海南電離層F區(qū)不規(guī)則體的氣輝觀測

吳褀， 余濤， 林兆祥， 夏醇亮， 左小敏， 王霄

1 中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 武漢　430074 2 中國地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院，地球內(nèi)部多尺度成像湖北省重點實驗室， 武漢　430074 3 國家衛(wèi)星氣象中心， 北京　100081 4 中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心， 北京　100081

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海南電離層F區(qū)不規(guī)則體的氣輝觀測

吳褀1，2， 余濤2，3*， 林兆祥1， 夏醇亮2， 左小敏2， 王霄4

1 中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 武漢430074 2 中國地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院，地球內(nèi)部多尺度成像湖北省重點實驗室， 武漢430074 3 國家衛(wèi)星氣象中心， 北京100081 4 中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心， 北京100081

摘要本文利用子午工程海南富克站(19.5°N，109.2°E)全天空氣輝成像儀630 nm波段的氣輝圖像，通過對氣輝原始觀測資料進行圖像增強、方位校正和圖像投影等預(yù)處理，得到可清晰識別電離層等離子體泡的圖像產(chǎn)品，獲得了我國海南地區(qū)首次電離層等離子體泡的光學(xué)觀測結(jié)果.在此基礎(chǔ)上，分析了等離子體泡的形狀、結(jié)構(gòu)、變化、空間尺度和運動速度這些基本特征.研究顯示：典型的等離子體泡形狀為南北分布的條狀，常出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，大部分情況整體向西傾斜；東西方向的尺寸為幾十到幾百公里；典型漂移速度為50～150 m·s-1.統(tǒng)計了2013年9月至2014年5月等離子體泡觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其出現(xiàn)的典型季節(jié)為9—10月和2—4月、典型時間為日落后1～2個小時并持續(xù)1～4個小時左右.

關(guān)鍵詞電離層等離子體不規(guī)則結(jié)構(gòu)； 等離子體泡； 氣輝成像儀

1引言

1.1等離子體泡的研究意義

日落之后，由于瑞利-泰勒不穩(wěn)定性(Rayleigh-Taylor Instability)，F(xiàn)區(qū)底部產(chǎn)生大尺度的等離子體耗空并向上抬升，這種大范圍的等離子體耗空在電場的作用下，垂直于地球磁力線向上抬升，一直延伸到頂部電離層.等離子體耗空區(qū)域在抬升的過程中，會沿磁力線擴展到磁赤道附近的低緯度地區(qū)，并形成各種空間尺度的等離子體耗空區(qū).這種多尺度的等離子體耗空區(qū)在無線電雷達探測的高度-時間-強度圖中呈現(xiàn)出羽狀不規(guī)則結(jié)構(gòu)(plume irregulatities)(Woodman and La Hoz, 1976)，在電離層氣輝的光學(xué)成像圖中則可看到大塊的光學(xué)暗區(qū)(dark band)，即等離子體泡(plasma bubble)(Kelley, 1989; Haerendel, 1973; Makela, 2006).

無線電波信號經(jīng)過這些包含各種尺度電離層不規(guī)則體的等離子體泡區(qū)域時，特定頻率的電磁波就會形成幅度和相位的閃爍現(xiàn)象，因此等離子體泡通常會對高頻(HF)通信、星地通信、GPS導(dǎo)航定位產(chǎn)生嚴重影響，觀測和研究等離子體泡的規(guī)律，不僅有重要的科學(xué)意義，也有重要的應(yīng)用價值.

