赤道附近局地激發LS-TAD的事例觀測

潘建宏，蔡紅濤，谷駿，周康俊，羅逸楠，高順組

武漢大學電子信息學院，武漢 430072

0 引言

電離層與熱層的能量和動量交換是熱層-電離層耦合研究中的重要內容之一.來自太陽風和磁層的能量進入熱層高度后，通常在高緯熱層形成能量堆積，激發大氣重力波.大氣重力波向上傳播，在F區高度上表現為各種尺度的行進式大氣擾動(Traveling Atmospheric Disturbances，TAD)(e.g.Hunsucker,1982;Hocke and Schlegel,1996).行進式電離層擾動(Traveling Ionospheric Disturbance,TID)被廣泛理解為大氣重力波的電離層印記(Hines,1960).其中，大尺度(>1000 km)行進式擾動是熱層-電離層間能量和動量交換的重要物理過程(Yeh and Liu,1974)，在全球能量再分配過程中起著十分重要的作用(e.g.Saito et al.,1998；Tsugawa et al.,2004；Cai et al.,2011,2012).

國內外學者對大尺度行進式擾動進行了大量的實驗觀測分析(e.g.Borries et al.,2009；Bruinsma and Forbes，2007,2008,2009,2010)和數值模擬研究(e.g.,Hines,1960;Mayr et al.,1990;Balthazor and Moffet,1999;Fujiwara et al.,1996;Fujiwara and Miyoshi,2006;Miyoshi and Fujiwara,2008).研究人員早期關注較多的是大尺度電離層擾動(Large-Scale Travelling Ionospheric Disturbance,LS-TID).國際上開展了多次大型的LS-TID聯合觀測實驗(Williams et al.，1988,1993).近20年來，相關觀測研究工作主要集中在強地磁擾動期間LS-TID 的全球傳播特征及擾動源區.Valladares等(2009)利用全球GPS TEC觀測圖像報道了2003年10月強磁暴期間在南北半球同時觀測到的電離層行進式擾動，發現南北半球的LS-TID在水平傳播速度、擾動幅度以及水平波長等多方面表現出顯著的差異.Ding等(2008)對2003—2005年強磁暴期間LS-TID在中緯度的傳播特征進行了統計分析，認為極光地磁擾動對中緯度觀測到的LS-TID起著主要控制作用.Zhou 等(2012)報道了地磁平靜期電離層多站高頻返回式探測系統在中低緯白天側觀測到的LS-TID事件.

在熱層探測資料極度欠缺的條件下，數值模擬在幫助人們加深了解LS-TAD特征過程中發揮了重要作用.Richmond(1978)，Millward等(1993)，Fuller-Rowell 等(1994)，Fujiwara等(1996)和Balthazor 和 Moffett(1999)等通過模擬計算數值研究了LS-TAD/TID在各種強擾動期間的響應特征.Qian 等(2012)數值研究了LS-TAD對太陽耀斑的響應特征.Shiokawa 等(2007)首次詳細對比了LS-TAD模擬結果與觀測數據間的異同.總的來說，大多數模擬工作聚焦于LS-TAD/TID對極區假定能量輸入的響應特征.

星載加速度儀為開展全球LS-TAD觀測研究提供了絕佳的測量手段.Bruinsma 和 Forbes(2007)利用CHAMP衛星的大氣密度觀測數據，獲得了LS-TAD的全球分布圖像.這為直接觀測研究LS-TAD全球傳播特征提供了絕佳的機會.Bruinsma 和 Forbes(2010)利用多年衛星觀測數據，進一步統計了LS-TADs的全球傳播特征.總的來說，LS-TAD/TID通常被認為是在高緯極光橢圓區緯度激發，隨后向赤道方向傳播.也曾有LS-TAD/TID跨越赤道進入另一個半球的觀測事例(e.g.Guo et al.，2015；Bruinsma and Forbes，2007).本文報道一個起源于低緯赤道局地激發源的LS-TAD觀測事例，并探討了其可能的激發源.第一節介紹了研究所用到的觀測數據及處理方法.第二節詳細給出了LS-TAD觀測結果及其他佐證數據.第三節探討了可能的激發驅動源，最后對本文進行小結.

1 數據及處理方法

CHAMP衛星于2000年7月15日發射升空，其近圓軌道傾角為87.3°.初始高度456 km，軌道周期約為93 min，軌道平面的進動率為每天1.5°.大氣質量密度數據由其STAR加速度儀測量數據計算出，時間分辨率為10 s.為了消除因衛星高度變化引入的密度起伏，本文研究所采用的大氣密度數據均已分別按照 MSISE模型(Picone et al.,2002)歸一化到400 km高度.

