利用甚低頻信號相位變化特性判斷X射線耀斑類型的研究

王喆， 牛有田,2,3,4,5*， 周康潑， 王照迪， 郭松浩，趙修坤， 李貝， 鄭智淵

1 河南師范大學電子與電氣工程學院， 河南新鄉 453007 2 河南省電磁波工程院士工作站， 河南新鄉 453007 3 河南省光電傳感集成應用重點實驗室， 河南新鄉 453007 4 增材智能制造河南省工程實驗室， 河南新鄉 453007 5 河南省高校電磁波特征信息探測重點學科開放實驗室， 河南新鄉 453007 6 重慶交通大學航運與船舶工程學院, 四川重慶 402247

0 引言

VLF信號是指頻率在3～30 kHz之間的電磁波信號，其主要特點是波長長、衰減小、可以進行超遠距離傳輸，在潛艇通信(史偉等, 2011)、礦產資源探測(畢永興, 2016)、地震預報(Hayakawa, 2011)以及空間環境監測(蘇艷芳等, 2019)等方面具有廣泛應用.VLF信號在傳輸過程中不僅受到地面狀態的影響，還受電離層D層各類參數的影響(Thomson and Clilverd, 2001).電離層D層的參數主要由經緯度和空間天氣因素決定，如宇宙射線(Kumar and Kumar, 2018)、高能粒子沉降(Peter et al., 2006)等，此外電離層D層的敏感度與太陽活動周期呈反相關性(Macotela et al., 2017).

在太陽活動平靜狀態下，電離層D層的電子主要來源于Lyman-α射線(Mitra, 1972)、極紫外線(Tsurutani et al., 2009)及宇宙射線(Selvakumaran et al., 2015)的直接輻射.當X射線耀斑爆發時，X射線通量的劇增使其成為電離層D層的主要輻射源，大量帶電粒子被電離導致電離層D層電子密度突然增加，等效反射高度迅速降低(Thomson and Clilverd, 2001; Le H J, et al., 2019)，即電離層突然擾動(Sudden Ionospheric Disturbance，SID)現象.而電離層D層作為地面—電離層波導的上邊界，等效反射高度降低將導致VLF信號在波導中傳輸路徑發生改變，造成VLF信號的幅度和相位出現明顯異常.圖1展示了在太陽活動平靜狀態下和SID現象發生時VLF信號傳播路徑的變化.

圖1 SID現象發生時電離層D層高度的改變以及VLF信號傳播路徑的變化Fig.1 Changes in ionosphere D-layer height and VLF signal propagation path during SID phenomenon

盡管有很多學者對X射線耀斑與VLF信號之間的響應關系進行了深入研究，但目前關于X射線耀斑引起VLF信號相位響應不同類型的研究相對較少，為了探究X射線耀斑與VLF信號相位不同類型之間的響應關系，本文通過接收Alpha導航系統三個站臺發射的頻率為11.9 kHz、12.6 kHz、14.9 kHz的九路VLF信號進行相位觀測，對2002年發生的X射線耀斑事件進行了分析研究(黃輝和吉春生, 2005).

1 VLF信號發射站臺與接收系統簡介

在本研究中的VLF信號發射站臺主要是由俄羅斯Alpha導航系統中位于Novosibirsk的主臺、Krasnodar的西副臺以及Khabarovsk的東副臺組成(黃輝和吉春生, 2005)，接收站臺位于河南省新鄉市.本文主要對主臺—新鄉傳播路徑下的VLF信號進行分析，表1(黃輝和吉春生, 2005)提供了VLF發射站臺和接收站臺的基本信息.根據地球大圓距離計算公式可知(付職忠, 1990)，主臺與新鄉之間的大圓路徑距離約為3187.7 km，屬于遠距離傳播.