1.2等離子體泡的無線電觀測手段

目前對電離層等離子體泡的研究，主要有無線電和光學(xué)兩大類方法.在地面利用電離層測高儀、非相干散射雷達以及GNSS(Global Navigation Satellite System)衛(wèi)星等信號反射或穿過不規(guī)則結(jié)構(gòu)區(qū)域后的回波信號變化，可間接反映等離子體泡的區(qū)域大小以及運動變化規(guī)律.在探測到等離子體泡的時候，電離層測高儀的頻高圖上F區(qū)回波的描記不是一條線，而是彌散的一片，表明在該高度范圍內(nèi)的電離層不是穩(wěn)定的層狀.根據(jù)這種特征，Booker和Wells(1938)首次通過分析測高儀頻高圖資料，研究了低緯地區(qū)的電離層等離子體泡.非相干散射雷達通過發(fā)送頻率范圍由幾十兆到數(shù)百兆的電磁波，可以探測各種尺度的不規(guī)則體.Woodman和La Hoz(1976)通過秘魯Jicamarca非相干散射雷達觀測到在夜間有密度極低的空腔結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)如氣泡一般由F層底部逐漸向上，進入頂部，同時在空腔周圍逐漸發(fā)展出羽毛狀的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被稱為上升的等離子體泡(也稱羽毛結(jié)構(gòu)).利用地面密集的GNSS站網(wǎng)或者單站GNSS接收機短基線陣，通過監(jiān)測GNSS信號閃爍的出現(xiàn)和持續(xù)的時間，以及區(qū)域內(nèi)各GNSS接收機閃爍信號的時間規(guī)律，可以反演和推算出引起GNSS信號閃爍的電離層等離子體泡的尺度和漂移速度(徐繼生等，2006; Li et al., 2007, 2010; 陳艷紅等, 2008; Liu et al., 2015).除了地面的探測手段之外，還有通過衛(wèi)星和火箭手段對電離層等離子體不規(guī)則結(jié)構(gòu)進行探測的方法.該方法是通過在衛(wèi)星上安裝專用的儀器進行電離層等離子體參數(shù)測量，如質(zhì)譜儀、等離子體朗繆爾探針等，獲取電離層等離子體密度、溫度和運動速度等信息(Huang et al., 2001; Burke et al., 2004).

在我國低緯地區(qū)，我國學(xué)者利用無線電手段對等離子體泡做了大量的研究.王國軍等(2007)利用海南電離層測高儀研究了擴展F的出現(xiàn)率，Zhu等(2015)研究了擴展F和F層底部擾動結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系；酈洪柯等(2013)結(jié)合三亞VHF雷達和GNSS短基線陣觀測給出了不同尺度F層不規(guī)則體具有類似的東西向運動特征；Li 等(2012, 2011a, 2011b)，Ning 等(2012) 利用三亞VHF雷達對電離層不規(guī)則體開展多波束掃描探測實驗，獲得了我國低緯電離層F區(qū)羽毛結(jié)構(gòu)(plume)隨時間的演變的規(guī)律，并追蹤了羽毛結(jié)構(gòu)初始發(fā)生地，發(fā)現(xiàn)電離層F區(qū)羽毛結(jié)構(gòu)沿經(jīng)度以幾百公里甚至幾十公里的間距周期分布；胡連歡等(2013, 2014)綜合利用三亞站多種手段研究了不同季節(jié)和不同地磁活動條件下F層不規(guī)則體特征和機理.

1.3等離子體泡的光學(xué)觀測手段

上述無線電探測手段對電離層不規(guī)則體的觀測有全天候、連續(xù)性好的優(yōu)勢和特點，但是除了快速掃描的相控陣雷達，大部分無線電手段主要是不規(guī)則體的單點探測，無法很好地獲得不規(guī)則體的整體結(jié)構(gòu).光學(xué)觀測手段是大范圍、低成本觀測電離層等離子體泡的有效手段，其主要通過對電離層高度上某特定波長的氣輝進行成像觀測，得到與氣輝發(fā)射強度相關(guān)的等離子體密度和等離子體運動等信息，可以反映電離層等離子體泡的位置、結(jié)構(gòu)、大小和運動速度等多種信息，但是觀測容易受天氣(明月，多云)影響，并且不能很好地獲得大范圍不規(guī)則體的細節(jié)結(jié)構(gòu).利用光學(xué)手段與無線電手段相結(jié)合，能夠更好地監(jiān)測和研究電離層等離子體泡.

