基于短波段電離層探測數(shù)據(jù)分析地下核爆引起的電離層擾動

馮晨瑞, 馮靜, 李雪, 王嚴, 魯轉(zhuǎn)俠, 李春曉, 曹博鑫

(中國電波傳播研究所, 青島 266107)

目前主流的研究地下核爆(underground nuclear explosion,UNE)的方法主要為地震觀測網(wǎng),地震觀測網(wǎng)不僅可以探測到地震,并且可以監(jiān)測UNE的發(fā)生,估算UNE位置及當量等。此外,還有次聲、水聲等探測方式。而UNE與地震類似,會對電離層造成擾動,研究UNE對電離層的造成的擾動可以與地震對電離造成擾動現(xiàn)象相借鑒。

現(xiàn)今,已經(jīng)有大量學者研究地下核試驗和地震對電離層造成的擾動,并且已經(jīng)取得了長足的進步。Mexico[1]提出了電磁和電離層監(jiān)測的短期地震預報系統(tǒng)就是通過電離層測高儀、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)地面接收基站、高頻(high frequency,HF)多普勒裝置等設備實現(xiàn)對地震的短期預報。Park等[2]采用UNE附近的GNSS觀測斜向總電子含量(slant total electron content,STEC),并且通過觀測到的電離層風校正行波電離層擾動(traveling wave ionospheric disturbance, TID)到達時間,推斷出UNE震中坐標,并且計算結果在地震震中約3.5 km范圍內(nèi)。緊接著Park等[3]根據(jù)TEC觀測臺風和UNE誘發(fā)的TID波形特征,得出某一類事件所誘發(fā)的TID波形具有獨有的特征這一初步結論。Yang等[4]基于TEC數(shù)據(jù)通過小波相干分析成功提取出了2006年和2009年朝鮮UNE引發(fā)的TID傳播的周期和速度。Park等[5]表示GNSS網(wǎng)絡和低頻射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)了2006年和2009年朝鮮UNE引起的電離層TID的特征,此方法以新的UNE檢測和表征方法補充國際監(jiān)測系統(tǒng)。Park等[6]利用GNSS的GPS數(shù)據(jù)觀測2006年和2009年UNE的TID的數(shù)值三階STEC導數(shù)與2011年日本東北地震TID的STEC導數(shù)進行了比較發(fā)現(xiàn),地震的STEC導數(shù)波形振幅譜的頻率成分明顯低于UNE,并且地震波形與UNE波形之間的相位差遠遠大于UNE波形之間的相位差。

Zhang等[7]基于GNSS數(shù)據(jù),利用多步多階數(shù)值差分方法來分析2009年5月25日朝鮮UNE引發(fā)的電離層擾動,發(fā)現(xiàn)電離層擾動序列中存在兩種類型的擾動:周期為1～2 min的高頻擾動和周期譜為2～5 min的低頻擾動。高頻和低頻TID分別由電離層下部和電離層上部的聲波引起的。熊雯等[8]和孫陽等[9]利用國際GNSS服務(inte-rnational global navigation satellite system service,IGS)臺站的GNSS觀測數(shù)據(jù),提取電離層STEC,并通過高階差分的方式將電離層擾動進行放大,可實現(xiàn)對核爆觸發(fā)的電離層擾動事件的提取和識別。并且在2018年通過觀測GNSS的觀測數(shù)據(jù),提取UNE的引發(fā)的電離層TID,探討了估算TID傳播速度以及估算核爆爆心位置的三種方法:影響范圍分析法、射線追蹤法和波束聚集法。Huang等[10]歸納了前人通過TID探測地面核爆炸事件的方法,總結出可以根據(jù)TID波的周期、群速度、波頻譜、時間延遲來判斷該TID是否由核爆炸事件產(chǎn)生。Liu等[11]和劉祎等[12-13]利用IGS站和Swarm衛(wèi)星數(shù)據(jù),觀測2017年9月朝鮮UNE引起的共軛電離層擾動。觀測證據(jù)表明,UNE產(chǎn)生的電離層擾動在共軛區(qū)以約280 m/s的速度從震中向徑向傳播。結果表明LAIC電場也可以沿著磁場線映射到共軛半球,從而在共軛區(qū)域引起電離層擾動。并且在2020通過觀測GNSS數(shù)據(jù)發(fā)先朝鮮2009年、2013年和2016年三次UNE產(chǎn)生的電離層擾動分別以228、173、147 m/s從爆心向外傳播。此外還提出UNE產(chǎn)生的TID主要是由巖石圈-大氣圈-電離層耦合(lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling,LAIC)電場滲透到電離層高度引起的。劉哲函等[14]基于LAIC電場耦合機制,從地面放射性引起空氣電離開始推導地表大氣電導率變化,根據(jù)臨界電場理論計算地面大氣垂直電場,建立了地面放射性活度的地表大氣電導率公式,改進了地表異常電場傳播到電離層的計算過程,給出了電離層電場擾動的計算公式,但對UNE造成地面放射性變化未做詳細描述。Perevalov等[15]通過2017年9月3日朝鮮附近的GNSS數(shù)據(jù), UNE后約8 min開始檢測到電離層擾動,并且在UNE后的1.5～2 h內(nèi)分別以 600 m/s、250 m/s、133 m/s的速度從震中向四周傳播。這些TID的周期為1～10.5 min,可能是UNE引起的大氣聲重波引起的。

