2017-09-07～08磁暴期間全球尺度電離層擾動

王金勇 陳必焰 曹恒瑞

1 中南大學地球科學與信息物理學院,長沙市麓山南路932號,410083

磁暴期間太陽風-磁層-電離層的耦合作用會導致電離層發生劇烈擾動,對衛星通訊、導航定位、高壓輸電等造成嚴重影響。2017-09-06以來爆發的X9.3級等一系列特大耀斑對處在活動平靜期的太陽是不同尋常的,同時也導致2017-09-07～08地球發生強磁暴和劇烈的電離層擾動。前人針對本次強磁暴期間電離層擾動進行了大量研究[1-8],不過大多局限于單站或區域性數據分析,缺少全球尺度的電離層擾動三維變化研究;同時研究重點多集中于電子密度值和地磁活動值等信息上,缺少對相應變化值的討論。針對以上不足,本文基于電離層層析技術分析本次磁暴期間全球性電離層電子密度的三維變化情況。

1 數據與方法

1.1 數據來源

本研究數據來自中國CMONOC、美國UNAVCO、歐洲EPNCB、澳大利亞ARGN、非洲AFREF、巴西IBGE等6個CORS系統和IGS的觀測文件,根據測站數據質量和位置分布情況,挑選出2 645個站點參與實驗,站點分布見圖1。可見,站點在亞洲、澳洲、歐洲、美洲等區域分布密集,在非洲、中東和海洋等區域分布稀疏。采用布設虛擬觀測站的方法解決測站分布不均的問題。在全球范圍布設緯度1.5°、經度3°分辨率的虛擬觀測站,根據精密星歷文件提供的衛星位置信息和GIM數據內插得到各穿刺點的VTEC值,通過投影函數轉換為STEC虛擬觀測值,以彌補觀測數據的缺失。

圖1 GNSS觀測站分布Fig.1 Distribution of GNSS observation stations

1.2 GNSS電離層層析技術

從CORS系統和IGS分別獲取各站點的觀測值文件、GPS導航電文文件、精密星歷和差分碼偏差文件,根據地面站的GPS觀測數據推導STEC的觀測值[9]。

為提取出電子密度的變化量,在建立層析方程時選用dSTEC實現殘差電離層層析。

(1)

dSTEC=STECobs-STECm

(2)

然后在層析區域建立格網模型,并假設每個體格網中的電子密度相同,則有:

dSTECm×1=Am×n·Δxn×1+εm×1

(3)

式中,m是STEC的測量次數,n是重建區域的體素格網個數;矩陣A由各條射線在對應格網中的截距組成;Δx為格網內電子密度的變化量;ε為隨機噪聲。

采用同時代數重構算法(simultaneous algebraic reconstruction technique, SART)求解層析方程組,該算法通過迭代逐步修正體素網格內的電子密度變化量。對于第k+1次迭代,SART算法計算的第j個格網的電子密度變化量為:

(4)

通過以上迭代算法即可得到層析區域內各體素格網中電子密度的變化情況。本實驗格網分辨率為經度3°、緯度1.5°、高程50 km,研究范圍為87°N～87°S、180°W～180°E、高程100～1 000 km,時間分辨率為1 h。采用兩步法思想[10]進行計算,首先利用虛擬觀測站的虛擬觀測值按照dSTEC計算方式求得虛擬電離層殘差,以SART算法進行殘差電離層層析;在計算結果的基礎上,用實際測站觀測數據按同樣方法再次進行層析計算,可有效避免因缺少觀測數據導致的計算結果不佳和空值的問題。

2 地磁活動情況

分析磁暴期間的電離層擾動特征首先需要關注磁暴期間的太陽和地磁活動情況[5]。圖2為2017-08-25～09-11磁暴環電流指數Dst、行星性等效3 h幅度Ap、行星際磁場指數IMF-Bz以及太陽輻射指數F10.7的變化情況。圖中,水平點線為地磁活動指數的磁暴判定標準,下圖為上圖虛線框部分的詳細情況,3條垂直虛線分別對應09-07 20:00、09-08 01:00和09-08 11:00(如無特殊說明,本文時間均為UTC時)。