表1 Alpha導航系統發射站臺和新鄉接收站臺基本信息Table 1 Basic information of Alpha navigation system transmitting station and Xinxiang receiving station

接收站臺利用VLF信號監測系統可以24小時不間斷地實時接收并記錄來自Alpha導航系統的VLF信號的幅度和相位等相關數據，并將處理過的數據儲存到計算機中.VLF信號監測系統框圖如圖2所示，系統主要由四部分組成：鞭狀天線、VLF信號鎖相接收機、銣原子頻標、計算機，其中鞭狀天線與VLF信號鎖相接收機相連，接收來自Alpha導航系統主臺三個不同頻率的VLF信號，銣原子頻標為接收機提供本地頻率標準，最終將VLF信號幅度和相位等處理過的數字信號傳輸到計算機中進行存儲.

圖2 甚低頻信號監測系統框圖Fig.2 Block diagram of VLF signal monitoring system

電離層D層在夜間完全消失將造成無法觀測耀斑對VLF信號相位的影響，而本研究中的VLF信號發射臺和接收臺距離遠，傳播路徑中可能出現一部分地區處于向陽面一部分地區處于背陰面，所以只要傳播路徑上存在向陽的地區即可保證系統正常觀測.文中使用的耀斑數據來源于GOES-8衛星記錄的波長為1～8?的X射線峰值通量密度F0(W·m-2).(https:∥satdat.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/full/).

2 理論分析及試驗觀測結果

2.1 理論與數據分析

X射線耀斑爆發對VLF信號的影響主要在于幅度和相位，本文主要通過VLF信號相位對X射線耀斑的響應進行分析.假設在太陽活動平靜情況下VLF信號的相速度為vp(m·s-1)，根據“波導?！崩碚?Wait, 1959; 劉萬通, 1987)可知太陽活動平靜時相速度可表示為

(1)

若電離層等效反射高度變化為Δh，對應的VLF信號相位變化量為Δφ，則兩者的關系為

(2)

由此可以得到電離層等效反射高度變化量Δh與VLF信號相位變化量Δφ之間的關系：

(3)

根據(1)—(3)式可以推算出當耀斑爆發時電離層D層的等效反射高度變化值，以及VLF信號相位的異常變化量，再結合主臺—新鄉傳播路徑下的擬合公式(4)(張優賢，2014)計算出耀斑峰值X射線通量密度，便可以進行耀斑等級預測研究.

F0=3.633e0.7476Δh×10-3.

(4)

通過VLF信號監測系統發現地方時(Local Time，LT)2002年07月06日主臺三個頻率VLF信號發生相位突然異常(Sudden Phase Anomaly，SPA)現象，由上文公式計算出三個頻率的VLF信號異常值統計在表2中，其中Δφ是指VLF信號受到SPA現象影響而引起的相位變化量，單位是百分周(cec,1 cec=3.6°)，Δh代表電離層D層等效反射高度的變化量，單位是km.圖3a為該日Alpha主臺—新鄉路徑下VLF信號相位隨時間變化的曲線，其中紅、藍、綠三種顏色的曲線分別代表11.9 kHz、12.6 kHz、14.9 kHz三個不同頻率的信號，圖3b為GOES衛星公布的當日X射線通量隨時間變化曲線圖.從圖3b中可以明顯地看到在11∶28LT X射線通量迅速升高，根據表3中GOES衛星發布的耀斑數據可知，此次X射線通量密度急劇升高以及SPA現象是由一個11∶28LT爆發的M1.8級X射線耀斑引起的.從圖3(a、b)中深藍色框選部分可以看出X射線通量以及VLF信號相位變化與耀斑的對應關系.

