利用OI 135.6nm夜氣輝輻射探測(cè)電離層峰值電子密度及電子總含量的研究

江芳，毛田，李小銀，付利平，王詠梅，余濤

1 中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190

2 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081

1 引言

電離層已成為眾多研究者廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域（Yu T，et al.，2004；Yu T，et al.，2009；Liu L B，et al.，2009；Feldman P D，et al.，1992）.1960年代末期以來，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)夜空中的紫外輻射與電離層有密切的關(guān)系，繼而有人提出用夜氣輝輻射觀測(cè)電離層F層電子濃度梯度的方法，來自氧原子的135.6nm夜氣輝輻射是被研究最多的一種（Chandra S，et al.，1975；Tinsley B A，et al.，1991；Meier R R，1991）.夜間氧原子的135.6nm氣輝輻射主要由O＋與電子的輻射復(fù)合過程產(chǎn)生，其強(qiáng)度可用來研究電離層變化（Dymond K F，et al.，1996；Dymond K F，et al.，1997）；DeMajistre等（2004）用 GUVI獲取的135.6nm臨邊輻射強(qiáng)度來反演夜間電子濃度剖面.Dymond等（2009）和 Hsu等（2009）通過FORMOSAT－3衛(wèi)星上的掩星和小型電離層光度計(jì)反演了電子濃度剖面.我國(guó)在風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星上也即將搭載一種小型、高靈敏度的電離層光度計(jì)，該儀器測(cè)量夜間135.6nm波段的氣輝輻射，實(shí)現(xiàn)電離層狀態(tài)監(jiān)測(cè).為了更好地研究135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度和電離層電子濃度之間的關(guān)系，需要建立夜氣輝氧原子的135.6nm激發(fā)模型，由于氧原子的散射對(duì)該波段的輻射具有一定的光學(xué)厚度，因此，該波段的輻射傳輸計(jì)算除了考慮氧氣分子的吸收還需要考慮氧原子對(duì)其復(fù)雜的多次散射過程（Strickland D J and Anderson D E，1983）.當(dāng)前，遠(yuǎn)紫外波段輻射傳輸模型的研制仍然是國(guó)際上研究的熱點(diǎn)（Strickland D J and Donahue T M，1970），能夠用于遠(yuǎn)紫外波段氣輝輻射計(jì)算的模型很少，比較通用的只 有 AURIC（Atmospheric Ultraviolet Radiance Integrated Code），即大氣紫外輻射積分代碼，它是由美國(guó)計(jì)算物理公司CPI（Computational Physics，Inc.）與空軍Phillips實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)的（Strickland D J，et al.，1999），但是出于各種原因，目前AURIC僅僅提供黑匣子可執(zhí)行程序，且由于其包含的大氣及電離層數(shù)據(jù)庫(kù)不能更新，只能適用于1992—1999年期間的模擬.

本文在對(duì)氧原子135.6nm波段夜氣輝激發(fā)機(jī)制進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，考慮到該波段輻射會(huì)受到大氣中氧原子對(duì)其多次散射的影響，采用迭代法求解包含多次散射及大氣吸收衰減的輻射傳輸方程，建立了135.6nm夜氣輝的輻射傳輸模型，接著對(duì)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析和驗(yàn)證.研究表明，自建模型計(jì)算得到的夜間135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度與相同條件下AURIC的計(jì)算結(jié)果平均偏差約為3%，計(jì)算的輻射強(qiáng)度在不同時(shí)空及太陽(yáng)活動(dòng)時(shí)的分布特征與相應(yīng)條件下峰值電子密度及電子總含量的分布有較好的一致性.文章最后介紹了由135.6nm夜氣輝輻射強(qiáng)度得到峰值電子密度及電子總含量的反演算法.

2 氣輝發(fā)光模型

Dymond和Thomas（2001）認(rèn)為夜間電離層的OI 135.6nm氣輝輻射主要是由O＋與電子的輻射復(fù)合過程產(chǎn)生，另外很小一部分來自O(shè)＋與O－的中性復(fù)合：

其中O＊表示激發(fā)態(tài)O（5S），發(fā)生能級(jí)躍遷O（5S）→O（3P）的同時(shí)釋放135.6nm譜線.