圖2 2017-08-25～09-11太陽和地磁活動Fig.2 Solar and geomagnetic activities from August 25 to September 11,2017

從圖2可以看到,09-04和09-06太陽發生劇烈活動,F10.7指數分別高達140 sfu和133 sfu。根據空間環境預報中心(Space Environment Prediction Center, SEPC)的報告可知,上述時間太陽爆發了一系列特大耀斑,隨后地球發生磁暴。第1次磁暴于09-07 20:00開始,Dst指數快速減小,Ap指數突然增加,IMF-Bz分量迅速向南轉向。日冕物質拋射(coronal mass ejection, CME)抵達地球后,09-08 01:00 Dst指數和Ap指數分別達到最小值和最大值,分別為-124 nT和207 nT,IMF-Bz分量也稍早達到最小值-31.0 nT。IMF-Bz在恢復正常后,于09-08 11:00再次轉向南向,并迅速達到最小值-15.7 nT,同時Dst和Ap指數也發生突變并在相近時間內達到峰值,分別為-109 nT和236 nT,表明第2次磁暴爆發。十數個小時之后,地磁場逐漸恢復平靜,各指數恢復正常。

3 電離層擾動分析

3.1 電離層擾動二維分析

根據CODE發布的GIM文件,采用滑動四分位法探測電離層TEC變化的二維異常情況,結果見圖3、4。可以看到,2次磁暴期間均出現明顯的全球尺度的電離層擾動。第1次電離層擾動始于09-07 21:00,稍晚于地磁場異常,在地磁活動達到最劇烈的09-08 01:00,電離層擾動也達到最大,持續約3 h后逐漸恢復平靜;而在平靜期,低緯非洲地區仍存在電離層擾動,這可能是由磁暴恢復相期間某種特性引起的,可能與之后發生的第2次磁暴有關。最初擾動主要發生在南極、太平洋西部、南部及北美北部地區,之后逐步擴散至亞洲、澳洲及非洲,產生全球尺度的電離層擾動。極地雖然也存在擾動現象,但總體來看,低緯度地區的擾動強度(4.1～16.6 TECu)和范圍均大于中高緯度地區(1.8～14.2 TECu),不過這并不能說明磁暴在低緯度地區的影響更大,因為低緯度地區太陽輻射的能量遠大于中高緯度地區,即使是地磁平靜期間,低緯度地區的TEC值也要更高一些。在電離層擾動恢復期間,即09-08 04:00～06:00,100°～160°W北極區域ΔTEC呈現負值,這可能是自由電子在電離層中移動造成的。

圖3 2017-09-07電離層擾動二維分布Fig.3 Two-dimensional distribution of ionospheric disturbances on September 7, 2017

圖4 2017-09-08電離層擾動二維分布Fig.4 Two-dimensional distribution of ionospheric disturbances on September 8, 2017

第2次電離層擾動始于09-08 13:00,同樣稍晚于磁暴發生時間,13:00～15:00電離層擾動逐漸劇烈,持續2 h后,于18:00變小并漸漸趨于平靜。大西洋中部、澳洲西部及南極洲地區首先出現電離層擾動,之后擾動范圍擴散至全球尺度,亞洲西部、非洲北部、南美洲地區均出現強烈的電離層擾動。在擾動恢復期間,歐洲地區出現較為明顯的負異常,之后異常區域逐漸向西移動。值得注意的是,同時南半球電子密度明顯增加,可能是第2次磁暴磁場變化產生電場,使電子在電離層中發生移動所致。2次電離層擾動在赤道附近南北緯均存在雙峰現象,第2次擾動在南美洲及大西洋中部區域更加明顯,可能是磁暴加劇了噴泉效應的作用。