圖3 (a) 在Alpha主臺-新鄉路徑下2002年07月06日不同頻率的VLF信號相位隨時間變化曲線；(b) 2002年07月06日X射線通量隨時間變化曲線Fig.3 (a) VLF signal phase versus time curve of different frequencies on July 06, 2002 under the path from Alpha main station to Xinxiang； (b) Variation curve of X-ray flux with time on July 06, 2002

表3中Start是X射線耀斑爆發的開始時間，Max是峰值時間，End是終止時間，X-ray Flare Level表示太陽耀斑爆發時放射出的X射線所對應的太陽耀斑級別，Region表示太陽上耀斑爆發區域的編號，Flux表示該耀斑爆發過程所釋放的通量，單位為W·m-2，Δφ1、Δφ2、Δφ3和Δh1、Δh2、Δh3分別表示11.9 kHz、12.6 kHz和14.9 kHz三個不同頻率VLF信號的相位變化量以及電離層等效反射高度變化量.GOES衛星是依據世界時發布的耀斑數據，而本研究所用的監測系統是基于地方時(北京時間)進行記錄的，本地地方時和世界時的關系為LT=UT+8，表3中的耀斑時間是將GOES衛星公布的數據轉換為地方時的結果，下文中的GOES衛星數據同樣轉換為了地方時.

表2 VLF信號監測系統監測的2002年07月06日Alpha主臺-新鄉路徑下的太陽耀斑數據Table 2 Solar flare data under the path from Alpha main station to Xinxiang on July 06, 2002 monitored by VLF signal monitoring system

表3 GOES衛星監測的2002年07月06日太陽耀斑數據Table 3 Solar flare data July 06, 2002 monitored by the GOES

在07月06日的SPA事件中，VLF信號相位呈現出一種“尖峰”狀超前變化，通過觀察對比同年其余相位曲線以及耀斑數據，發現同樣變化趨勢的相位曲線都是由同種類型的X射線耀斑爆發引起的，該類型的耀斑總是以一種急起的態勢爆發并迅速達到峰值，本研究中將這種引起相位尖峰狀超前的X射線耀斑稱為“急始型”X射線耀斑.該研究通過VLF信號監測系統觀測了2002年01月01日—12月31日發生的太陽耀斑事件，由于Alpha導航系統每個月有3～4天對設備進行維護檢修導致無法發射VLF信號，而且本文所用的VLF 信號監測系統因為停電等因素會造成數據缺失，通過篩除C5.0級以下引起相位超前現象不明顯的耀斑，最終只得到可用于分析的C5.0級以上耀斑事件共計127例，其中包含急始型X射線耀斑75例，若將全部數據在文中列出則篇幅過長，所以僅對表4中列出的其中的36例急始型耀斑數據進行分析.經過了解得知GOES衛星是根據X射線通量變化判斷耀斑進程的(https:∥www.swpc.noaa.gov/products/goes-x-ray-flux)，衛星以1～8?的X射線通量急劇單調增加的第一分鐘為耀斑開始時間，以1～8?的X射線通量水平衰減到最大通量和耀斑前背景通量水平的中間值的時間為耀斑結束時間.因此衛星所記錄的耀斑時間數據與X射線通量曲線之間存在誤差，所以需要根據經驗對耀斑時間數據進行人工判讀，表4中耀斑的各階段時刻值為人工判讀的結果；其中PCT表示耀斑從開始爆發到達峰值所用時間在整個耀斑持續時間中的占比，PCT=(Max-Start)/(End-Start)×100%.統計結果顯示，急始型X射線耀斑的PCT值最大為30.00%，最小為25.71%.

表4 2002年部分急始型X射線耀斑數據Table 4 The partial data of sudden commencement X-ray flares in 2002

急始型X射線耀斑的數量在2002年觀測的耀斑總量中占比接近60%.與該類型耀斑相比還有另外一種爆發次數較少的X射線耀斑，根據VLF信號監測系統記錄的數據，發現在地方時2002年04月21日的VLF信號相位曲線、X射線通量曲線發生了與急始型X射線耀斑的響應曲線明顯不同的變化趨勢，圖4分別為當日VLF信號相位曲線以及X射線通量曲線，圖4a中VLF信號相位曲線于08∶43 LT開始出現相位超前現象，09∶51 LT相位達到峰值，VLF信號的相位曲線呈現出“小山丘”狀的緩慢變化，同時從圖4b中也可以看到X射線通量曲線呈現出與相位曲線類似的緩慢變化.2002年04月21日主臺三個頻率的VLF信號異常值記錄在表5中，表6為GOES衛星監測的耀斑數據.

