X射線耀斑期間電離層VTEC的時變率

管　斌，孫中苗，朱永興，劉曉剛

1.信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州，450052；2.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安，710054；3.西安測繪研究所，陜西 西安，710054

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X射線耀斑期間電離層VTEC的時變率

管斌1,2,3，孫中苗2,3，朱永興2,3，劉曉剛2,3

1.信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州，450052；2.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安，710054；3.西安測繪研究所，陜西 西安，710054

利用通過GEO衛星雙頻載波相位觀測量計算電離層垂直總電子含量時變率(RVTEC)的方法，研究了RVTEC對太陽X射線耀斑的響應。根據載波相位觀測方程，得到了RVTEC的計算公式。選取3個MGEX測站對2013～2015年間9次X級耀斑的觀測數據進行了計算分析，主要結果包括：①X級耀斑期間RVTEC不一定發生明顯的增大；②RVTEC與耀斑的級別、太陽天頂角沒有絕對的對應關系；③所有X3.2級以下耀斑觀測結果中RVTEC最大不超過0.03TECu/s。

X射線耀斑；垂直總電子含量變化率；地球靜止軌道；載波相位；電離層

1　引　言

地球高層大氣在太陽X射線和極紫外輻射的作用下被加熱、解離，還被部分電離形成了電離層。太陽耀斑爆發期間向外界輻射多種頻段的電磁輻射，其中的紫外輻射和X射線會造成電離層電子密度的增加，引起多種電離層擾動現象[1]，這些現象包括突然頻率偏移、突然相位異常、突然頻率吸收、耀斑的地磁效應及突然總電子含量增加等。

根據觀測手段的不同，耀斑主要分為光學耀斑、X射線耀斑等。電離層總電子含量(total electron content, TEC)對X射線耀斑的響應廣受關注，近年來許多學者通過GPS觀測數據對其進行了研究。文獻[2]研究了耀斑位置與TEC突增的關系，認為TEC增加不僅與耀斑級別有關系，而且與耀斑日面位置也有關系。文獻[3]認為耀斑引起的TEC變化率與耀斑的輻射能量成正比，與Chapman函數(約等于sec(χ)，χ為太陽天頂角)成反比，即天頂角越大，TEC變化率越小。文獻[4]認為耀斑期間向日面電離層出現了總電子含量突增事件，并得到“太陽天頂角越大，TEC增幅越小”的結論。文獻[5]利用中低緯度的GPS跟蹤站在太陽耀斑發生期間均監測到了總電子含量的突增現象，且與X射線輻射通量具有很好的一致性。文獻[6]利用多個測站多條視線方向GPS觀測數據的平均值，得到較為明顯的TEC對X級耀斑的響應。文獻[7,8]等也進行了相關的研究，在此不再贅述。

上述研究對TEC變化量進行了系統的分析，但對TEC變化率僅描述了現象，沒有定性分析。然而TEC變化率是反映電離層動態變化的重要參數之一，同時垂直總電子含量(vertical TEC, VTEC)的時變率(rate of change of VTEC, RVTEC)對X射線耀斑的最大響應值得探究，因此，本文研究了RVTEC對太陽耀斑的響應。由于在太陽耀斑中電離層主要受X射線耀斑的影響，因而本文僅研究RVTEC對X射線耀斑的響應(后文中耀斑均特指X射線太陽耀斑)。

耀斑期間TEC響應的研究大都通過GPS觀測數據來實現[1-8]，所得結果包含了時變部分與空間變化部分。北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)中包含了5顆地球靜止軌道(GEO)衛星，由于GEO衛星的相對靜止特性，利用對GEO的觀測數據可以直接得到VTEC的時變率而排除空間變化部分的影響。另外，現有文獻通過GPS觀測數據分析TEC的變化率通常采用1 min或30 s采樣間隔的載波相位觀測數據，然而耀斑的持續時間由幾分鐘到幾十分鐘不等，利用以上采樣間隔的數據無法得到VTEC的小尺度變化細節。本文采用1s采樣間隔的觀測數據，可以得到RVTEC更加細致的變化結果。

