磁暴期全球電離層電子含量變化分析研究

陳志華,施昆,徐吉松

(1.中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650051;2.昆明理工大學(xué),云南 昆明 650093)

0 引 言

受日冕物質(zhì)拋射和冕洞高速流影響,行星際磁場(chǎng)(IMF)分量 Bz會(huì)向南偏轉(zhuǎn)并加強(qiáng),此時(shí)高速的太陽(yáng)風(fēng)能量通過(guò)磁重聯(lián)機(jī)制進(jìn)入磁層-電離層-熱層的耦合系統(tǒng),地磁空間環(huán)境受到強(qiáng)烈擾動(dòng),從而引起全球性電離層暴[1-3]．電離層暴會(huì)導(dǎo)致無(wú)線電通訊中斷、衛(wèi)星導(dǎo)航與定位的精度降低[4-5]以及特高壓輸電網(wǎng)的崩潰等．

磁暴期間高能粒子在極區(qū)沉降,通過(guò)洛倫茲力和焦耳加熱的形式加熱高層大氣,激發(fā)大尺度的大氣聲重波(AGW),并向低緯傳播,這就是大尺度電離層行進(jìn)式擾動(dòng)(LSTID)．大量觀測(cè)表明LSTID的周期在30～180 min之間,水平相速度在300～1000 m/s之間[6-7]．另外,高能粒子沉降還會(huì)導(dǎo)致熱層暴環(huán)流(擾動(dòng)中性風(fēng)場(chǎng)、中性風(fēng)成分)向中低緯傳輸,引起電離層熱層的O/N2濃度比例發(fā)生變化[8-10],當(dāng)O/N2濃度升高,電離層電子濃度增加(正暴),當(dāng)O/N2濃度降低,電離層電子濃度減少(負(fù)暴)．

目前普遍認(rèn)為[1],熱層暴環(huán)流是影響電離層暴(尤其是正暴)形成的主要機(jī)制,但不是唯一機(jī)制．如高緯磁層電場(chǎng)的滲透、擾動(dòng)發(fā)電機(jī)電場(chǎng)向中低緯的傳播以及等離子體對(duì)流的增強(qiáng)等都可能引起不同程度的電離層暴．有學(xué)者認(rèn)為磁暴期間隨著高緯磁層電場(chǎng)向低緯的滲透,白天中低緯度地區(qū)將會(huì)產(chǎn)生東向電場(chǎng)的擾動(dòng),抬升電離層的高度并使F層電子總含量(TEC)增加,產(chǎn)生所謂的超級(jí)噴泉效應(yīng),同時(shí)高緯負(fù)相擾動(dòng)向低緯傳播[11-13]．還有學(xué)者認(rèn)為由高緯能量沉降產(chǎn)生的擾動(dòng)發(fā)電機(jī)電場(chǎng)赤道向的傳播會(huì)影響到中低緯電離層的擾動(dòng),這類擾動(dòng)赤道向的拓展有一定的時(shí)間延遲[14-15]．此外,還有學(xué)者認(rèn)為高速太陽(yáng)風(fēng)與強(qiáng)南向IMF Bz的結(jié)合,導(dǎo)致大尺度等離子體對(duì)流和電流的增強(qiáng),會(huì)進(jìn)一步改變等離子體的漂移和氣體的電離,從而影響到電離層的結(jié)構(gòu)[16-18]．總之,電離層在這些不同機(jī)制的共同作用下,表現(xiàn)出復(fù)雜的擾動(dòng)特征．

本文以2015年3月特大磁暴為研究對(duì)象,利用全球分布的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)觀測(cè)站TEC數(shù)據(jù)和中國(guó)區(qū)域的電離層測(cè)高儀foF2數(shù)據(jù),對(duì)此次電離層磁暴的擾動(dòng)特性進(jìn)行研究并討論其可能的物理機(jī)制．