圖4 (a) 在Alpha主臺-新鄉路徑下2002年04月21日不同頻率的VLF信號相位隨時間變化曲線；(b) 2002年04月21日X射線通量隨時間變化曲線Fig.4 (a) VLF signal phase change curve of different frequencies on April 21, 2002 under the path from Alpha main station to Xinxiang； (b) The time change curve of daily X-ray flux on April 21, 2002

通過分析表5中VLF信號監測系統記錄的耀斑數據，發現該類型的耀斑從開始爆發到達到峰值所用時間在整個爆發過程中相對較長.在本研究中，把這種引起VLF信號相位曲線緩慢變化的耀斑稱為“緩變型”X射線耀斑.通過篩選的耀斑數據得知2002年內C5.0級以上的緩變型X射線耀斑事件共計52例，其數量約占全年耀斑總量的40%，同樣由于篇幅原因在表7中僅列出其中的23例耀斑數據進行分析.耀斑事件三個階段的時刻值仍然需要參照NOAA公布的數據進行人工判讀，表7中耀斑的各階段時刻值為人工判讀的結果.統計結果顯示，緩變型X射線耀斑的PCT值最小為36.00%，最大達到40.98%.

圖5 (a) 在Alpha主臺-新鄉路徑下2001年03月30日不同頻率的VLF信號相位隨時間變化曲線；(b) 2001年03月30日X射線通量隨時間變化曲線Fig.5 (a) VLF signal phase change curve of different frequencies on March 30, 2001 under the path from Alpha main station to Xinxiang； (b) The time changes curve of X-ray flux on March 30, 2001

表5 VLF信號監測系統監測的2002年04月21日Alpha主臺-新鄉路徑下的太陽耀斑數據Table 5 Solar flare data under the path from Alpha main station to Xinxiang on April 21, 2002 monitored by VLF signal monitoring system

表6 GOES衛星監測的2002年04月21日太陽耀斑數據Table 6 The solar flare data on April 21, 2002 monitored by the GOES

1.2 試驗驗證與分析

接下來對本研究中判斷耀斑類型的方法進行可行性分析，驗證過程分別選取2001年03月30日和2004年07月14日的X射線耀斑作為分析對象.

首先對2001年03月30日的X射線耀斑進行分析，通過觀察X射線通量曲線和Alpha主臺-新鄉路徑下VLF信號的相位曲線，發現在當日12∶11 LT和17∶16 LT爆發了X射線耀斑，兩次耀斑爆發時，VLF信號的相位曲線均出現了形如“小山丘”狀的異常超前現象，因此推斷這兩個耀斑為緩變型X射線耀斑.下面利用本研究中的判斷標準對兩次耀斑的類型進行確認，爆發于12∶11 LT的耀斑，在13∶15 LT達到峰值，14∶48 LT耀斑爆發結束，VLF信號相位恢復正常.該耀斑從開始爆發到達到峰值的時長在整個耀斑過程所用時長中的占比為40.76%，因此該耀斑為緩變型X射線耀斑.第二個耀斑爆發于17∶16 LT，在17∶28 LT達到峰值，17∶47 LT耀斑爆發結束，VLF信號相位恢復正常.該耀斑從開始爆發到達到峰值的時長在整個耀斑過程所用時長中的占比為38.71%，因此該耀斑同樣為緩變型X射線耀斑.圖5(a、b)分別為當日的VLF信號相位曲線圖以及X射線通量圖，圖5b中第一次耀斑爆發時的X射線通量曲線受到了不明原因的影響，導致無法觀察完整的曲線變化情況，但依據經驗從趨勢上判斷確認與此爆發的耀斑對應，兩次耀斑的等級分別為M2.2級和M1.0級.