綜上，本文通過GEO衛星雙頻載波相位觀測數據，研究VTEC時變率對太陽X射線耀斑的響應。

2　計算方法

文獻[9]給出了通過GPS觀測數據計算VTEC在相鄰兩歷元穿刺點上差值的公式：

ΔVTEC=F[(λ1φ1-λ2φ2)i+1M(zi+1)-(λ1φ1-λ2φ2)iM(zi)+(λ1N1-λ2N2+R1-R2)·(M(zi+1)-M(zi))]

(1)

(2)

其中R是地球平均半徑，α=0.9782，H是電離層單層模型的高度，本文選定H為350km。

式(1)同樣適用于對BDS衛星的觀測。由于GEO的靜地特性，對GEO衛星觀測結果具有特殊之處，即衛星天頂角距z在相鄰兩歷元幾乎無變化，有zi+1=zi，故式(1)可以簡化為

ΔVTEC=F[(λ1φ1-λ2φ2)i+1-(λ1φ1-λ2φ2)i]M(zi)

(3)

設載波相位觀測值的變化量分別為Δφ1=φ1i+1-φ1i，Δφ2=φ2i+1-φ2i，則

ΔVTEC=F[(λ1Δφ1-λ2Δφ2)]M(zi)

(4)

將ΔVTEC除以歷元之間的間隔時間Δt即可得到RVTEC，如式(5)：

(5)

由式(5)，RVTEC的誤差主要來源于載波相位相對變化量的測量誤差，對實測數據的誤差分析結果表明，RVTEC的精度約為4×10-3TECu/s。

3　數據選取

太陽耀斑按照其X射線峰值的流量可分為A、B、C、M、X五級，所釋放能量依次增大。由于M級以下耀斑對電離層造成的影響不易通過對GNSS衛星進行觀測的方式獲取[6]，而本文注重于分析RVTEC對耀斑的最大響應，因而本文僅研究X級耀斑的影響。

采用IGS[12]的MGEX[13]項目數據進行計算分析。MGEX項目是多模多頻GNSS實驗項目，其測站具有對多種衛星導航系統觀測的能力。該項目從2012年1月開始實施，2012年底才開始陸續有對BDS信號的觀測，因而本文僅對2013年后的耀斑事件進行分析。設定30°為對衛星觀測的截止仰角，選擇對BDS具有觀測能力并處于能夠有效觀測GEO衛星區域的測站，測站信息見表1。表1中“起始時間”為各測站對BDS具有觀測能力的時間(自2013年始，格式為yymmdd)；LT代表當地時間，UT代表世界協調時。另有兩測站PTGG與SEYG，投入觀測時間較晚，雖然具備對BDS的觀測能力，然而投入運行后的幾次X級耀斑發生時均不在有效觀測范圍，故表1中未將其列入。

美國發射的一系列GOES(Geostationary Operational Environmental Satellite)衛星可持續觀測太陽X射線能量[14]，根據美國空間天氣預報中心(Space Weather Prediction Center, SWPC)發布的源于GOES衛星觀測數據的X射線太陽耀斑記錄，2013至2015年間，X級耀斑發生的次數分別為12、16、2，耀斑最強的為2014年2月25日發生的X4.9級耀斑。

表1測站信息一覽表

序號測站名起始時間測站坐標30°以上的GEO衛星LT1JFNG130101114.491°E,30.515°NGEO01,GEO02,GEO03UT+8h2MAYG14012145.258°E,12.782°SGEO02,GEO05UT+3h3NKLG1403019.672°E,0.354°NGEO05UT+1h

圖1　2013年至2015年期間X級耀斑發生情況

由于耀斑僅對處于向日面地區的電離層產生影響，TEC增量的大小與耀斑爆發地方時有直接關系，中午時段比晚間更大[15]，且太陽天頂角越大，TEC變化率越小，TEC增幅越小[3,4]，而本文主要研究耀斑對RVTEC的最大影響，因而僅對耀斑發生期間處于向日面并限定LT處于9:00至15:00之間(后文中稱以上條件為“觀測條件”)的測站進行分析。結合表1中測站信息以及GOES衛星的觀測記錄，可得3年間全部X級耀斑的發生情況如圖1所示。