包括輻射復(fù)合及中性復(fù)合激發(fā)機(jī)制的135.6體積發(fā)射率可由下式給出：

通常所說的OI 135.6nm氣輝輻射實(shí)際上包含了來自135.8nm及135.6nm兩個(gè)波段的貢獻(xiàn)（Dymond et al.，1997），式中γ為135.6nm 與135.8nm 的譜線比，對(duì)于135.6nm及135.8nm波段分別為0.791、0.209.反應(yīng)系數(shù)k1、k2、k3分別為1.3×10－15cm3·s－1、1.5×10－7cm3·s－1、1.4×10－10cm3·s－1，β＝0.54，輻射復(fù)合率α是電子溫度的函數(shù)，其表達(dá)式為α＝7.5×10－13（1160／Te）－1／2cm3·s－1，Te為電子溫度（K）（Dymond et al.，1997）；no（z），ne（z），no＋（z）分別表示氧原子，電子及氧離子的數(shù)密度.

大氣中的氧原子會(huì)使輻射產(chǎn)生多次散射現(xiàn)象，若考慮多次散射的輻射傳輸，那么某一高度的體發(fā)射率還應(yīng)該包括來自其他高度的輻射經(jīng)過大氣散射后傳輸?shù)竭@一高度的貢獻(xiàn)，即其體發(fā)射率可表示為

式中的σ為散射截面（對(duì)于135.6nm及135.8nm分別為2.499×10－18cm2及1.242×10－18cm2（Meier，1991），由于150km高度以上大氣的中性成分幾乎全部為氧原子組成，因此σ為氧原子散射截面；τ是垂直共振散射光學(xué)厚度，t是垂直凈吸收光學(xué)厚度，而H為 Holstein方程（Strickland and Donahue，1970），且τ和t可分別表示為

式中為氧分子的吸收截面，對(duì)于135.6nm及135.8nm分別為7.6×10－18cm2、8.0×10－18cm2，H可表示如下：

其中x為用多普勒單位表示的頻率，e－x2為多普勒譜線加寬的高斯形態(tài)表達(dá)式；E1是對(duì)數(shù)積分的第一種形態(tài)，表達(dá)式如下：

將式（9）代入到方程（4）中，對(duì)方程（4）采用迭代法求解：首先假設(shè)ε（z′）＝ε0（z′）作為初估值代入到式中，可以求得體發(fā)射率的一次解，再將該值代入方程，得到新的體發(fā)射率值，以此類推，直到體發(fā)射率的變化小于0.01%，迭代結(jié)束.

儀器探測(cè)的氣輝輻射強(qiáng)度為體發(fā)射率沿視場(chǎng)路徑的積分，考慮了多次散射及大氣吸收的輻射傳輸過程，天底方向探測(cè)的輻射強(qiáng)度可表示為

式中Σ表示135.6nm與135.8nm兩個(gè)發(fā)射線的和，s指視線位置，T表示某點(diǎn)的發(fā)射率到探測(cè)器處的傳遞函數(shù)，可表示為

模式中所用的中性大氣成分的濃度剖面來自MSIS－86模式（Hedin，1987），離子和電子的濃度剖面來自IRI－2000電離層模式（Bilitza，1990）.

3 模式計(jì)算結(jié)果分析及驗(yàn)證

圖1（a、b）分別表示2006年4月1日、2002年4月1日的體發(fā)射率隨高度的分布.

圖1 體發(fā)射率隨高度的分布.地方時(shí)23點(diǎn)，地理經(jīng)度180°，地理緯度25°，（a）為2006年，（b）為2002年，實(shí)線為初始體發(fā)射率，虛線為考慮了多次散射后的體發(fā)射率Fig.1 The distribution of volumn emission rates with height.The results were calculated for local time 23hour，geographical longitude 180°，geographical latitude 25°.（a）for 2006and（b）for 2002.The real line for initial volume emission rates and the broken line for the volume emission rates including multiple scattering

由文中式（3）知，初始體發(fā)射率隨所在高度電子濃度的增大而增大，約在300多公里處達(dá)到最大值.若考慮多次散射，各個(gè)高度的體發(fā)射率除了本高度貢獻(xiàn)的初始體發(fā)射率，還應(yīng)包括其他高度上散射過來的輻射貢獻(xiàn)，由圖可見，考慮了多次散射后的體發(fā)射率約在250km高度以上較初始體發(fā)射率變化不大，但隨著高度的降低、散射輻射的貢獻(xiàn)愈加顯著，直至約120km高度處體發(fā)射率達(dá)到一個(gè)次峰值，隨后隨高度的降低開始減小.考慮多次散射的體發(fā)射率隨高度的分布特征主要與大氣中的散射介質(zhì)氧原子、吸收介質(zhì)氧氣分子的空間分布有關(guān)，由于氧原子主要分布在200km以下的空間，氧原子越多，將上方的光輻射散射到下方的就越多，因而隨著高度的降低、體發(fā)射率會(huì)增大，直至到達(dá)一定高度后，隨著氧氣分子越來越多，輻射被吸收衰減地越來越多，因而體發(fā)射率隨高度的降低開始減小.由圖可見，兩個(gè)不同年份的體發(fā)射率值具有量級(jí)的差別，這主要與太陽(yáng)活動(dòng)因子相關(guān)，相對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)較低、電子濃度較小的2006年體發(fā)射率較小，太陽(yáng)活動(dòng)較高、電子濃度較大的2002年的體發(fā)射率也較大.