從上述對UNE事件引起的電離層擾動分析研究現(xiàn)狀可以看出,目前主要以分析TEC數(shù)據(jù)為主,其他電離層探測數(shù)據(jù)較少。而作為傳統(tǒng)的短波段電離層探測手段,如垂測、斜測等,具有特征參數(shù)豐富、高度分辨率高、歷史數(shù)據(jù)多等優(yōu)點,而且全球已建立了為數(shù)眾多的垂測站和斜測站,中國就有以中國電波傳播研究所電波環(huán)境觀測網(wǎng)、子午工程等為代表的觀測站,持續(xù)開展常規(guī)觀測業(yè)務。因此,如何充分利用這些寶貴的垂測、斜測數(shù)據(jù)為地下核試驗的監(jiān)測提供服務,是值得開展研究的。

目前,基于垂測、斜測等短波方式探測電離層,已經(jīng)在天波超視距雷達等短波裝備和電離層異常事件預報等方面得到了充分證明,說明電離層垂測和斜測是對電離層環(huán)境監(jiān)測和擾動分析的一種可靠性方法。但是目前基于此類探測方式研究UNE對電離層的擾動甚至估算核爆發(fā)生位置和核爆當量的研究成果特別少。現(xiàn)基于短波垂測、斜測、返回散射探測電離層環(huán)境數(shù)據(jù),以2016年1月6日1:30 UTC朝鮮在豐溪里實驗場進行的UNE試驗,分析UNE造成的TID以及LAIC機制引起的電離層擾動。

1 短波電離層探測理論基礎

1.1 電離層探測原理

電離層是近地空間環(huán)境的一個重要組成部分,由太陽高能電磁散射、宇宙射線和沉降粒子作用于地球高層大氣,使得一部分地球大氣分子電離,產(chǎn)生大量的自由電子、離子,從而構成中性等離子體區(qū)域。

垂直探測基本原理是地面垂直向上發(fā)射不同頻率的高頻無線電波,并在同一地點接收經(jīng)電離層反射的信號,測量出傳播的時間從而獲得反射高度與頻率的關系曲線,形成垂直探測電離圖如圖2所示。垂直探測設備輸出的電離層的主要特征參量為E層臨界頻率(critical frequency of the E layer,foE),Es層臨界頻率(critical frequency of the Eslayer、foEs),F1層臨界頻率(critical frequency of the Eslayer、foF1),F2層臨界頻率(critical frequency of the F2layer,foF2)等。

斜向探測是現(xiàn)代探測電離層的一個重要手段,其原理是沿一定路徑發(fā)射不同頻率的電磁波,電磁波經(jīng)過電離層不同層反射后,被遠處的接收機接收,獲取傳播鏈路電離層信息。這樣的電離層探測方式稱為斜向探測,如圖3所示。

斜向探測可以獲得接收信號的群路徑與頻率之間的依存關系,從而得到固定地面距離的頻率-群路徑特性曲線稱為斜測電離圖如圖4所示。斜向探測設備輸出的電離層的主要特征參量為該鏈路最小可用頻率(lowest usable frequency,LUF)、最大可用頻率(maximum usable frequ-ency,MUF)等。

1.2 地下核爆對電離層的影響

UNE與地震一樣,對電離層產(chǎn)生擾動的機制主要有大氣聲重力波(acoustic gravity wave,AGW)擾動和LAIC電場耦合機制,兩種機制必須獨立進行分析。