1 太陽(yáng)和地磁活動(dòng)介紹

2015年3月17日發(fā)生了第24太陽(yáng)活動(dòng)周以來(lái)最強(qiáng)磁暴事件[19-20],持續(xù)時(shí)間超過(guò)36小時(shí)．這次磁暴是由3月14-15日兩個(gè)朝向地球的全暈日冕物質(zhì)拋射(CME)聯(lián)合作用導(dǎo)致[21]．CME中的等離子云伴隨高速太陽(yáng)風(fēng)的壓縮直接沖擊地磁場(chǎng),通過(guò)磁重聯(lián)機(jī)制引起離子體沉降和磁亞暴活動(dòng)[22-23]．

如圖1所示，磁暴前后連續(xù)6天的行星際磁場(chǎng)IMF、太陽(yáng)風(fēng)速度Vsw和動(dòng)壓Psw、磁場(chǎng)活動(dòng)指數(shù)Kp、極區(qū)電集流指數(shù)AE、赤道環(huán)電流指數(shù)Dst以及對(duì)稱環(huán)電流指數(shù)SYM-H的變化曲線．在17日～04:45UT出現(xiàn)急始型磁暴增強(qiáng)(SSC),此時(shí)SYM-H從平穩(wěn)狀態(tài)突然增大到53 nT,太陽(yáng)風(fēng)速?gòu)?00 km/s急劇增長(zhǎng)到500 km/s,太陽(yáng)風(fēng)壓從前一天的300 nPa急劇增大到500+nPa,Bz北向偏轉(zhuǎn)達(dá)到～25 nT,Kp=5．之后磁暴的發(fā)展分為三個(gè)階段:04:45-07:30UT為初相階段,07:30-22:45UT為主相階段,22:45UT之后為恢復(fù)相階段．

主相階段,太陽(yáng)風(fēng)速和太陽(yáng)風(fēng)壓相比往日有大幅增加,分別是600 km/s和13～25 nPa,Kp在5～8之間,達(dá)到中等強(qiáng)度以上的磁暴活動(dòng)水平．AE在～08:50UT出現(xiàn)首次峰值981 nT,在13:55UT又出現(xiàn)一次峰值,兩次峰值之間Bz在南北向多次翻轉(zhuǎn),在17:00-24:00UT,AE出現(xiàn)了多峰值(將該多峰值看作是第三次峰值階段),每一次峰值的出現(xiàn)都表示強(qiáng)烈的極區(qū)活動(dòng)使得較多的O+由電離層注入到內(nèi)磁層,導(dǎo)致極區(qū)電集流增大[24]．另外可看出,AE的三次峰值階段與SYM-H的三次極小值階段大致對(duì)應(yīng),SYM-H的三次極小值分別是-99 nT(09:35UT),-174 nT(17:25UT)和-233 nT(22:45UT),可見(jiàn)主相階段SYM-H并不是單調(diào)下降的,而是主要分三次下降,第一次SYM-H下降的幅度最大,且與Bz的首次南偏時(shí)段相對(duì)應(yīng),可認(rèn)為該次SYM-H的降低是由南向的IMF Bz導(dǎo)致的,后兩次下降分別對(duì)應(yīng)AE的后兩次峰值階段,可認(rèn)為極區(qū)環(huán)電流的增大導(dǎo)致SYM-H的后兩次下降．恢復(fù)相階段,IMF By維持南向,太陽(yáng)風(fēng)和各類地磁指數(shù)相對(duì)于磁靜日仍然偏大,表明極區(qū)活動(dòng)依舊活躍．

根據(jù)磁暴分類等級(jí),17-18日有12小時(shí)達(dá)到大磁暴水平,12小時(shí)達(dá)到中等磁暴水平,18小時(shí)達(dá)到小磁暴水平;19-23日,受重現(xiàn)性冕洞高速流影響,Vsw維持在500～700 km/s,有3小時(shí)達(dá)到中等磁暴水平,18小時(shí)達(dá)到小磁暴水平．

2 數(shù)據(jù)和方法

基于GNSS雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù),采用球諧函數(shù)可以建立區(qū)域或全球電離層模型:

α0·mf·(cDCBr+cDCBs)=α0·mf·P4,sm,

(1)

這里采用每1 h估計(jì)一組系數(shù)的球諧函數(shù)進(jìn)行全球電離層建模．由于接收機(jī)的硬件延遲和衛(wèi)星的硬件延遲比較穩(wěn)定,所以可將其分別作為一個(gè)常數(shù)進(jìn)行估計(jì)．需要注意的是,DCBr和DCBs參數(shù)列相關(guān),無(wú)法直接分離,為此將所有衛(wèi)星的硬件延遲之和假定為零．

在求解DCBr和DCBs后,結(jié)合式(2)便可得到穿刺點(diǎn)處的STEC或VTEC:

類似地,在求解球諧系數(shù)后,便可得到全球或區(qū)域的VTEC格網(wǎng)模型:

bnmsin(ms)).

