干擾與吸收誰是主要因素.

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