1.2.1 AGW引起的TID

UNE或地震造成板塊振動,地表破裂等現(xiàn)象。引起巖石圈內(nèi)部大量氣體(氡、溫室氣體等)向上遷移并逸出,引起重力振蕩,且振蕩幅值隨著離地面高度的增加而增大,形成周期性的AGW,引起電離層行波擾動。

1.2.2 LAIC電場耦合機制對電離層影響

LAIC電場耦合機制認為UNE或地震發(fā)生前后地表電場及電導率發(fā)生變化,地表垂直電場變化通過大氣層傳導到電離層,引起電離層的電磁場、總電子含量等物理參量出現(xiàn)變化。根據(jù)Park等[2,3,5-6],Liu等[11]和劉祎等[12-13]的研究表明,LAIC電場耦合機制主要是通過爆點附近區(qū)域核爆發(fā)生后異常垂直電場及共軛區(qū)電子密度擾動。圖5為劉祎等[12]通過LAIC電場耦合機制模擬智利和尼泊爾地震對電離層電子密度擾動結果。得出結論地震產(chǎn)生的異常電場會使電子產(chǎn)生E×B方向的漂移,造成在高度200～400 km處的電子密度擾動,在地震發(fā)生地點附近的電子密度呈現(xiàn)下降趨勢,在遠離赤道方向,電子密度呈增大趨勢,隨著時間的推移,電子密度擾動朝著磁赤道或遠離磁赤道方向運動。

1.3 數(shù)據(jù)來源

目前,短波段電離層探測數(shù)據(jù)主要來源于中國電波傳播研究所電波環(huán)境觀測站。電離層探測工作模式分為加密探測(周期為2 min)和常規(guī)探測(周期為60 min)兩種,站點信息如表1所示。

表1 站點信息

圖6給出了中國科學院空間環(huán)境預報中心查詢到的朝鮮UNE當天磁暴環(huán)電流指數(shù)(disturbance storm time,Dst)變化情況。目前普遍認為當Dst低于50 nT并持續(xù)2 h以上時,表示磁暴可能發(fā)生。或者國際通用-50

因常規(guī)探測周期較長,很難探測到TID現(xiàn)象。所以本文研究中采用加密探測方式的武漢、龍崗、詔安、泉州、臺州站來分析TID現(xiàn)象,使用常規(guī)探測站點數(shù)據(jù)來分析電子濃度變化情況。

2 短波探測擾動數(shù)據(jù)分析

2.1 地下核爆引起的TID分析

傳統(tǒng)foF2和MUF分析擾動的方式為與月中值進行比較(圖7),出現(xiàn)差值較大的點有可能為擾動發(fā)生的時間點。但是電離層每天的狀態(tài)與統(tǒng)計得到的月中值相比差別較大,不容易分辨擾動。

采用二階中心差分法來提取TID擾動,中心差分公式為

(1)

(2)

式中:i為樣本序號;di為第i個樣本原始值,MHz;δdi為第i個樣本的一次差分結果,MHz;n為差分樣本個數(shù);δδdi為第i個樣本的二次差分結果,MHz。

月均值取1月6日前后5 d內(nèi)無明顯電離層擾動事件,取1月3—5日、7—11日電離層特征參數(shù)均值,得到該月電離層特征參數(shù)日變化趨勢。將差分后的核爆發(fā)生當天即1月6日的電離層特征參數(shù)與月均值二階差分結果結合,進行降噪處理,如圖8所示。

再通過閾值去噪方法,公式為

(3)

式(3)中:λ為閾值,MHz;ψ(t)為樣本值,MHz;t為樣本序號。

不同站點閾值取不同經(jīng)驗值,結果如圖9所示。從圖9可以看到存在多個疑似擾動存在的時刻。

采用此方法,分別分析了武漢站、龍崗站、詔安站的foF2和臺州站、泉州站斜測站MUF。

隨后遍歷所有可能存在擾動的時間點,依據(jù)各站探測點到核爆中心距離,計算TID傳播速度,傳播速度相近的擾動時刻為UNE引起的TID到達時刻。

如圖10所示各個站的計算到的TID傳播速度為151.35、158.7、156.15、150.3、150.7 m/s。與文獻[12]中通過TEC求得的擾動傳播速度147 m/s相近。因短波電離層探測周期為兩分鐘,計算結果存在一定的誤差。由擾動傳播速度來看,UNE引起的電離層擾動為小尺度TID,其中大尺度TID傳播速度為400～700 m/s,小尺度TID傳播速度為200 m/s以下。