(3)

為了某個(gè)區(qū)域內(nèi)電離層對(duì)磁暴的總體響應(yīng)情況,借助球面微積分的思想,在電離層單層高度上對(duì)式(3)獲取的VTEC進(jìn)行積分,獲得區(qū)域電子含量(RTEC)變化:

(4)

式中:VTECi,j為格網(wǎng)模型節(jié)點(diǎn)(i,j)處VTEC;Si,j是以節(jié)點(diǎn)(i,j)為中心的格網(wǎng)面積．其中RTEC的單位為GECu(1GECu=1016TECu)．

3 磁暴期間全球電離層時(shí)空變化

利用式(2)求解穿刺點(diǎn)VTEC后,將全球劃分2.5°(緯度)×5°(經(jīng)度)的格網(wǎng),并把在5 min內(nèi)穿過(guò)該格網(wǎng)的穿刺點(diǎn)VTEC中值,作為該格網(wǎng)VTEC值．圖2示出了利用該方法得到的北半球2015年3月17日VTEC變化情況．

在以上計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,取3月11-15日(磁靜日)的VTEC均值作為參考值VTECref,按下式計(jì)算3月16-19日VTECdaily相對(duì)于地磁平靜日的變化情況(圖3)．

(5)

圖2 2015年3月17日(01:00-24:00UT)VTEC變化

圖3 2015年3月15-20日dVTEC(%)的變化(VTEC 的最大增加幅度超高300%,但為了更好地顯示電離層暴在全球的變化,將調(diào)色板的上限設(shè)為200%)

3月16日地磁活動(dòng)平靜(Kp< 3),可以看出該天可控制在～±30%內(nèi),VTEC的較小變化(20%～30%)被看作是電離層的周日變化,所以在后續(xù)的討論中我們認(rèn)為VTEC在30%以內(nèi)的變化與磁暴無(wú)關(guān)．可以發(fā)現(xiàn)3月17-18日發(fā)生了全球性、大幅度的電離層擾動(dòng),擾動(dòng)在3月19日有所減弱．

從3月17日06:00UT開(kāi)始,北半球高緯地區(qū)最早出現(xiàn)正暴,幅度最大達(dá)50%．在緊接著的7小時(shí)內(nèi),正暴逐漸加強(qiáng),最大增幅超過(guò)150%,此期間Vsw和Psw維持在較高水平(Vsw=～600 km/s,Psw=～20 nPa),IMF Bz南向偏轉(zhuǎn)．在12:00-15:00UT,南半球高緯以弱負(fù)暴為主,幅度在～-50%～-80%,北半球正暴的范圍和幅度均有所降低,此時(shí)AE指數(shù)處于低谷階段,說(shuō)明極區(qū)活動(dòng)減弱,這也與Dst和SYM-H的第一次短暫回升階段相對(duì)應(yīng)．在～16:00UT,TEC SED 結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在加拿大東岸(見(jiàn)圖2)．在接下來(lái)的8小時(shí)內(nèi),此SED結(jié)構(gòu)逐漸向西漂移,與此同時(shí),在北美洲可觀測(cè)到由SED引起的TEC梯度變化．一些學(xué)者認(rèn)為,由于電離層梯度,一些小尺度的不規(guī)則體結(jié)構(gòu)經(jīng)常以SED的形式出現(xiàn)．