3.2 電離層擾動三維分析

圖5為殘差電離層層析方法重構所得2次磁暴期間電離層擾動造成的電子密度變化情況,分別展示層析結果的高度和經度分層剖面,x軸表示經度,y軸表示緯度,z軸表示高程。可以發現,電子密度變化主要發生在中低緯度地區,在高程方向上主要發生在100～600 km的電離層中,并集中于300～450 km處,其他高度處電子變化不明顯,這與平靜時期電離層中電子密度的實際分布情況相符。由此判斷,電離層擾動的強度與電離層本身在平靜時的自由電子分布情況緊密相關,平靜時電子密度越密集,擾動時強度越大。375 km高程處電子密度變化情況相較于其他高度處更加劇烈,變化量可達(3.7～9.4)×105el/cm3,同時觀察到在第1次磁暴初始相和恢復相期間,即09-07 20:00～09-08 05:00存在明顯的赤道電離層異常;第2次磁暴的整個發展過程中,375 km高程處一直存在赤道電離層異常現象。以下詳細分析2次磁暴期間375 km高度處電離層電子密度的變化情況(圖6)。

圖5 2次磁暴期間電離層擾動導致的電子密度三維變化Fig.5 Three-dimensional variations of electron density caused by ionospheric disturbance during two geomagnetic storms

如圖6(a)所示,在磁暴初始相09-07 21:00～23:00和恢復相09-08 04:00～07:00存在明顯的赤道電離層異常現象,在南北緯0°～36°區間內,電子密度變化值高達(3.7～9.4)×105el/cm3,同時電子密度變化在南北半球呈現不對稱分布。磁暴初始相期間,在澳大利亞南部存在電子密度負異常,375 km高程處電子密度變化量在(-0.08～-0.74)×105el/cm3之間。磁暴恢復相期間,在北美南部和加勒比海區域存在電子密度負異常,變化量在(-0.04～-0.92)×105el/cm3之間。Yin等[8]采用層析技術重點探測北美地區電離層擾動,發現09-08 00:00～02:00出現橫貫美國西南的TEC增加現象,電離層擾動時間和分布與本文探測結果一致。

圖6(b)展示了第2次磁暴期間09-08 13:00～21:00電離層電子密度在375 km高程處的變化情況。可見,赤道電離層異常現象始終存在,在南北緯0°～30°區間內,電子密度變化值達到(3.3～8.2)×105el/cm3;電離層異常集中在赤道附近,赤道雙峰雖然存在,但不如第1次磁暴明顯。在磁暴恢復相期間,南北半球電子密度變化存在顯著差異,北半球電子密度下降,南半球電子密度上升,與前文根據GIM數據探測的結果吻合。

在磁暴恢復相期間,電離層擾動呈現南北半球不對稱現象,原因除了南北半球能量不對稱耗散和熱層夏冬季節環流的作用外[11],推測磁暴恢復時地磁場的迅速變化產生的感應電場也會對自由電子的傳播運動產生重要影響。同時注意到,電離層擾動整體呈現自東向西的運動趨勢,這與太陽輻射和地球自轉有關。電離層在受到直接太陽輻射時電離作用才能夠充分發揮,磁暴產生的影響才有作用的客體,而地球自西向東轉動導致太陽輻射在地球上的位置自東向西移動。

電離層層析技術的優勢在于可以反演電子密度的三維變化情況。圖7(a)展示了第1次磁暴期間沿115.5°E剖面的電離層電子密度變化情況。可以看出,09-07 21:00電子密度變化逐漸加劇,緯度向從南極區域和赤道低緯度21°N～16.5°S區域附近逐步擴散至全部緯度,僅北極區域72°～87°N稍顯平靜。尹匯民等[1]根據極區的GNSS觀測站數據同樣發現南極地區電離層擾動強度大于北極地區。擾動高度范圍由200～400 km擴散至100～700 km,變化平均值也從1.6×105el/cm3增加至5.7×105el/cm3。在經過約3 h的全球尺度擾動后,09-08 04:00電離層逐漸恢復平靜,不過在低緯度地區仍然存在電離層擾動,可能與幾小時之后的第2次磁暴有關。22.5°～40.5°S區域在磁暴初始相21:00～22:00存在負異常,與圖6中澳洲地區負異常相呼應,可能與其他地球活動有關。