光學(xué)手段最早是利用光度計和法布里-珀羅干涉儀來對氣輝進行觀測，它們都只能獲得氣輝一個點的強度信息.為了獲得二維的信息，要通過這些儀器的掃描來完成，這種方式使觀測通常難以分辨空間和時間的變化信息，并且無法給出等離子體泡的整體信息.后來出現(xiàn)了高敏相機(Peterson and Kieffaber, 1973)，但是它需要的積分時間太長(10 min)，得到的數(shù)據(jù)沒有很好的時間分辨率.微光攝像機也被用于氣輝的觀測(Mende and Eather, 1976)，它有很好的時間分辨率，但是它只能用于比較亮的輝光(如極光和OH波段的輝光)，不能很好地用于等離子體泡的觀測上.當高靈敏CCD被應(yīng)用到全天空氣輝成像系統(tǒng)中(Baumgardner et al., 1993)，全天空氣輝成像儀具有了很寬的視場，可以連續(xù)進行多波段的拍照，并形成數(shù)字化的圖像，等離子體泡的光學(xué)觀測得到了很大的推進.Weber等(1978)最早觀測到了等離子體泡的光學(xué)圖像，接著各國學(xué)者都通過光學(xué)手段對等離子體泡進行了大量的研究工作，包括分析了等離子體泡的空間尺度、形態(tài)特征、漂移速度，以及和其他觀測手段的對比等研究工作.

在這些研究中有一些有代表性的研究成果如下：Mukherje等(1998)的研究表明244 MHz衛(wèi)星閃爍與等離子體泡有直接關(guān)系；Otsuka等(2002, 2004)通過等離子體泡的光學(xué)圖像發(fā)現(xiàn)了它在共軛的南北半球特征相似，并且分析了等離子體泡的雷達數(shù)據(jù)和光學(xué)數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系；Haase等(2011)通過等離子體泡的光學(xué)圖像與GPS數(shù)據(jù)的比對，分析了它對GPS信號產(chǎn)生的影響；Kelley等(2002, 2003)的研究中除了垂直地面向上的拍攝手段，還有一種是沿著磁力線切線指向赤道的拍攝方式，這樣得到的是單個磁通管的等離子體泡信息，可以獲得更加精細的結(jié)構(gòu)，還用地面拍攝的光學(xué)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星拍攝的光學(xué)數(shù)據(jù)進行了對比，發(fā)現(xiàn)它們有好的對應(yīng)關(guān)系，Makela等(2004)通過兩年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析了等離子體泡的季節(jié)變化規(guī)律.

在海南地區(qū)，F(xiàn)層不規(guī)則體已有很多重要研究，但是對于不規(guī)則體的形態(tài)學(xué)研究較少.如在春秋季，三亞VHF雷達觀測發(fā)現(xiàn)在F層不規(guī)則體出現(xiàn)時，E層不規(guī)則體強度減弱甚至消失，同時電離層谷區(qū)不規(guī)則體發(fā)生.Li等(2011a, 2011b) 認為低緯E層和谷區(qū)不均勻體的發(fā)生與F層不規(guī)則體的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)密切相關(guān)，赤道F層不規(guī)則體分裂成東向/西向傾斜的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生極化電場map到低緯觸發(fā)(抑制)了谷區(qū)(E層)不規(guī)則體.然而，他們?nèi)鄙倭硗獾难芯渴侄蝸慝@取同時的F層不規(guī)則體時空分布特征證實這一推斷.光學(xué)觀測手段可以很好地獲得等離子體泡的邊界及整體行為，用來分析等離子體泡的形態(tài)、漂移等特征.

目前在我國尚未開展利用光學(xué)成像手段對電離層等離子體泡進行研究的工作.隨著子午工程的順利實施和運行，我國地基空間物理觀測能力得到顯著的提升.子午工程觀測站中的全天空氣輝成像儀可以對高空大氣夜氣輝進行多波段觀測，利用該數(shù)據(jù)研究中高層大氣的重力波活動，并取得了豐碩的成果(Li et al., 2011b, 2013b).我國南方地區(qū)是電離層不規(guī)則體和閃爍高發(fā)區(qū)，由于海南站的地理位置特殊，是我國靠近磁赤道的低緯臺站，且有多種觀測設(shè)備長期運行，非常有利于電離層等離子體泡的光學(xué)觀測及多手段對比研究，綜上所述利用海南站的氣輝成像儀來觀測等離子體泡是很有必要的.

2觀測與預(yù)處理

2.1光學(xué)觀測原理

氣輝是大氣層中一種微弱發(fā)光現(xiàn)象，全球全時段都存在天空中，夜間出現(xiàn)的相對明顯，稱為夜氣輝.夜氣輝的形成源于一些原子(O, Na, OH等)，它們在白天吸收了太陽輻射能量，在夜晚通過光化反應(yīng)以輝光的形式輻射出來，等離子泡的信息主要從氧原子630 nm的輻射波段的氣輝中獲得，它的光化反應(yīng)如式(1)和(2)，

(1)

O*(1D)→O(3P)+hv.