18:00-24:00UT,北半球中緯度(30°N～50°N)區(qū)域的帶狀正暴范圍逐漸縮減,直至消失;北半球高緯地區(qū)出現(xiàn)弱負(fù)暴;16:00UT以后,在美洲扇區(qū)20°N以南,可以清晰地觀測(cè)到TEC增強(qiáng)．最強(qiáng)正暴效應(yīng)位于南美洲和南大西洋30°S～50°S,增幅超過(guò)300%(00:00-04:00UT 18 March),而北美洲對(duì)應(yīng)區(qū)域卻以弱負(fù)暴為主,正負(fù)暴在強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)明顯的南北半球不對(duì)稱現(xiàn)象．3月18日6:00-12:00UT,低緯度區(qū)域出現(xiàn)正相暴,正相暴向西漂移的同時(shí)逐漸衰減,而在中高緯度區(qū)域出現(xiàn)明顯的負(fù)相暴現(xiàn)象,負(fù)暴在東亞和大洋洲南部尤為明顯,幅度可達(dá)～-100%．3月18日除了00:00-12:00UT的中低緯度區(qū)域外,全球以負(fù)暴為主,并且全球負(fù)暴在14:00-20:00UT尤為明顯．3月 19日隨著太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)的緩慢回歸,電離層逐漸進(jìn)入正常水平狀態(tài)．

4 恢復(fù)相階段負(fù)暴演變特性分析

恢復(fù)相負(fù)暴在東亞地區(qū)尤為明顯,為了說(shuō)明負(fù)暴的演變過(guò)程(positive-> negative-> normal level),分別給出了中國(guó)區(qū)域電離層測(cè)高儀F2層臨界頻率(foF2)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)GEO衛(wèi)星STEC以及RTEC的時(shí)間序列圖．

如圖4所示,3月17日12:00UT后,漠河、北京、武漢和三亞站的foF2逐漸由大于參考值變?yōu)樾∮趨⒖贾?positive storm-> negative storm),從各測(cè)站進(jìn)入負(fù)暴的時(shí)間先后順序可發(fā)現(xiàn),漠河最先從較強(qiáng)的正暴轉(zhuǎn)為較強(qiáng)的負(fù)暴,其次是北京從弱正暴轉(zhuǎn)為負(fù)暴,然后是武漢沒(méi)有顯著的正負(fù)暴,最后是三亞進(jìn)入負(fù)暴,這表明負(fù)暴從高緯逐漸向低緯傳播．3月18日各測(cè)站foF2遠(yuǎn)低于背景參考值,降低幅度在50%以上,說(shuō)明該日負(fù)暴響應(yīng)顯著,這可能與該區(qū)域O/N2較低有關(guān);另外可看到,3月18日漠河和北京foF2下降程度最為明顯,foF2最高值甚至低于夜間參考值的最低值,三亞站則不是那么明顯,表明負(fù)暴在向低緯傳播過(guò)程中強(qiáng)度逐漸衰減;3月19日白天,負(fù)暴明顯(漠河),負(fù)暴減弱(北京),恢復(fù)到正常水平(武漢,三亞),這也表明負(fù)暴在赤道向傳播過(guò)程中存在強(qiáng)度衰減,衰減機(jī)制可能與背景電離層的離子拖拽有關(guān)．

圖4 中國(guó)地區(qū)測(cè)高儀F2層臨界頻率foF2變化(紅色曲線為15 min分辨率的foF2,藍(lán)色曲線為前15天foF2的滑動(dòng)中值,綠色陰影為滑動(dòng)中值的1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差)

如圖5所示，JFNG站BDS的GEO衛(wèi)星STEC在3月15-18日的分布情況．相對(duì)于磁靜日(DOY074, 075),磁暴主相階段(DOY076 06:00-12:00UT),各顆衛(wèi)星的STEC突然增大(增幅可達(dá)20TECu),呈現(xiàn)正暴現(xiàn)象．

圖5 JFNG站BDS GEO衛(wèi)星STEC,括號(hào)中的角度分別為GEO衛(wèi)星穿刺點(diǎn)處的地理緯度,經(jīng)度和衛(wèi)星高度角