圖7 磁暴期間電離層電子密度變化經度剖面圖Fig.7 Longitude profiles of ionospheric electron density changes during geomagnetic storm

圖7(b)為第2次磁暴期間沿46.5°W剖面的電離層電子密度變化。從圖中可以看出,在09-08 13:00中低緯度地區已經存在明顯的電離層擾動,電子密度變化量達4.3×105el/cm3,高度分布在200～400 km之間,且呈現出赤道雙峰現象,這可能是第2次磁暴期間電離層擾動的殘余影響。之后電離層擾動范圍擴大,高度向擴散至100～600 km,緯度向擴散至全部緯度。09-08 18:00～24:00磁暴恢復相電離層擾動減小的過程中,電子密度在20°～60°N出現下降變化,而在南半球出現上升趨勢,即電離層擾動呈現南北半球不對稱現象。Blagoveshchensky等[2]通過分析多源數據,證明第1次磁暴恢復后、第2次磁暴發生前存在電離層擾動,同時北半球中高緯度地區TEC在第1次磁暴期間增加,在第2次磁暴期間減少。

從經度剖面圖可以發現,磁暴期間電離層擾動在磁赤道南北兩側存在明顯的雙峰現象,這是因為磁暴期間電離層電導率變化和中性風擾動產生的發電機電場和磁層對流電場會影響自由電子產生E×B漂移,加劇噴泉效應的發生。同時注意到,磁暴引發的電離層擾動通常首先發現于極地和低緯度地區,之后擴散至全球。這是因為太陽活動輻射的能量首先從極地輸入磁層,導致極地地區的電離層首先出現擾動,之后赤道向風場和晨昏穿透電場等將擾動成分傳播至低緯度地區。而低緯度地區本身電離層電子密度較高,發生擾動時更容易被探測出來。

4 結 語

本文研究2017-09-07～08磁暴造成的全球性電離層擾動,分別采用滑動四分位法和電離層層析技術分析電離層電子密度的二維和三維變化,得到如下結論:

1)2次電離層擾動與2次磁暴之間有很強的相關性,擾動始于磁暴發生后約1 h,磁暴達到正相時擾動最劇烈,電子密度變化量可達9.4×105el/cm3,之后擾動隨著磁暴恢復而逐漸減弱。

2)電離層擾動初始局限于赤道或低緯度區域,之后隨著磁暴的加劇而擴散至中高緯度地區,且低緯度地區電離層擾動強度大于中高緯度地區。電離層擾動的高度分布與電子密度的實際分布情況相關,初始發生在200～400 km高度處,之后向上、向下擴散。

3)第1次磁暴恢復相期間,電離層擾動總體減小,不過在低緯度地區仍存在較強擾動,這可能是緊隨其后的第2次磁暴造成的。

4)電離層擾動期間同樣存在赤道電離層異常現象,赤道雙峰明顯,同時南北半球電離層擾動呈現不對稱性,甚至出現北半球電子密度減少、南半球電子密度增加,可能是因為磁場變化導致自由電子發生轉移。

本文雖然采用布設虛擬觀測站的方法來克服海洋觀測數據缺失的問題,但計算虛擬觀測站的虛擬觀測值采用GIM內插的方法,而GIM數據本身在海洋區域的精度有限。想要獲得更加準確的反演結果,可以考慮建立高精度的全球電離層模型獲取虛擬觀測值。南北半球電離層擾動的不對稱現象可能與磁暴恢復相期間地磁場的迅速變化產生的感應電場有關,對此還需要進一步深入研究。