(2)

OI630.0 nm輻射來自氧分子與電子的分解和結(jié)合過程，輻射強度依賴氧原子和氧分子濃度的乘積(n(O+)×n(O2))，它的最大輻射區(qū)域是F2層峰值以下的區(qū)域(250～300 km).是F2層最強的氣輝輻射線.

相比于天空其他光源，氣輝亮度非常低，需要用敏感的儀器才能發(fā)現(xiàn)它，現(xiàn)在用于觀測氣輝的全天空成像系統(tǒng)主要由魚眼鏡頭、遠心光路系統(tǒng)、濾光片和CCD相機組成，如圖1.魚眼鏡頭有大視場(180°)，可以獲得全天空180°范圍的氣輝信息.濾光片可以對氣輝輻射進行過濾，得到630 nm波段的氣輝信息，濾光片帶寬很低，通常只有1～2 nm，這樣能夠更好地濾除其他背景輻射，獲得所需630 nm波段的氣輝信息.窄帶濾光片采用干涉技術(shù)，光線的入射角度對中心波長的影響很大，而系統(tǒng)前端的魚眼鏡頭會使入射光線有很大的角度，因此在魚眼鏡頭和濾光片之間需要加上遠心光路系統(tǒng)，可以對光線進行準直，從而滿足濾光片的角度要求.最后，CCD相機由成像鏡頭和科學(xué)級CCD組成，全天空氣輝成像儀用來觀測等離子體泡屬于弱光成像，需要CCD有很高的靈敏度，較低的暗噪聲.由于通過窄帶濾光片得到的夜氣輝強度很低，成像需要長時間曝光來得到等離子體泡信息，長時間曝光會使CCD的溫度升高，熱噪聲也會影響成像圖像的質(zhì)量，這就需要CCD帶有制冷系統(tǒng)，來降低熱噪聲對成像的影響.通過這套系統(tǒng)可以得到二維數(shù)字化的氣輝圖像.

海南富克站(19.5°N，109.2°E)是我國靠近磁赤道的臺站，有利于等離子體泡的觀測.海南富克站安裝的全天空成像儀由加拿大的KEO Scientific Co. LTD制造，采用科學(xué)級CCD(分辨率1024×1024，16位深，暗電流<0.05電子/象元·秒，可以制冷到-70 ℃)，焦距f24 mm，光圈F4的魚眼鏡頭，557.7±2 nm，630±2 nm，777.4±2 nm等多個波段可自動切換的濾光片,并且?guī)в锌刂葡到y(tǒng)，進行人工觀測、自動觀測或遠程控制觀測，可以很好地用于我國海南等離子體泡的氣輝觀測.

圖1　全天空成像儀的結(jié)構(gòu)

2.2氣輝數(shù)據(jù)預(yù)處理

科學(xué)級CCD最終記錄下曝光時間內(nèi)氣輝層的積分圖像.但這些原始數(shù)據(jù)還觀察不到等離子體泡的信息，還不能直接用于等離子體泡的分析，因為：(1)由于通過2 nm帶寬的濾光片得到的夜氣輝圖像亮度很低，圖片的整體灰度值偏小，以及背景輻射對氣輝的影響，無法從圖片中分辨出等離子體泡，需要對圖像做增強處理；(2)全天空成像儀在觀測時，往往不做方位標定，在后期圖像處理中需要做方位校正，確定出圖像“東南西北”的位置；(3)由于魚眼鏡頭會引起圖像畸變，并且拍攝的氣輝層是圓弧形狀的，需要對圖像進行畸變校正，把圖像投影到對應(yīng)的地理坐標；(4)由于van Rhijn效應(yīng)(Chamberlain, 1961)，成像儀記錄的是整個視線路徑上的氣輝輻射積分的效果，不同的天頂角，氣輝層厚度不一樣，因此氣輝輻射強度不一樣，并且由于光學(xué)器件的暗角效應(yīng)，會造成圖像的亮度不均勻，需要對圖像做平場校正，使圖像的亮度分布均勻；(5)雖然濾光片會對星星有一定的抑制作用，但是在圖像中還是會存在星星的亮點噪聲，在處理中需要將星星亮點去除掉.