大氣密度擾動提取方法我們利用滑動平均的方法得到(Bruinsma and Forbes，2009，2010).由于衛星飛行速度要遠遠高于LSTAD的水平相速度，因此在衛星過境期間忽略LSTAD的運動是合理的.這樣，衛星大氣質量密度數據在時間上的采樣可理解為空間上的采樣.我們分別對衛星觀測到的大氣密度進行33/91個數據點的滑動平均后求差，可以得到1216～3420 km尺度的大氣密度擾動.獲取到每個軌道上大氣密度擾動信息后，我們依據衛星穿過軌道的地方時，將衛星數據分為夜側/日側兩部分；分別依照時間和地理緯度組織數據，即可得到衛星在夜側/日側觀測到的大氣密度擾動分布圖.當存在LS-TAD時，大氣密度擾動分布圖會表現為連續軌道間有明顯緯度偏移的相似擾動特征(Bruinsma and Forbes，2009，2010).

2 觀測結果

2.1 地磁環境

如圖1所示，2002年8月10日Sym-H指數在05∶00 UT左右出現一個小幅度擾動，最小值為-48 nT，到07∶00 UT左右大致恢復到正常水平.極光活動指數AU/AL在凌晨出現兩個小峰值，在06∶00 UT之后相對平靜.圖中灰色陰影標示本文所關心LS-TAD事件出現的時間段，在此期間，無論是地磁活動指數Sym-H還是極光活動指數AU/AL都處在較低的數值水平，沒有表現出強的擾動.

圖1 2002年8月10日Sym-H指數(a)與AU/AL指數(b)灰色陰影標示本文所關注的LS-TAD事件發生時段.Fig.1 Diurnal variations of Sym-H (a)and AU/AL index (b)on 10th Aug.2002The grey shades present the period of LS-TAD event focused on in this paper.

2.2 中性大氣行擾觀測

圖2給出了2002年08月10日CHAMP衛星觀測到的大氣質量密度擾動.圖中斜實線表示衛星軌道，藍色實線為磁赤道，空白處無數據.為了方便考察極區地磁活動情況，圖2同時給出了AE指數的日變化，灰色陰影標示出本文所關心事件所發生的時段.在此期間，極區極光活動相對平靜，表明極區的磁層能量堆積無顯著增強.

圖2 2002年8月10日AE指數日變化(a)以及CHAMP衛星觀測到的大氣密度擾動(b)LS-TAD事件及其沿緯度方向的傳播分別用紅色虛線箭頭標識出.斜實線為CHAMP衛星軌道，藍色實線為磁赤道，下圖橫軸同時給出了大氣質量密度擾動對應的地理經度.Fig.2 AE index (a)and neutral density relative disturbances detected by CHAMP (b)on 10th Aug.2002The red dashed arrow marks propagation along the latitude direction of neutral density enhancement.The oblique solid lines present orbits of the spacecraft and the blue one for the magnetic equator.Geographic longitude was superposed as x-axis in the bottom panel.

圖2紅色虛線箭頭標示出本文所關注的事件.CHAMP衛星在美洲(30°W)磁赤道附近觀測到了該事件的第一個密度增強，相對增幅為8.9%.在其隨后的2個連續軌道上，該密度增強依次出現在北半球26°N和62°N附近，表現出清晰的極向位移，而且密度增強的幅度逐漸減弱.這符合大尺度行進式大氣擾動(LS-TAD)典型的運動特征：緯向排列的大氣密度增強向極區高緯傳播，在此過程中，被CHAMP衛星在不同緯度上觀測到.根據大氣密度增強的緯度偏移(7303 km)及之間的時間間隔(約為2.807 h)估計，該LS-TAD的子午向平均水平視相速度大約為722 m·s-1.

需要指出的是，上述將一系列大氣密度增強解釋為LS-TAD事件有個前提假設.即，該LS-TAD的緯向結構足夠大，以保證CHAMP衛星在至少連續3條軌道(經度間隔約46°)觀測到同一個大氣增強結構.如果該假設不成立，那么CHAMP衛星很可能是在不同的經度(軌道)上觀測到不同的大氣增強.因此，還需要第三方觀測來輔助判斷CHAMP觀測到三個大氣密度增強是否可解釋為LS-TAD事件.

