2020 年6 月21 日日環食電離層Es 響應研究

劉瑤 張鸚琪 胡艷莉 張雅彬 鄧忠新 徐彬 徐朝輝 李江華

（1. 中國電波傳播研究所 電波環境特性及?；夹g重點實驗室，青島 266107；2. 齊魯理工學院，濟南 250200；3. 武漢大學電子信息學院，武漢 430079）

引 言

日食期間月球遮蔽太陽光，使得地球特定區域光照大大減弱，月球陰影快速略過地球，月影覆蓋區域快速經歷了類似日出、日落現象，短時間內太陽輻射逐漸消失又恢復至正常狀態. 電離源(太陽輻射) 狀態的改變會對電離層中的光、熱、電磁輻射等物理過程產生影響，使得中高層大氣環境發生改變[1-7].

過去幾十年中，相關科研人員對日食引起的電離層變化進行了廣泛深入的研究[8-24]. 對日食的研究，常見的觀測設備有：法拉第旋轉觀測設備、電離層垂測儀觀測網、非相干散射雷達、全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)監測網以及探空火箭等. 我國學者對日食引起的電離層物理變化過程的研究積累了大量試驗數據，推動了國內日地空間環境耦合機制相關問題的研究進展[8].

以往觀測日食期間電離層變化，多使用單一觀測手段(如：垂測儀(網)、GNSS 監測(網))，觀測到的電離層參量也較為單一. 文獻[25-26]聯合地基、天基觀測設備，對2020 年6 月21 日日環食期間全球范圍內電離層總電子含量(total electron content, TEC)變化這一大尺度參數進行研究，得出了太陽輻射減少不是此次日環食期間電離層TEC 變化的唯一主導因素，TEC 的變化同時受中性風、等離子體運動等因素影響的結論.

2020 年6 月21 日日環食期間，本文基于便攜式電離層垂測儀、VHF 相干散射雷達兩種不同類型設備開展聯合觀測試驗，分析日環食對特定區域電離層Es 這一小尺度參數的影響，并對其演化過程進行了分析討論.

1 日環食及其觀測設備

1.1 2020 年6 月21 日日環食

2020 年6 月21 日 日 環 食 始 于 非 洲 中部(04:47:42UT)，結束于西太平洋(08:32:20UT)，月球的偽本影在地球表面總共停留3 h 44 min 38 s. 偽本影進入我國西藏西部的時間是06:41:00UT ，約08:15:00UT 離開我國臺灣省.

本次日環食期間，利用位于云南省曲靖市的VHF 相干散射雷達及便攜式電離層垂測儀對日環食期間電離層狀態開展聯合觀測. 兩套設備觀測位置距離日環食帶區域300 km，觀測設備地理位置如圖1 所示. 圖(a) 中黃圈為觀測設備的大致位置；圖(b)為兩套設備詳細位置，其中黑色五角星為便攜式電離層垂測儀所在位置，紅色五角星為VHF相干散射雷達所在位置. 表1 給出了曲靖市者海鎮的坐標、食分及日環食各事件的發生時間.

圖1 日環食帶與兩套觀測設備地理位置圖Fig. 1 The sketch of annular solar eclipse region and two sets of the observation equipments

表1 曲靖市者海鎮位置和日偏食基本情況Tab. 1 The location of Zhehai town Qujing city and the basic information of the annular solar eclipse

1.2 VHF 相干散射雷達

VHF 相干散射雷達用于觀測電離層E 層、F 層不均勻體，獲取其回波功率、回波信噪比、譜寬、漂移速度這4 個參數.

VHF 相干散射雷達于2015 年底完成安裝、調試，2016 年開始常規觀測試驗. VHF 相干散射雷達天線陣使用24 副八木天線組陣，每4 副天線組成一個觀測通道，整套系統共6 個通道，雷達基本參數如表2所示.

表2 曲靖VHF 相干散射雷達基本參數Tab. 2 Basic parameters of Qujing VHF coherent scattering radar

2020 年6 月21 日的日環食期間，VHF 相干散射雷達采用E 層、F 層交替觀測的模式，E 層、F 層觀測周期為1 min. 日環食前后，VHF 相干散射雷達工作正常，獲取了連續3 天的觀測數據.

1.3 便攜式電離層垂測儀

依據散射理論，E 層不均勻體高度h與VHF 相干散射雷達天線陣方向圖仰角 θ之間存在一個簡單轉換關系：h=r×cos θ，其中r為雷達斜向探測距離，θ=52°. 電離層E 層不均勻體高度取100 km，對應垂測儀的觀測地點為曲靖者海鎮區域.

電離層垂測儀從地面垂直向上發射掃頻脈沖波，測量分析得到電離層反射回波到達接收機的延時，從而獲得虛高隨頻率的變化圖，即頻高圖. 通過對頻高圖的分析計算，得到電離圖的特征參數.

本次日環食期間，在曲靖者海鎮布設了一套便攜式電離層垂測儀，配套倒V 天線，對該區域電離層進行探測，并聯合VHF 相干散射雷達觀測數據一同分析該區域電離層在日環食期間的變化. 便攜式垂測儀的基本參數如表3 所示.