綜上所述需要對圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，本文采用的預(yù)處理步驟，如圖2所示，主要包括：(1)圖像增強；(2)方位校正；(3)圖像投影.本文主要分析等離子體泡的形狀、結(jié)構(gòu)、尺度、變化和運動速度等基本特征，通過這三步預(yù)處理，已經(jīng)可以進行這些分析.若要更加深入地分析等離子體泡強度信息時，需要加上平場校正和星星去除的預(yù)處理步驟，從而使圖像的處理更加完善.

圖2　圖像預(yù)處理步驟

2.2.1圖像增強

(1)魚眼透鏡成像角度可達180°，圖像邊緣的數(shù)據(jù)很多都會受到本地光源的影響，因此需要將邊緣的數(shù)據(jù)去掉，這里我們按圓形提取圖像中間的部分，來去除邊緣數(shù)據(jù)；(2)然后將圖像按照一定的規(guī)則進行亮度拉伸.夜氣輝屬于弱光成像，氣輝亮度很低，并且通過2 nm帶寬的濾光片濾光之后原始圖像的灰度值都集中在很低的范圍，我們看的圖像都是黑色，觀察不到等離子體泡的信息，而進行亮度拉伸之后我們便可以觀察到圖像中的等離子體泡的信息；(3)為了使等離子體泡在圖像中更加明顯，需要去除背景輻射影響，把連續(xù)觀測的1個小時的圖像進行平均，將平均后的圖像來作為背景圖像，用每張圖像都減去背景圖像(Sharma et al., 2012)；(4)再將圖像歸一化，以突出氣輝圖像中的等離子體泡信息.

2.2.2方位校正

方位校正是為了把方位不確定的圖像數(shù)據(jù)校正為“上北下南左西右東”的方位分布.通過多張圖像星星的運動軌跡得知，星星在圖像中是從右往左運動，說明圖像東西方向不需要翻轉(zhuǎn)，只需要以圖像中天頂位置為中心把北方位置旋轉(zhuǎn)到圖像上方，其步驟如下：(1)通過星圖分析得到天頂在圖像中的位置(Xo=452，Yo=452)和北極星的方位(Xnp=481，Ynp=72)，如圖3；(2)計算圖像需要旋轉(zhuǎn)的角度，如式(3)，因為北極星此時的方位角為0.5°，在計算角度時要減去0.5°，算出θ= 3.86°；(3)將圖像以天頂?shù)奈恢脼橹行哪鏁r針旋轉(zhuǎn)3.86°，即完成圖像的方位校正.

(3)

圖3　2013年9月7日17∶08∶41UT圖像中天頂和北極星的位置

2.2.3圖像投影

由于630 nm氣輝的高度一般在250～300 km(假定氣輝高度為300 km)，所以需要將圖像投影到300 km高度對應(yīng)的地理坐標.本文選用2013年9月7日17∶08∶41UT的氣輝圖像及星星位置來確定投影關(guān)系.步驟如下：(1)找到圖像中分布均勻的40個星點的位置，記錄下它們在原始圖像中的位置，如圖4，以及圖像獲取的時間和地理經(jīng)緯度；(2)通過星圖分析得到這40個星點的仰角和方位角；(3)用星點原始像素的位置和天頂?shù)膶嶋H位置做擬合，得到原始圖像和實際位置的關(guān)系；(4)利用得到的投影關(guān)系，將圖像投影到對應(yīng)的地理坐標.

圖4　2013年9月7日17∶08∶41UT星點位置圖像

為了確定投影方法的可行性，可以用投影后的氣輝圖像和星圖來做對比，選擇任意時間的投影圖像，把時間對應(yīng)星圖中，星星的實際位置標注到經(jīng)過校正和投影的圖像中，對比圖像中星星位置和實際星星位置的偏差.選用2013年9月7日17∶35∶56UT的投影圖像，如圖5，白圈代表實際星星的位置，發(fā)現(xiàn)與圖像中亮點的位置對應(yīng)，說明投影方法是可行的.