圖1中，“不可有效觀測”代表爆發期間可用測站均不滿足“觀測條件”的耀斑；“無IGS觀測數據”代表爆發期間有測站滿足“觀測條件”，但由于未知因素影響(可能恰為所發生耀斑的影響)，IGS觀測數據質量太差而未發布觀測數據的耀斑(如圖中X4.9級耀斑)，“觀測數據有效”代表爆發期間有測站滿足“觀測條件”且觀測數據有效的耀斑。現將圖1中“觀測數據有效”的X級耀斑信息列于表2，其中時間均為UT時間，格式為hhss，“峰值時間”指X射線通量達到最大值的時間，χ為峰值時間測站觀測太陽的天頂角，其計算方法見文獻[16]。

表2用于分析的2013～2015年間耀斑信息

序號發生日期開始時間結束時間峰值時間量級觀測測站χ(°)a1305130153023202171.7JFNG29.9b1305140000012001113.2JFNG43.8c1305150125015801481.2JFNG23.4d1311100508051805141.1JFNG50.5e1406101136114411422.2MAYG53.7f1406101136114411422.2NKLG23.3g1406101236130312521.5NKLG31.7h1406110859091009061.0MAYG35.9i1410190417054805031.1JFNG42.8j1410221402145014281.6NKLG51.6

4　計算與分析

根據文獻[3,4]，當強烈的X射線耀斑爆發時，TEC的變化與耀斑的爆發呈現良好的一致性，即伴隨耀斑X射線的到達，TEC明顯增加，伴隨耀斑的結束，TEC開始緩慢變化，因而本文僅對耀斑發生前后一小段時間內RVTEC進行分析，對應于表2中各測站的RVTEC響應，如圖2所示。為了將測站對不同GEO衛星的觀測結果呈現于一張圖中，圖2中分別對不同衛星的RVTEC加減了相應常數以示區分。

圖2 　X級耀斑期間的RVTEC響應

由表2與圖2知，圖2(a)、(b)、(c)、(g)、(h)、(i)所對應的耀斑發生期間，測站所觀測的RVTEC并沒有明顯地發生變化；圖2(d)、(e)、(f)、(j)所對應的耀斑發生期間有一小段時間，RVTEC發生了相對明顯的增大。其中，圖2(d)中所觀測到的RVTEC變化是最為明顯的，對三顆GEO衛星觀測的RVTEC變化呈現高度一致性，并與耀斑的發生情況(見表2)相吻合，與之相對應的VTEC相對變化情況如圖3(d)所示。由圖3(d)知，該次耀斑發生期間JFNG測站附近區域的VTEC約增加了2TECu。圖3(e)、(f)、(j)為分別對應于圖2(e)、(f)、(j)的VTEC相對變化情況，圖2中其它圖所示耀斑發生期間VTEC的變化情況不再贅述。

圖3　耀斑期間VTEC的相對變化

綜合表2、圖2、圖3可得：

①耀斑發生期間RVTEC并不一定發生明顯的增大，如圖2(a)，雖然X2.8級耀斑發生期間JFNG測站觀測太陽的天頂角約30°，但RVTEC并未呈現明顯變化。

②即使耀斑發生期間RVTEC出現了明顯的增大，但RVTEC持續高出正常水平并不貫穿于整個耀斑過程，如圖2(j)所對應的X1.6級耀斑開始于14:02，結束于14:50并于14:28達到射線通量最大值，但NKLG測站觀測的RVTEC僅在耀斑開始階段有2 min高出正常水平，后回歸到緩慢變化狀態，在圖2(d)、(e)、(f)中具有相同的體現。