主相階段STEC峰值相對(duì)往日有所滯后,例如對(duì)于GEO C02衛(wèi)星,磁靜日STEC峰值一般在06:00UT左右,而在磁暴當(dāng)天STEC峰值延遲到10:00UT左右．12:00 UT后,STEC相對(duì)磁靜日突然變小,正暴變?yōu)樨?fù)暴．磁暴恢復(fù)相階段(DOY077),負(fù)暴現(xiàn)象更為明顯,各顆GEO衛(wèi)星STEC降幅普遍40 TECu左右．

為了研究整個(gè)中國(guó)區(qū)域電離層對(duì)磁暴的響應(yīng)情況,基于公式(3)構(gòu)建了中國(guó)范圍內(nèi)(75°E～135° E,15°N～55°N)的空間分辨率為1° × 1°的VTEC格網(wǎng)模型,然后基于公式(4)得到了RTEC在中國(guó)區(qū)域的電離層響應(yīng)．圖6為磁暴期間RTEC在中國(guó)區(qū)域的時(shí)間序列圖,可以發(fā)現(xiàn)在主相階段(3月17日, 12:00UT左右),存在電離層由正暴向負(fù)暴演變的過(guò)程,此處觀測(cè)結(jié)果與測(cè)高儀的觀測(cè)結(jié)果一致．主相階段的VTEC峰值比往日有所增大,且峰值時(shí)間有所滯后．在恢復(fù)相階段,觀測(cè)到了與測(cè)高儀foF2以及BDS GEOSTEC類似的負(fù)暴現(xiàn)象,RTEC普遍低于正常水平,降幅十分明顯(最大降幅為53%),說(shuō)明恢復(fù)相階段整個(gè)中國(guó)范圍內(nèi)以電離層負(fù)暴為主．

圖6 2015年3月15-19日RTEC和ΔRTEC時(shí)間序列(ΔRTEC=觀測(cè)值-參考值, 參考值為前5天的RTEC滑動(dòng)中值)

5 結(jié)束語(yǔ)

2015年3月發(fā)生了迄今為止第24太陽(yáng)活動(dòng)周最為強(qiáng)烈的磁暴,磁暴造成的電離層響應(yīng)非常復(fù)雜,在不同階段不同的物理機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)作用．

從全球電離層在空間域的差分圖可看出,在3月17日05:00UT,北半球高緯地區(qū)最早出現(xiàn)正暴,幅度可達(dá)50%,這是因?yàn)橛心芰砍掷m(xù)向極區(qū)注入．在緊接著的7小時(shí),正暴逐漸加強(qiáng),最大增幅超過(guò)150%．12:00-15:00UT南半球高緯以弱負(fù)暴為主,幅度在～-50%～-80%,北半球的正暴范圍和幅度均有所降低,此時(shí)AE指數(shù)處于低谷階段,說(shuō)明極區(qū)活動(dòng)減弱;18:00-24:00UT,北半球高緯地區(qū)出現(xiàn)弱負(fù)暴,這是由于在焦耳加熱和電集流作用下,中性大氣膨脹上升,將低層大氣的N2分子帶到較高高度,引起O/N2濃度減小．

3月18日(恢復(fù)相)中高緯為負(fù)暴,低緯為正暴的現(xiàn)象可以用暴環(huán)流理論解釋:磁暴期間高能粒子沉降和極光電集流突然增強(qiáng),然后以洛倫茲力和焦耳加熱的形式加熱高層大氣,極區(qū)中性大氣受熱膨脹上升,攜帶大量高緯熱層中性成分向上運(yùn)動(dòng),然后在水平熱層風(fēng)作用下向低緯地區(qū)流動(dòng),最后在赤道區(qū)域下沉,類似地,在熱層底部也存在著極向運(yùn)動(dòng)的中性大氣,如此便可在極區(qū)與赤道之間形成大尺度環(huán)流．但O原子隨高度的減小程度沒(méi)有N2分子顯著,所以通常來(lái)說(shuō),高緯區(qū)域由熱層上部帶走的O原子要比熱層底部補(bǔ)充的O原子多,使得極區(qū)O/N2濃度減小,所以在高緯負(fù)暴顯著;低緯區(qū)域,由極區(qū)帶來(lái)的O要比低層從赤道輸送到極區(qū)的O多,使得低緯O/N2濃度增大,故低緯地區(qū)以正暴為主．