2.2.4預(yù)處理結(jié)果

經(jīng)過預(yù)處理后的圖像如圖6所示：圖6a為原始圖像，可以發(fā)現(xiàn)圖像基本為黑色，看不出等離子體泡的信息；圖6b為增強圖像，已經(jīng)可以比較明顯地看到等離子體泡了，如圖中的暗條；圖6c為方位校正圖像，確定了圖像的方位，現(xiàn)在圖像為“上北下南左西右東”；圖6d為投影圖像，確定了對應(yīng)的地理坐標，更方便分析等離子體泡的位置、大小、速度等信息.

圖5　2013年9月7日17∶35∶56UT投影圖像

3海南地區(qū)電離層等離子體泡的主要特征

3.1主要光學(xué)形態(tài)與特征

本文利用2.2節(jié)的圖像預(yù)處理方法，處理了2013年10月25日13—16UT的氣輝圖像，得到了等離子體泡的時間序列圖像，如圖7.圖中可以看出在13∶25UT出現(xiàn)了一個等離子體泡，它的形狀為南北方向的條狀，隨著時間推移出現(xiàn)分叉，表現(xiàn)出“羽毛狀”.等離子體泡的密度比背景等離子體密度低，因此氣輝強度比背景要低，在光學(xué)圖像中表現(xiàn)為暗區(qū).

3.1.1等離子體泡的尺寸

在時間序列中，可以先后看到3個明顯的等離子體泡出現(xiàn)在視野中，圖7a—7p中灰色虛線表示海南站天頂?shù)?9.5°N，通過等離子體泡在天頂19.5°N橫跨的經(jīng)度來分析它們的東西尺寸，這里經(jīng)度為假設(shè)氣輝高度為300 km得到的經(jīng)度，實際的尺寸會有小的偏差.

圖6　2013年9月7日17∶08∶41UT預(yù)處理圖像

圖7　2013年10月25日13—16UT的氣輝圖像序列

第一個等離子體泡在13∶35UT時，如圖7a，橫跨經(jīng)度2.24°，為260 km，隨著時間推移它的東西尺寸增大，經(jīng)過一個小時到達14∶38UT時，如圖7i，東西尺寸為400 km.在圖7m中15∶14UT時，另外兩個等離子體泡的東西尺度為200 km和290 km.在同一時刻，多個等離子體泡可以同時存在，如序列中圖7k 14∶56UT的圖像，3個等離子體泡都可以觀測到，它們之間的間距分別為300 km和100 km, 這與Li等(2012)利用三亞VHF雷達觀測F層不規(guī)則體羽狀結(jié)構(gòu)的空間分布特征(東西尺度為150～770 km)一致.Pimenta等(2003)指出在典型的擴展F季節(jié)，東西方向尺度為150～450 km，在與擴展F季節(jié)相鄰的月份，尺度為40～250 km，他們認為這與季節(jié)和太陽周期相關(guān).

圖中3個等離子體泡的南北尺度都大于1000 km，南北方向的尺度與磁赤道上方等離子體泡的頂點上升高度直接相關(guān)，受太陽周期的影響(Sahai et al., 2000)，磁赤道上方等離子體泡的頂點上升高度一般為1000～2500 km.根據(jù)等離子體泡的邊界，如圖7c和7g中，統(tǒng)計邊界內(nèi)包含的像素，從而計算出等離子體泡的面積，在圖7c中13∶44UT時，等離子泡的面積約為1.9×105km2，隨著時間推移，等離子體泡的面積變大，到圖7g中14∶20UT時，它的面積增大為2.3×105km2.

3.1.2向西傾斜和分叉

等離子體泡有著明顯的向西傾斜的特征，用散射雷達得到的數(shù)據(jù)也可以看到這種傾斜的現(xiàn)象.Zalesak等(1982)認為是等離子體漂移剪切造成，Sinha和Raizada(2000)曾觀測到等離子體泡東向傾斜，他們認為是異常的風(fēng)場造成的，文中的氣輝數(shù)據(jù)沒有觀測到東向傾斜的情況.