③耀斑所引起的VTEC的最快變化并不一定發生在X射線通量最大的時刻，如圖2(j)，耀斑于14:28達到射線通量最大值，然而此時RVTEC已經恢復到正常變化水平。

④耀斑的發生對RVTEC的影響不可一概而論，相同級別的耀斑對于太陽天頂角相同的地區所造成的影響可以不同，強度高的耀斑可能并不會引起明顯的RVTEC變化(如圖2(b)所示X3.2級耀斑)。耀斑發生期間RVTEC與耀斑的級別、太陽的天頂角距沒有絕對的對應關系，耀斑對RVTEC的影響勢必受空間環境中其它一系列因素的影響。

⑤圖2(e)與圖2(f)分別為MAYG與NKLG兩個測站對同一次耀斑進行觀測計算得到的RVTEC變化序列，耀斑發生期間分別對應于兩個測站地方時的14：30與12：30，VTEC均呈下降趨勢，期間太陽天頂角分別對53.7°與23.3°，而由圖3(e)與圖3(f)知，VTEC分別最多增大了0.5TECu與0.7TECu。從而，對同一耀斑發生期間處于向日面不同位置2個測站的觀測結果比較顯示，即使當VTEC呈下降趨勢時，在耀斑的影響下VTEC也可能階段性增多，且太陽天頂角較小時VTEC增加的幅度較大。

⑥耀斑會引起RVTEC的明顯變化，然而概率并不高。綜合所有可用觀測數據，X3.2級以下耀斑觀測結果中RVTEC最大不超過0.03TECu/s。

將以上方法應用于耀斑期間RVTEC的研究，雖然能夠分離開VTEC在空間上變化的影響，直觀地得到耀斑發生期間VTEC的時變情況，然而也存在一些缺點。主要體現在：①由于目前長期進行BDS系統數據觀測并公開數據的測站較少，因而直接獲取VTEC時變率的可用觀測數據較少；觀測數據不足以分析VTEC時變率與耀斑的強度、太陽天頂角之間的關系。②耀斑發生期間，向日面測站的觀測數據常常因為質量較差而不進行發布，在特大耀斑發生時，該方法可能因獲取不到數據而無法計算RVTEC。由于可用測站有限，電離層穿刺點的分布受限，所得結果中并不完全包括耀斑發生期間RVTEC的最大變化情況，相關的分析有待通過布設更多的測站進行更全面的觀測來實現。

5　小　結

X射線太陽耀斑發生時，向日面地球電離層受其影響電子密度會發生不同程度的增加，而對該問題的研究大都集中于對TEC變化量的分析，沒有關于TEC變化率響應的定性研究。本文根據對BDS的GEO衛星1s采樣間隔的雙頻載波相位觀測數據，計算分析了X級X射線耀斑期間RVTEC的變化情況。篩選了3個MGEX項目測站對2013～2015年間的9次耀斑進行分析，得到了RVTEC對X射線耀斑的個例響應特性，所得結論有益于對電離層變化特性的系統研究。

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Time Variation Rate of Ionospheric Vertical Total Electron Content in X-Ray Flares

Guan Bin1,2,3, Sun Zhongmiao2,3, Zhu Yongxing2,3, Liu Xiaogang2,3

1.Institute of Geospatial Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China 2. Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China 3. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China

Time variation rate of ionospheric vertical total electron content (RVTEC) is calculated using dual-frequency carrier-phase observations of GEO satellites and its response to solar X-ray flare is studied in this paper. The formula for calculating RVTEC is deduced according to carrier-phase observation equation. Three MGEX stations are selected to calculate the observation data of nine times of X-class flares occurred during 2013 to 2015, and the results show that: (1) RVTEC does not always increase obviously during X-class flares; (2) there is no absolute relationship between RVTEC and the level of flare or solar vertex angle; (3) the maximal observation results of RVTEC is 0.03 TECu/s for flares below X3.2 level.

X-ray flare; time variation rate of vertical total electron content; geostationary orbit; carrier-phase; ionosphere

2016-02-01。

國家自然科學基金資助項目(41174017)，國家自然科學基金青年科學基金資助項目(41304022)。

管斌(1988—)，男，工程師，主要從事衛星測高與衛星導航方面的研究。

P228

A