2.3 電離層行擾觀測

電離層-熱層緊密耦合在一起.大氣重力波在F層高度引發的行進式大氣擾動造成局地中性成分密度起伏，打破了原有的電離層等離子體生產/消失過程的平衡，引發局地的電子密度出現相對應的起伏.局地電子密度起伏沿著行進式大氣擾動的傳播路徑相繼發生，即行進式電離層擾動.因此，如果上小節CHAMP衛星觀測到的確為LS-TAD事件，那么應該會在電離層中留下相應的印記，即大尺度行進式電離層擾動(LS-TID).

地面GNSS接收機臺網廣泛用于LS-TID傳播特性研究(e.g.,Jonah et al.，2018;Eisenbeis et al.，2019；Liu et al.2018).利用沿子午向排列的GNSS臺鏈，可以對LS-TID事件展開有效的監測(Cai et al.，2012).LS-TID引起的局地電子密度起伏會被GNSS接收機與衛星間的斜TEC(sTEC)捕捉到；當LS-TID經過時，GNSS臺鏈各接收機與同一顆衛星間sTEC時間序列會呈現出相類似的周期性擾動；由于各接收機空間位置的偏離，它們觀測到的sTEC擾動(sTECP)間還會表現出一定量的相位延遲.根據上述觀測信息，可測量LS-TID的周期、水平傳播相速度等特征參量.因為該方法直接利用斜TEC而不是垂直TEC，其一大優點是對微小擾動敏感，具體數據處理方法可參考Cai等(2012).本文選取了兩個平行的子午向排列的地面GNSS觀測臺鏈，一個位于77°W附近，另一個位于82°W附近，各臺鏈接收機的子午向距離在百公里左右.兩個GNSS臺鏈均處于本文所關注LS-TAD事件覆蓋區域內.各臺站地理位置信息分別如表1所示.

表1 北美洲地面GNSS臺站地理位置Table 1 Geographic locations of North Ameica ground-based GNSS receivers for Figs.3—4

圖3a給出了GNSS接收臺鏈在77°W 附近與GPS PRN10衛星間sTECP的時間變化，圖3b給出了對應穿刺點軌跡.為避免重疊，各臺站sTECP觀測結果依次偏移了1 TECU.不難看出，正負相間的sTECP在各臺站都被觀測到，且表現出相類似的變化周期，約為3 h.這暗示各臺站sTECP的時序變化有共同的物理驅動.仔細對比各臺站sTECP隨時間變化的相位，容易發現sTECP先被位于較低緯度的臺站觀測到，依次在各臺站上空留下相似的擾動特征，而且擾動幅度逐漸減弱.這表明地面GNSS臺鏈觀測到了LS-TID事件經過時引發的局地電離層擾動.從各臺站間sTECP時間變化的相位延遲估計，該LS-TID的水平相速度為640 m·s-1，電離層行擾在北半球向極區高緯傳播.

圖3 (a)地面GNSS臺鏈在北美77°W觀測到的sTECP；(b)(a)中相應臺站的穿刺點的經緯度信息為了避免重疊，各站點sTECP依次偏移了1 TECU.Fig.3 (a)Slant TEC (sTEC)fluctuations recorded by ground-based GNSS receivers around 77°W in North America；(b)The longitude and latitude information of the corresponding station′s pierce point in (a)They were shifted by 1 TECU accordingly to avoid overlapping.

位于82°W附近的地面GNSS臺鏈(圖4)也觀測到了與圖3類似的電離層行擾.由于GPS衛星軌道的原因，電離層行擾被PRN4衛星在比圖3更早的時間觀測到，二者的周期和傳播方向是一致的.根據各臺站間sTECP相位差估計，其水平視在相速度為670 m·s-1，與圖3結果相接近.同時，82°W地面GNSS臺鏈的PRN10號衛星觀測到與圖3相一致的電離層行擾(未給圖).

圖4 與圖3相同，只是在82°W附近觀測結果Fig.4 Same as Fig.3,but for GNSS receiver chain around 82°W

仔細對比兩個GNSS臺鏈觀測的sTECP(圖3—4)，二者觀測到的sTEC擾動相位也是相吻合的，均在10∶30 UT附近達到極小.這表明兩個GNSS子午臺鏈觀測到的是同一個LS-TID事件引發的局地電離層擾動.

本文所選取的2個GNSS子午臺鏈雖然只覆蓋了北半球中緯有限的區域，但均位于我們所關注LS-TAD事件的傳播路徑上.GNSS子午臺鏈緯度覆蓋雖難以完整觀測到LS-TID全貌，卻清晰捕捉到了LS-TAD傳播過程中引起的局地電離擾動.從這個角度上說，圖3—4所示結果至少確認了如下2個事實：(1)該路徑上的確有LS-TID經過；(2)該LS-TID在北半球從低緯向極區高緯傳播.