表7 2002年部分緩變型X射線耀斑數據Table 7 The partial data of the 2002 slowly varying X-ray flares

其次對2004年07月14日的X射線耀斑進行分析，根據X射線通量曲線和Alpha主臺-新鄉路徑下VLF信號的相位曲線，發現在當日13∶02 LT爆發了X射線耀斑，VLF信號的相位曲線出現了“尖峰”狀的異常超前現象，因此推斷該耀斑為急始型X射線耀斑.下面利用本研究中的判斷標準確定該耀斑的類型，結合GOES公布的耀斑數據以及X射線通量曲線對耀斑各階段的時刻值進行綜合判讀，該耀斑爆發于13∶02 LT，在13∶23 LT達到峰值，14∶27 LT耀斑爆發結束，VLF信號相位恢復正常.該耀斑從開始爆發到達到峰值的時長在整個耀斑過程所用時長中的占比為24.71%，因此確認該耀斑為急始型X射線耀斑，耀斑級別為M6.2級.圖6(a、b)分別為當日的VLF信號相位曲線圖以及X射線通量圖.

圖6 (a) 在Alpha主臺-新鄉路徑下2004年07月14日不同頻率的VLF信號相位隨時間變化曲線；(b) 2004年07月14日X射線通量隨時間變化曲線Fig.6 (a) VLF signal phase change curve of different frequencies on July 14, 2004 under the path from Alpha main station to Xinxiang； (b) Variation curve of X-ray flux with time on July 14, 2004

為探究耀斑等級對耀斑類型的影響，本文將急始型耀斑與緩變型耀斑分為M級以上和M級以下對耀斑爆發次數進行了歸一化處理，歸一化的結果是M級以上耀斑中急始型和緩變型分別占39.4%、24.2%，M級以下耀斑中急始型和緩變型分別占19.7%、16.7%，將該結果以柱狀圖的形式呈現出來，如圖7所示.可以看出對不同等級情況的耀斑而言，兩種類型的耀斑占比相差并不大，因此本研究推測耀斑等級對耀斑類型沒有明顯影響.將表4和表7中兩種類型的X射線耀斑按編號順序分別繪制出來，結果如圖8所示.

圖7 不同等級分類下急始型和緩變型X射線耀斑數量占比圖Fig.7 Proportion of sudden commencement and slowly varying X-ray flares under different classification grades

3 總結與討論

本文通過分析2002年X射線耀斑對新鄉接收到的Alpha導航系統VLF信號的影響，得出如下結論：

(1)太陽耀斑的爆發會對VLF信號相位產生不同影響，根據相位的響應形態可以將X射線耀斑分為急始型和緩變型兩類.

(2)耀斑等級對耀斑類型沒有明顯影響，影響耀斑類型判別的主要因素為：耀斑從開始爆發到達到峰值所用的時長在耀斑持續時長中的占比.

X射線耀斑爆發時，電離層D層電子濃度增加，將會改變電離層D層的特性，從而影響在地面—電離層波導中傳播的VLF信號相位和幅度，VLF信號的相位對X射線耀斑爆發呈現出不同的響應曲線，由此區分出急始型和緩變型兩種類型的X射線耀斑.但是目前不同類型X射線耀斑的成因有待進一步研究，需要持續對VLF信號的異常情況進行分析，收集更多相關的太陽耀斑事件.

圖8 (a) 急始型X射線耀斑等級統計圖； (b) 緩變型X射線耀斑等級統計圖Fig.8 (a) Statistical chart of the grade of sudden commencement X-ray flares；(b) Statistical charts of the grade of slowly varying X-ray flares

致謝本文所用X射線數據來源于美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的網站：https:∥satdat.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/full/.文中的本地數據是牛有田教授在中國電波傳播研究所工作時進行觀測收集的結果.