圖1 電離層分布示意圖Fig.1 Ionospheric distribution diagram

圖2 垂測電離圖及自動判圖結果Fig.2 Vertical ionization diagram and automatic analysis results

圖3 斜測原理圖Fig.3 Oblique measurement principle schematic

圖4 斜測電離圖Fig.4 Oblique ionization map

圖5 磁子午面電子密度擾動分布仿真Fig.5 Simulation of electron density disturbance distribution on magnetic meridian plane

圖6 Dst指數(shù)變化圖Fig.6 Dst index change chart

圖7 foF2實測值與月中值比較示例Fig.7 foF2 Example of comparison between measured value and median value

圖8 武漢站foF2及差分結果Fig.8 foF2 and difference results of Wuhan Station

圖9 武漢站foF2差分濾波結果Fig.9 Results of foF2 and second-order differential filtering at Wuhan Station

圖10 核爆當天電離層特征參數(shù)變化及計算結果Fig.10 Changes of ionospheric characteristic parameters on the day of nuclear explosion and calculation results

2.2 LAIC電場耦合造成foF2變化分析

根據(jù)LAIC電場耦合機制,UNE在發(fā)生后,會在電離層底部施加電場,異常的電場會持續(xù)對電離層電子密度造成影響,在遠離赤道方向,電子密度呈增大趨勢,隨著時間的推移,電子密度擾動朝著磁赤道或遠離磁赤道方向運動。收集到的短波探測數(shù)據(jù)中,只有長春站位于豐溪里試驗場遠離磁赤道方向,并且直線距離僅為421.4 km,本文研究在電離層常規(guī)探測數(shù)據(jù)中,重點分析長春站數(shù)據(jù)。圖11為1月6日及前后5 d的foF2統(tǒng)計結果。

圖11 長春站1月6日前后5天無擾動發(fā)生日期foF2結果Fig.11 No disturbance occurred in Changchun Station on January 6 and 5 days before and after foF2 results

分別對長春站月中值及長春站前后兩天的foF2進行分析,分析結果如圖12所示。在UNE發(fā)生0.5 h后,長春站探測到明顯的foF2增大現(xiàn)象,相比于月中值增加0.7 MHz,相比前后兩天foF2最大值增加0.5 MHz。為排除不是TID造成的foF2變化,根據(jù)長春站到豐溪里試驗場的距離及foF2變化時間,假設為TID引起的,TID到達長春站的擾動傳播速度為233.9 m/s與前文得到TID擾動傳播速度,存在較大誤差。所以此現(xiàn)象極有可能是UNE通過LAIC電場耦合引起的電子濃度變化,導致foF2增大。

圖12 長春站月中值及前后兩天foF2比較結果Fig.12 Comparison of the median value of Changchun Railway Station and foF2 on January 5 and 6

3 小結與討論

通過分析已掌握的短波段電離層探測網(wǎng)數(shù)據(jù),監(jiān)測到UNE對電離層造成的兩種電離層擾動結果,得出如下結論。

(1)通過分析短波段電離層加密探測數(shù)據(jù),探測到UNE引起的小尺度TID擾動,計算得到TID傳播速度150.3～158.7 m/s。

(2)通過距離豐溪里試驗場較近的電離層探測站數(shù)據(jù),探測到電離層特征參數(shù)foF2在核爆發(fā)生后0.5 h較月中值增加了0.7 MHz,較1月5日、1月7日在2:00 UTC的最大foF2增加了0.5 MHz。此現(xiàn)象極有可能是UNE發(fā)生后通過LAIC電場耦合機制引起的電子濃度變化。電子濃度變化持續(xù)時間受設備工作模式限制,未有明確結果。

(3)基于短波段電離層探測方式感知電離層擾動從而實現(xiàn)UNE炸事件的監(jiān)測,是一種有效的核爆電離層效應監(jiān)測手段,可與其他直接監(jiān)測手段相印證,提高核爆事件監(jiān)測能力。

短波段探測電離層,受現(xiàn)有探測設備工作方式及性能限制,導致探測周期較長,通過多站協(xié)同探測方式,可以探測到核爆引起的TID,但不能獲取TID的準確波形及LAIC電場耦合機制引起的foF2變化趨勢和開始時間等。將在后續(xù)的研究過程中,繼續(xù)開展此類分析。