DeMajistre等（2004）提出夜間135.6nm大氣輝光正比于電離層電子濃度平方.本文將不同時(shí)空條件及太陽(yáng)活動(dòng)時(shí)的中性大氣，離子及電子濃度剖面作為輸入條件，利用模式計(jì)算得到相應(yīng)條件下135.6nm夜間氣輝輻射強(qiáng)度，進(jìn)而分析研究135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度與NmF2、TEC在不同時(shí)空及太陽(yáng)活動(dòng)條件下的響應(yīng)（注：本文所指經(jīng)緯度均指地理經(jīng)緯度）.

圖2—6分別是NmF2、TEC及135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度隨地方時(shí)、緯度、經(jīng)度、季節(jié)和年變化情況.由圖可見，本模型計(jì)算的135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度與相應(yīng)條件下的NmF2及TEC的時(shí)空分布有較好的一致性.

圖2 NmF2（a）、TEC（b）及135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度（c）隨地方時(shí)的分布.2002年4月1日計(jì)算經(jīng)度180°，緯度分別為20°、40°、60°Fig.2 NmF2（a），TEC （b）and 135.6nm airglow intensity（c）distribution with local time.The results for geographical longitude 180°and geographical latitude 20°，40°，60°respectively on April 1st，2002

圖2是2002年第91天計(jì)算的高、中、低緯度上NmF2、TEC與135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度隨當(dāng)?shù)貢r(shí)間的分布.由圖可見：夜間NmF2、TEC有著較明顯的緯度特征，絕大多數(shù)時(shí)刻N(yùn)mF2、TEC隨著緯度的降低而增加；各緯度上的NmF2、TEC幾乎都在凌晨4、5點(diǎn)的時(shí)候達(dá)到最小值；總體而言，計(jì)算的135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度與NmF2、TEC隨時(shí)間的分布有較好的一致性.

圖3是2002年4月1日計(jì)算的NmF2、TEC與135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度隨緯度的分布，由圖可見，NmF2、TEC在南北兩側(cè)的15°左右各有一個(gè)峰值區(qū)，相應(yīng)地，135.6nm輻射強(qiáng)度隨緯度的分布與NmF2、TEC基本一致，高緯度地區(qū)的輻射強(qiáng)度較低緯度峰值區(qū)的低了一個(gè)量級(jí).

圖4是2002年4月1日計(jì)算各緯度上NmF2、TEC與135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度隨經(jīng)度的分布.由圖可見：在整個(gè)經(jīng)度范圍內(nèi)，低緯度的NmF2與TEC明顯高于中、高緯度的值；模式計(jì)算的輻射強(qiáng)度隨經(jīng)度的分布與NmF2、TEC的基本一致.

圖3 NmF2、TEC及135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度隨緯度的分布.2002年4月1日、當(dāng)?shù)貢r(shí)間23點(diǎn)計(jì)算經(jīng)度180°Fig.3 NmF2，TEC and 135.6nm airglow intensity distribution with latitude.The results for geographical longitude 180°and local time 23hour on April 1st，2002

圖5為2002年4月1日計(jì)算的NmF2、TEC與135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度隨季節(jié)的分布.由圖可見，在全年時(shí)間內(nèi)，低緯度的NmF2與TEC明顯高于中、高緯度；中、高緯度的NmF2與TEC在年初與年末較低，而在年中較大；在低緯度，上半年的NmF2、TEC似乎大于下半年.各緯度上計(jì)算的135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度隨季節(jié)的分布與對(duì)應(yīng)緯度NmF2、TEC隨季節(jié)的分布基本一致.

圖6為NmF2、TEC的年變化.由圖可見，NmF2與TEC有明顯的年變化特征，各緯度的NmF2、TEC隨年份的變化特征一致，太陽(yáng)活動(dòng)越強(qiáng)的年，NmF2、TEC值越大.相應(yīng)地，太陽(yáng)活動(dòng)越強(qiáng)的年，135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度越大.