表3 便攜式電離層垂測儀基本參數Tab. 3 Basic parameters of portable ionosonde system

2 觀測結果及分析

2.1 便攜式垂測儀觀測結果

6 月21 日日環食期間，便攜式垂測儀正常工作，每2 min 完成一次觀測，為了對比分析日環食對電離層Es 的影響，于2020 年6 月20 日至22 日進行連續觀測，圖2 和圖3 分別為者海鎮上空電離層Es 截止頻率foEs 及h′Es 隨時間的變化曲線.

從圖2 和圖3 可以看出，6 月20 日到22 日這三天，foEs 和h′Es 全天的變化形態保持一致即白天時段(0:00UT—12:00UT)的foEs 高 于 晚 上，h′Es 從0:00UT 開始呈現一個下降趨勢.

圖2 日環食前后foEs 隨時間變化曲線Fig. 2 The variation of foEs with time around annular solar eclipse

圖3 日環食前后h′Es 隨時間變化曲線Fig. 3 The variation of h′Es vs. time around annular solar eclipse

對日環食發生時間段內，曲靖市者海鎮電離層Es 變化形態進行詳細分析. 6 月20 日該時間段內，h′Es 先降低再保持一個變化不大的曲線，即呈現出“高、低、平”的變化；foEs 在同一個時間段，變化形態 與h′Es 變 化 大 致 類 似. 6 月21 日 該 地 區foEs、h′Es 均先呈下降趨勢，再開始增長，即整個日環食階段，foEs 和h′Es 表現為“高、低、高”的變化. 6 月22 日該地區h′Es 呈現“高、低、平”的變化形態，foEs 則表現為“低、高、低”的形態變化.

日環食前后兩天foEs、h′Es 變化形態與日環食期間形態不同，而且20 日、22 日foEs 要比21 日日環食期間高.

2.2 VHF 相干散射雷達觀測結果

VHF 相干散射雷達在日環食期間工作正常，每2 min 完成一次對電離層E 層的觀測. 圖4 給出了6 月20 日至22 日三天VHF 相干散射雷達功率譜分析結果，6 月20 日電離層E 層回波較強時間段集中在13:00:00LT 至15:00:00LT；6 月21 日，VHF 雷達僅在08:00:00LT 至10:00:00LT 時間段觀測到電離層E 層回波，其余時段回波比較弱；6 月22 日，電離層E 層回波較強時間段集中在10:30:00LT 至14:00:00LT.

圖4 VHF 相干散射雷達功率譜Fig. 4 The power spectrum of VHF coherent scattering radar

6 月21 日，在日環食初虧始到復圓時段，VHF 雷達并未觀測到曲靖市者海鎮上空電離層E 層回波.6 月20 日，VHF 雷達在相同時段觀測到E 層較強電離層回波，功率值為50～60 dB. 而在6 月22 日，相同時段VHF 雷達收到的電離層回波比6 月20 日弱，其功率值為40～50 dB.

利用VHF 雷達對6 月20 日、21 日、22 日三天電離層不均勻體的漂移速度進行分析，結果如圖5所示. 6 月21 日，日環食初虧始到復圓時段，VHF 雷達并未觀測到有效的電離層回波，因此相應的電離層漂移速度為0. 而在6 月20 日、6 月22日均觀測到電離層不均勻體漂移速度大致為50 m/s，漂移方向為遠離VHF 雷達徑向.

圖5 電離層不均勻體的漂移速度Fig. 5 Drift velocity of ionospheric irregularities

2.3 分析與討論

常規E 層的中性分子轉換為分子、離子主要是光電作用，其形成主要是受太陽活動影響[27]. 白天時段，太陽光是電離層E 層中性分子轉換為分子、離子的主要電離輻射源. Swider[28]認為電離層中金屬離子 M+的最大壽命時間與太陽光輻射強度成正比，金屬離子在光化學作用下的轉化過程可表示為：

從電離層垂測儀觀測結果(圖2、圖3) 看，foEs(電離層Es 濃度) 經歷了正常至變小再到正常的過程，電離層Es 高度分布h′Es 也經歷了高低高的變化過程. 同時段VHF 相干散射雷達觀測結果(圖4、圖5)表明，日環食期間電離層Es 回波完全消失. 日環食期間電離層Es 的變化過程與日食事件高度吻合，盡管電離層Es 有顯著的逐日變化和日內短時變化，但基本上可以判斷日環食對電離層Es 產生了顯著影響.

太陽輻射作為電離層Es 生成主要激勵源，日食期間中性成分電離率降低，進而導致電離層E 層高度范圍內分子、離子組分減少，形成電離層Es 的“源”較少，進而產生了foEs 降低的現象[29-30].

3 結 論

2020 年6 月21 日日環食期間，使用VHF 相干散射雷達和便攜式垂測儀，對日環食期間云南曲靖地區電離層Es 變化進行觀測. 對觀測數據統計分析發現，得到以下結論：

1)日環食當日，foEs 先降低再升高，整個日環食時段呈現出“高、低、高”的變化形態，而前后兩天則表現為“高、低、高”、“低、高、低”的現象.

2) 6 月20 日、6 月22 日，foEs 整體 上 要比6 月21 日高.

3)日環食當日，h′Es 變化形態與foEs 的變化形態一致，表現為“高、低、高”的一個變化.

4)日環食前后兩天，h′Es 的變化形態與日環食當日不同，均表現為“高、低、平”.

本次試驗在垂測儀的基礎上聯合VHF 相干散射雷達對同一地區小尺度范圍內電離層狀態變化進行了探測，觀測結果有助于電離層Es 形成機制、機理的補充和完善.