地面GNSS子午臺鏈記錄到LS-TID的傳播方向以及水平相速度等傳播特征參數都支持CHAMP衛星觀測到的一系列大氣密度增強應該解釋為LS-TAD事件，而不是相互孤立的大氣密度增強.值得一提的是，地面GNSS臺鏈在 82°W觀測到了LS-TID，這也間接表明與之相伴隨的LS-TAD緯向結構足夠大，以至于能夠被CHAMP衛星在11∶00 UT左右(其軌道所在經度約80°W)探測到.

3 討論

3.1 在南半球是否存前序擾動？

一般認為，進入電離層高度的磁層能量，包括焦耳加熱和粒子沉降是驅動LS-TAD/TID的主要機制(e.g.Crowley and Jones,1987;Perevalova et al.,2008).LS-TAD/TID常常在夜側極光橢圓區緯度被激發后向赤道方向傳播，或極向跨過極蓋區到達日側、繼續向赤道傳播(Cai et al.,2012).也有學者報道了LS-TID長距離傳播、跨越赤道進入另一個半球的觀測事例(e.g.Bruinsma and Forbes,2007;Guo et al.，2015).所以本文所關注的LS-TAD事件在北半球向極區高緯傳播，有沒有可能是從南半球中高緯區域跨越赤道進入北半球的？

從圖2結果看，CHAMP衛星在南半球并沒有觀測到與之相關聯的前序大氣密度擾動跡象.為了檢查是否存在前序的電離層行擾，我們在南美洲選取了類似的地面GNSS子午臺鏈，其地理位置信息如表2所示.

表2 南美洲地面GNSS臺站地理位置Table 2 Geographic locations of South America ground-based GNSS receivers for Figs.5 and 7

依據圖3—4所示LS-TID的視在相速度推測，如果其存在前序擾動，那么它應該在05∶30 UT前后出現在南半球的中緯區域.圖5給出了該時段前后南美洲地面臺鏈的sTECP觀測結果.很明顯，各臺站并沒有觀測到相類似的電離層擾動，表明它們間的時序變化缺乏共同的物理過程驅動；另一方面，該GNSS臺鏈也沒有觀測到與圖3—4相類似的擾動特征.因此，我們排除其是圖3—4所示LS-TID的前序擾動.

南美洲地面GNSS臺鏈在此時段內與其他衛星間的觀測結果與圖5類似，各臺站均沒有觀測到相類似變化特征的sTECP.基于此，我們認為本文所關注的LS-TAD事件在南半球中高緯區域不存在前序擾動.進而推斷，其可能由局地激發源產生，源自于磁赤道附近.

3.2 可能的局地激發源

在中低緯度，重力波有多個可能的激發源.日食期間，日食區域內太陽輻射急劇減少，與周圍日照區域形成顯著的溫度梯度，成為一個移動的擾動源，沿移動路徑激發大氣重力波.與之相伴隨的行進式電離層擾動經常被GNSS臺網或其他設備觀測到(Chimonas and Hines，1970；Wodarg et al.，1998；Vadas and Liu，2009；Zhang et al.,2017；McInerney et al.,2018).根據天文信息，我們可以排除日食對本文所關注LS-TAD激發的貢獻.

在晨昏分界線附近，太陽輻射發生急劇變化，在熱層造成溫度梯度.隨著地球自轉，晨昏分界線附近的溫度梯度及其運動也是中低緯激發重力波的一個重要驅動源(Forbes et al.,2008).在本文所關注的事件期間，CHAMP衛星軌道位置近似與晨昏分界線相平行；所在地方時為05∶42 LT，位于晨側.Liu等(2009)觀測發現晨昏分界線激發大氣密度擾動的波前在中低緯地區近似與晨昏線相平行.如果本文所關注的LS-TAD由晨昏分界線所激發，那么衛星觀測到的波動視在相速度應趨無窮大或數值遠超常見的速度；在南半球也應觀測到相應的擾動，這與本文圖2以及圖5所示結果不一致.另外，觀測結果表明晨昏分界線引發的大氣波動在黃昏側更顯著，且其顯著程度在兩分點前后是低谷(Forbes et al.,2008;Liu et al.,2009).