總之，自建模型計(jì)算的135.6nm夜氣輝輻射強(qiáng)度有著較明顯的時(shí)空分布特征，與相應(yīng)條件下的NmF2及TEC的時(shí)空分布有較好的一致性.

圖4 NmF2（a）、TEC（b）及135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度（c）隨經(jīng)度的分布.2002年4月1日、當(dāng)?shù)貢r(shí)間23點(diǎn)，計(jì)算緯度分別為20°、40°、60°時(shí)Fig.4 NmF2（a），TEC （b）and 135.6nm airglow intensity（c）distribution with longitude.The results for local time 23hour and geographical latitude 20°，40°，60°respectively on April 1st，2002

圖5 NmF2（a）、TEC（b）及135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度（c）隨季節(jié)的分布.當(dāng)?shù)貢r(shí)間23點(diǎn)，經(jīng)度為180°，緯度分別為20°、40°、60°，計(jì)算2002年每月第一天的結(jié)果Fig.5 NmF2 （a），TEC（b）and 135.6nm airglow intensity（c）distribution with season.The results for local time 23hour，geographical longitude 180°and geographical latitude 20°，40°，60°respectively at the first day in every month in 2002

目前僅國(guó)外的 AURIC模型（Strickland，et al.，1999）能提供夜氣輝135.6nm波段的輻射強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，但是由于其保密性目前僅公開其可執(zhí)行程序，不能應(yīng)用于研究及工程應(yīng)用，再者，它僅能用于1992—1999年間的氣輝強(qiáng)度計(jì)算.本文將AURIC模型與自建模型于1992—1999年間不同緯度、地方時(shí)及太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)時(shí)的135.6nm夜間氣輝的輻射強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，平均偏差約在3%，這主要是由于兩個(gè)模型中的反應(yīng)系數(shù)及數(shù)值積分路徑的偏差引起.圖7為兩個(gè)模式計(jì)算結(jié)果的比較，由圖可見，各季節(jié)上兩個(gè)模式計(jì)算的135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度隨緯度的分布都有較好的一致性.

4 反演算法

利用夜間135.6nm輻射強(qiáng)度來反演NmF2及TEC的詳細(xì)算法將在另外的文章進(jìn)行介紹，本文僅簡(jiǎn)單介紹反演的基本方法.

由于135.6nm氣輝主要貢獻(xiàn)來自于輻射再結(jié)合反應(yīng)，而中和反應(yīng)貢獻(xiàn)較少，若不考慮中和輻射的貢獻(xiàn)，文中的（3）式可簡(jiǎn)化為

圖6 NmF2（a）、TEC（b）及135.6nm輻射強(qiáng)度（c）隨年份（太陽(yáng)活動(dòng)）的分布.當(dāng)?shù)貢r(shí)間23點(diǎn)，經(jīng)度為180°，緯度分別為20°、40°、60°，計(jì)算1994—2003年第91天的結(jié)果Fig.6 NmF2 （a），TEC （b）and 135.6nm airglow intensity（c）distribution with year.The results for local time 23hour，geographical longitude 180°and geographical latitude 20°，40°，60°respectively at the 91st day between 1994—2003

假設(shè)電離層F層呈電中性，即ne（z）≈no＋（z），故式（12）可寫成

在實(shí)際的天底探測(cè)中，電離層氣輝光度計(jì)測(cè)量的是天底方向135.6nm的總輻射，為此需要對(duì)垂直路徑進(jìn)行積分，即測(cè)量的夜氣輝135.6nm的輻射強(qiáng)度為

式中zsat為衛(wèi)星高度，若式（14）中電子濃度隨高度的分布用Chapman函數(shù)（Chamberlain and Hunten，1987）來表示，則上式可簡(jiǎn)化為

Hkm為電離層等離子體標(biāo)高（單位km），K1為和光化反應(yīng)速率系數(shù)有關(guān)的常數(shù)（Budzien et al.，2010）.

同樣將式（16）中的電子濃度隨高度的分布用Chapman函數(shù)來表示，可得

K2為光化反應(yīng)速率系數(shù)有關(guān)的常數(shù).

由式（15）、（17）知，135.6nm的夜氣輝輻射強(qiáng)度分別與NmF2平方、TEC平方呈正比，若測(cè)得135.6nm的夜氣輝輻射強(qiáng)度，即可反演NmF2及TEC.