另外從圖中連續(xù)的等離子體泡變化中看出，隨著等離子體泡的增大，它出現(xiàn)了分叉的現(xiàn)象，并不是所有的等離子體泡都會出現(xiàn)分叉的現(xiàn)象，Pimenta等(2001a)認為，在高太陽活動周期，等離子體泡的東西尺度更大，出現(xiàn)分叉的概率更大，通過分析我們氣輝數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)，等離子體泡越寬才更容易出現(xiàn)分叉的現(xiàn)象，在東西尺度很小時，沒有分叉現(xiàn)象出現(xiàn).等離子體泡一般情況下會有一個垂直的分支，其余向西傾斜.

3.1.3漂移速度

通過時間序列，可以觀測等離子體泡的東向漂移特征，并且可以通過每張圖片等離子體泡移動的距離和圖片之間的間隔時間來計算出它的漂移速度.Pimenta等(2001b)指出，等離子體泡的西墻比東墻更穩(wěn)定，更適合用于分析它的漂移速度.在夜間，F(xiàn)層等離子體和背景中性風(fēng)以相同的速度向東運動，等離子體泡密度低會降低離子之間的交互作用，會使等離子體內(nèi)部的中性風(fēng)的速度略微地提高，多出的動量會作用到等離子體泡的東墻上，使東墻擴展.

這里畫出圖7c—7j中每張圖的天頂19.5°N這條緯度線上從西到東氣輝的相對強度變化，如圖8，前一條顏色深的直線表示等離子體泡西墻的強度變化，后一條顏色淺的直線代表的是東墻的強度變化.可以發(fā)現(xiàn)西墻的斜率基本不變，而東墻的斜率變化明顯，說明東墻的形狀變化快，相對西墻更不穩(wěn)定.同時分別用東墻和西墻計算出圖7中等離子體泡的漂移速度，如圖9，13∶25—14∶47UT以第一個等離子體泡計算速度，14∶56—15∶42UT以第二個等離子體泡計算速度.圖9也可以明顯地看出以西墻的速度比東墻的速度更穩(wěn)定，所以用西墻來分析等離子體泡的漂移速度更好.這里的速度是假定氣輝的高度為300 km計算出來的，實際630 nm的氣輝高度為250～300 km，因此速度的計算受假定高度的影響，假定高度為250 km時，速度會減小20%左右.在圖8所示的這兩個小時內(nèi)，利用西墻得到的速度為130 m·s-1左右，與這一區(qū)域的衛(wèi)星信標和雷達觀測已經(jīng)給出的大量F層不均勻體漂移特性的研究結(jié)果相似(Li et al., 2007; 陳艷紅等, 2008; Liu et al., 2015)，典型速度為50～150 m·s-1.在異常風(fēng)場下，西向漂移和向東傾斜往往是同時發(fā)生的，但是在文獻中的氣輝數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象.

圖8　天頂緯度氣輝的相對強度

3.2時間特征

將2013年9月—2014年5月的原始觀測資料通過數(shù)據(jù)預(yù)處理后形成可清晰識別等離子體泡的產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計電離層等離子體泡出現(xiàn)時間的規(guī)律，結(jié)果如圖10所示，其中沒有數(shù)據(jù)的部分是因為明月的影響，在有數(shù)據(jù)的時間段將圖像分為三類：(1)由于云的遮擋，無法獲得等離子體泡的信息，圖中用黑條表示；(2)天空清晰，但是沒有等離子體泡，圖中用綠條表示；(3)天空清晰，可以觀察到等離子體泡的現(xiàn)象，圖中用紅條表示.

通過統(tǒng)計作圖之后發(fā)現(xiàn)等離子體泡一般出現(xiàn)在日落后1～2個小時，持續(xù)時間為1～4個小時左右，等離子體泡出現(xiàn)的典型時間段為9月下旬—10月下旬和2月下旬—4月中旬.

圖9　2013年10月25 日等離子體泡的漂移速度

圖10　2013年9月—2014年5月氣輝圖像的統(tǒng)計

4結(jié)論

本文通過對氣輝數(shù)據(jù)的處理，得到了可清晰識別的電離層等離子體泡的圖像產(chǎn)品，獲得了我國海南地區(qū)首次電離層等離子體泡的光學(xué)觀測結(jié)果.在此基礎(chǔ)上，分析了我國海南地區(qū)等離子體泡的基本特征：(1)形狀為南北方向的條狀，隨著時間推移出現(xiàn)分叉，表現(xiàn)出“羽毛狀”，整個泡體向西傾斜；(2)東西方向的尺寸為幾十到幾百公里，與擴展F季節(jié)相關(guān)；(3)漂移過程中，西墻比東墻更穩(wěn)定，典型漂移速度為50～150 m·s-1；(4)統(tǒng)計了2013年9月至2014年5月等離子體泡出現(xiàn)的時間規(guī)律，結(jié)論是等離子體泡一般出現(xiàn)在日落后1～2個小時，持續(xù)時間為1～4個小時左右，等離子體泡出現(xiàn)的典型時間段為9月下旬—10月下旬和2月下旬—4月中旬.