圖5 與圖3相同，只是在南美洲71°W附近觀測結果Fig.5 Same as Fig.3,but for GNSS receiver chain around 71°W in South America

赤道電集流可通過洛倫茲力和碰撞過程與中性大氣相互耦合，是行進式大氣擾動一個重要激發源.數值計算表明，除了劇烈的磁暴期間，洛倫茲力在激發行進式擾動的效率方面要遠高于焦耳加熱(Chimonas，1970).2002年8月10日07∶30 UT左右，ROCSAT衛星飛經美洲磁赤道上空，軌道高度為600 km.圖6給出了ROCSAT衛星在2002年8月10日美洲磁赤道上空(經度10°—50°W、緯度30°S—30°N)5個連續軌道觀測到的離子垂直漂移速度.由于衛星軌道的原因，在第1、4和5個軌道期間ROCSAT衛星均沒有飛經磁赤道上空.在第2個軌道期間，在磁赤道上空觀測到強烈的垂直漂移速度，超過150 m·s-1，起止時間為05∶43—05∶53 UT；在緊接著的下一個軌道，衛星在該區域上空也觀測到了強的垂直漂移，速度稍弱，起止時間為07∶26—07∶33 UT.這說明美洲磁赤道上空至少在約05∶50—07∶30 UT期間存在較強的電離層垂直漂移.這個時間段大致與圖2中CHAMP衛星觀測到LS-TAD的第一個大氣密度增強大致吻合.一個可能的過程是：強的垂直漂移驅動電離層等離子體急劇抬升；通過離子-中性成分間的碰撞相互作用，驅動電離層等離子體抬升的部分能量轉化為中性大氣的局地擾動源，抬升中性大氣、激發波動，在局地高高度上形成密度增強.由于CHAMP衛星直到07∶30 UT左右才飛經美洲赤道上空，因此沒有觀測到在此之前的大氣密度增強.

圖6 ROCSAT 衛星在2002年8月10日在磁赤道上空5個連續軌道觀測到的離子垂直漂移速度圖中標識出了衛星飛越磁赤道前后的時間.黑三角表示磁赤道所在位置.Fig.6 Ion vertical drift detected during 5 continuous orbits over the geomagnetic equator on 10th Aug.2002In which the time before and after the satellite flew across the magnetic equator is portrayed.Black triangle marks the magnetic equator.

對流重力波體積力(body force)在熱層的耗散和破碎也是熱層大尺度二次重力波(second gravity waves)的重要激發源(Vadas and Liu，2009).Vadas 和 Crowley(2010)觀測到了與低高度對流相關聯的LS-TIDs.由于缺乏該區域低高度對流重力波的觀測資料，我們無法判斷其對本文所關注LS-TAD的貢獻.

既然北半球觀測到LS-TAD的激發源位于赤道附近，那么在南半球是否也應觀測到與之相對應的極向擾動？從大氣密度數據(圖2)看，CHAMP衛星在南半球沒有觀測到明顯的極向大氣行擾.但是，地面GNSS臺鏈卻記錄到了極向傳播的大尺度電離層行擾，如圖7所示.各南半球GNSS臺站均觀測到了相類似的sTECP擾動，擾動幅度隨著緯度增加而減弱；sTECP在各臺站間也表現出顯著的相位延時，這是典型的LS-TID的特征.其擾動周期與北半球LS-TID(圖3—4)相一致.

圖7 與圖5相同，只是由GPS PRN8的觀測結果Fig.7 Same as Fig.5,but for observations by GPS PRN8

4 結論

本文報道了一起地磁平靜期在赤道附近局地激發的LS-TAD事件.觀測數據表明，該LS-TAD事件在美洲赤道附近被激發，隨后以約722 m·s-1的水平視在相速度向北半球高緯傳播；地面GNSS臺鏈同時記錄到與之相伴隨的LS-TID特征.CHAMP衛星和GNSS地面臺鏈在南半球都沒有觀測到到與之相聯系的中性大氣/電離層前序擾動，推斷其可能由局地激發源產生，源自于磁赤道附近.結合ROCSAT衛星電離層垂直漂移觀測數據，我們認為突然增強的電離層垂直漂移是該LS-TAD事件可能的局地激發源.地面GNSS臺鏈在南半球同時也觀測到了與之相對應的極向LS-TID.

致謝CHAMP大氣質量密度及電子密度數據由德國地學中心提供.ROCSAT數據通過http:∥sdbweb.ss.ncu.edu.tw/v1/ipei_home.html獲得.地面GNSS臺站觀測數據通過http:∥sopac.ucsd.edu/dataBrowser.shtml下載；Sym-H指數通過http:∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp下載.