把全球經(jīng)緯度分為經(jīng)度5°和緯度2.5°的網(wǎng)格，模擬每格點(diǎn)的135.6nm氣輝的輻射強(qiáng)度，將每個(gè)格點(diǎn)的135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度分別與NmF2平方、TEC平方擬合，如圖8所示，可以獲得一條相關(guān)系數(shù)較高的回歸直線，將該回歸直線的斜率作為135.6nm輻射強(qiáng)度與NmF2、TEC的轉(zhuǎn)換因子，然后將各格點(diǎn)的電子總含量TEC可表達(dá)為135.6nm輻射強(qiáng)度利用NmF2、TEC的轉(zhuǎn)換因子，可以得到NmF2、TEC反演值隨經(jīng)緯度的分布，如圖9所示.

圖7 自建模型與AURIC模式計(jì)算的135.6nm夜氣輝隨緯度的分布.F10.7為100，地方時(shí)為3.5h，經(jīng)度180°，分別計(jì)算1992年第90、180、270及360天，135.6nm夜氣輝輻射強(qiáng)度隨緯度的分布，圖中實(shí)線表示自建模型結(jié)果，虛線表示AURIC計(jì)算結(jié)果Fig.7 135.6nm airglow intensity distribution with latitude from AURIC and the developed model.The results for the 90th，180th，270th，360th day at F10.7＝100，local time＝3.5hour and longitude＝180°，the real line for the developed model and the broken line for AURIC

根據(jù)上述計(jì)算轉(zhuǎn)換因子的方法，可獲得適用不同地方時(shí)、季節(jié)和太陽(yáng)活動(dòng)周期的轉(zhuǎn)換因子，組成查算表，在對(duì)實(shí)際探測(cè)資料處理時(shí)，尋找與觀測(cè)資料相對(duì)應(yīng)的時(shí)間、季節(jié)和太陽(yáng)活動(dòng)周期時(shí)的轉(zhuǎn)換因子，即可反演得到相應(yīng)的NmF2及TEC值.

5 結(jié)論

圖8 135.6nm輻射強(qiáng)度分別與NmF2平方、TEC平方的擬合（2006年4月1日、當(dāng)?shù)貢r(shí)間23點(diǎn)）Fig.8 The linear relationship between the square of NmF2and TEC with the OI 135.6nm intensity（the results for local time 23hour on April 1st，2006）

圖9 NmF2及TEC的反演值隨經(jīng)緯度的分布（2006年4月1日、當(dāng)?shù)貢r(shí)間23點(diǎn)）Fig.9 The retrieval values of NmF2and TEC with longitude and latitude（the results for local time 23hour on April 1st，2006）

利用夜氣輝135.6nm波段探測(cè)夜間電子總含量及峰值高度電子密度是目前電離層監(jiān)測(cè)較為常用的手段之一，我國(guó)即將在風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星上搭載相關(guān)儀器，這是我國(guó)首次開展通過遠(yuǎn)紫外波段光學(xué)遙感探測(cè)電離層，同時(shí)也是我國(guó)首次開展遠(yuǎn)紫外波段遙感大氣及電離層的理論研究.為了將探測(cè)儀測(cè)量的輻射強(qiáng)度反演得到電子總含量及峰值高度電子密度等產(chǎn)品信息，前提工作是需要建立能定量描述由各種激發(fā)機(jī)制產(chǎn)生的氣輝輻射經(jīng)大氣傳輸后到達(dá)星上儀器的物理學(xué)模型.目前國(guó)內(nèi)這方面的工作基本沒見報(bào)到.為開展日后星上數(shù)據(jù)處理需要，本文建立了夜間135.6nm氣輝的激發(fā)及輻射傳輸模型，以循環(huán)迭代法求解輻射傳輸方程進(jìn)而得到體發(fā)射率及輻射強(qiáng)度.為了驗(yàn)證結(jié)果的正確性，對(duì)夜氣輝135.6nm的輻射強(qiáng)度在不同時(shí)空及太陽(yáng)活動(dòng)時(shí)的分布特征分別與NmF2、TEC平方的分布進(jìn)行了比較，結(jié)果證實(shí)三者在不同條件下的分布特征基本一致.將本模型的計(jì)算結(jié)果與國(guó)外AURIC模型的結(jié)果進(jìn)行了比較，兩個(gè)模型的夜氣輝135.6nm的輻射強(qiáng)度有很好的一致性，平均偏差在3%左右，這更進(jìn)一步證明了自建模型的正確性.最后，文章介紹了利用夜間135.6nm氣輝輻射強(qiáng)度反演NmF2與TEC的算法.

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