通過對數(shù)據(jù)長時間的統(tǒng)計和深入的研究以及聯(lián)合其他觀測手段對等離子體泡的分析，可以得到等離子體泡在多手段觀測下的特征.在此基礎(chǔ)上，針對我國低緯(海南)地區(qū)電離層等離子體泡的出現(xiàn)規(guī)律和結(jié)構(gòu)特征，面向電離層閃爍的應(yīng)用需求，提出可大范圍、自動化、高精度觀測等離子體泡的觀測方案，探索通過光學(xué)手段大范圍監(jiān)測電離層等離子體泡及閃爍的可行性，為將來我國南方大范圍監(jiān)測電離層等離子體泡及電離層閃爍現(xiàn)象提供技術(shù)基礎(chǔ).

致謝感謝子午工程和徐寄遙研究員提供氣輝觀測數(shù)據(jù)和非常有益的討論.

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(本文編輯何燕)

基金項目國家自然科學(xué)基金面上項目(41274159，41174030)資助.

作者簡介吳祺，男，1989年生，湖北黃岡人，2015年于中南民族大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要研究方向為光與物質(zhì)相互作用.E-mail: 176259681@qq.com *通信作者余濤.E-mail: yutaommnn@163.com

doi:10.6038/cjg20160103 中圖分類號P352

收稿日期2014-08-31，2015-11-09收修定稿

Night airglow observations to irregularities in the ionospheric F region over Hainan

WU Qi1,2， YU Tao2,3*， LIN Zhao-Xiang1， XIA Chun-Liang2， ZUO Xiao-Min2， WANG Xiao4

1CollegeofElectronicsandInformationEngineering,South-CentralUniversityforNationalities,Wuhan430074,China2HubeiSubsurfaceMulti-scaleImagingKeyLaboratory,InstituteofGeophysicsandGeomatics,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China3NationalSatelliteMeteorologicalCenter,Beijing100081,China4NationalSpaceScienceCenter,ChineseAcademyofSciences,Beijing100081,China

AbstractIn this paper, airglow images of 630 nm emission are taken by an all sky imager in the Meridian Project Hainan Fuke Station (19.5°N, 109.2°E). The data processing including image enhancement, azimuth correction and image projection is performed to identify ionospheric plasma bubbles and to get clear image products. The optical observation of ionospheric plasma bubbles is the first of its kind in Hainan.

With the optical measurements from September 2013 to May 2014, the spatial structure and its evolution, and the zonal drifts of plasma bubbles are analyzed. According to these observations, the plasma bubbles usually appear 1～2 hours after the sunset and last for 1～4 hours. September and October and February to April are the typical periods when the plasma bubbles appear. The shape of the plasma bubbles is just like stripes, which spread from north to south. Gradually the plasma bubbles maybe develop some bifurcations that look like plumage, and usually lean to the west. The size of the plasma bubbles in the east-west direction ranges from dozens to hundreds of kilometers. It is related to the seasonal variation. The west wall of the plasma bubbles is more steady than the east wall in the process of drifting. The typical velocity of east-west motion is in the range of 50～150 m·s-1. The analysis reveals the main optical observing characteristics of ionospheric plasma bubbles in Hainan.

KeywordsIonospheric irregularities; Plasma bubbles; Airglow imager

吳褀， 余濤， 林兆祥等. 2016. 海南電離層F區(qū)不規(guī)則體的氣輝觀測.地球物理學(xué)報，59(1):17-27,doi:10.6038/cjg20160103.

Wu Q, Yu T, Lin Z X, et al. 2016. Night airglow observations to irregularities in the ionospheric F region over Hainan.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(1):17-27,doi:10.6038/cjg20160103.