電離層O+83.4 nm日輝輻射傳輸特性研究

王大鑫，付利平，江 芳，賈 楠，3，4，竇雙團

1. 中國科學院國家空間科學中心，北京 100190 2. 中國科學院大學，北京 100049 3. 天基空間環(huán)境探測北京市重點實驗室, 北京 100190 4. 中國科學院空間環(huán)境態(tài)勢感知技術重點實驗室, 北京 100190

引 言

地球電離層是空間大氣的重要組成部分，它的活動特性直接影響無線電波的傳播[1]。對地球大氣極遠紫外氣輝輻射進行測量是研究地球電離層和熱層的重要天基遙感手段。對于電離層F層(100～500 km)區(qū)域，氧離子占離子濃度的95%，并認為其濃度可以近似等同于該高度范圍內的總等離子體密度[2]，因此測量O+相關的氣輝輻射可以獲得電子密度的分布情況。

利用對白天電離層F層83.4 nm氣輝輻射進行臨邊探測，獲得電離層電子密度擴線最初是由McCoy[3]等提出的，這項工作為以后一系列通過臨邊掃描和臨邊成像來進行遙感探測的衛(wèi)星任務奠定了理論基礎。國際上進行83.4 nm波段遙感探測任務主要包括空間站的大氣層電離層遙感探測系統(tǒng)RAIDS[4-5]，ARGOS衛(wèi)星上的低分辨率氣輝極光光譜儀LORAAS[2, 5]，國防氣象衛(wèi)星計劃DMSP上搭載的紫外臨邊成像儀SSULI[2, 5]以及安裝在國際空間站(ISS)上的臨邊成像電離層熱層極紫外光譜儀LITES[6]。此外，2019年發(fā)射的ICON衛(wèi)星計劃將對電離層幾大因素進行綜合探測，包括中性風、大氣成分、大氣溫度、等離子體速度等。衛(wèi)星上配置的載荷極紫外光譜成像儀(EUV Spectrograph)，可以通過對日側83.4和61.7 nm波段進行臨邊探測，獲得白天電離層擴線及峰值電子密度信息[7-8]。

目前，國內對83.4 nm日輝發(fā)射機理及探測技術的研究處于起步階段，本文重點研究了極紫外83.4 nm日氣輝的產生機制及輻射傳輸原理，并用AURIC 模型計算了O+83.4 nm初始體發(fā)射率、共振散射作用下的總體發(fā)射率和臨邊柱輻射強度等分布情況，并給出83.4 nm日輝輻射強度與太陽活動、地磁活動間的關系。

1 O+83.4 nm氣輝輻射傳輸原理

O+83.4 nm輻射的主要來源是太陽EUV氣輝輻射(λ<43.6nm)[2]對低熱層氧原子內殼電子的光電離，電離后O+處于激發(fā)態(tài)，然后發(fā)生能級躍遷(2s2p44p→2s22p34s0)[3]返回基態(tài)，并發(fā)出83.4 nm的光輻射。該輻射是一個三重態(tài)83.4 nm(83.275，83.333，83.446 nm)[3]的輻射光譜，是紫外日氣輝能被觀測到的最明顯的OⅡ特性[3]，其光電離方程可表示為[9]

(1)

O+83.4 nm輻射的次要來源是低熱層原子氧的光電子碰撞電離，同樣碰撞激發(fā)電離產生激發(fā)態(tài)的O+，然后內部輻射躍遷返回基態(tài)，并產生O+83.4 nm氣輝輻射，碰撞電離可表示為[10]

O+e→O++2e+83.4 nm

(2)

碰撞電離對總的柱發(fā)射率貢獻約為10%[2]。由氧原子的極紫外光電離和光電子碰撞激發(fā)兩個主要過程產生的83.4 nm光子峰值高度主要在200 km以下的低熱層。然后，兩個過程電離產生的O+進入電離層F層內，與主要離子O+發(fā)生多次共振散射[2-3]，這個過程可以使O+83.4 nm的體發(fā)射率在F層附近顯著增強，因此，不同的O+分布將導致不同的F層臨邊強度剖面[3]。

此外，83.4 nm日氣輝輻射的來源還包括O+的電子碰撞激發(fā)和太陽83.4 nm光子的直接散射。因為O+柱密度比原子O低幾個數(shù)量級，所以O+的直接電子碰撞激發(fā)看作一個小貢獻，可以忽略不計。但太陽83.4 nm光子的直接散射很難與O+83.4 nm輻射區(qū)分測量，F(xiàn)eldman等對太陽通量進行合理評估后，認為其對83.4 nm總輻射率的貢獻很小[11]，且僅對約400 km以上的輻射剖面有微小貢獻，因此這兩個輻射源均可忽略不計。

假設在平面水平大氣中，若滿足各向同性、守恒散射以及完全頻率重分布的條件，則正演模型可給出體發(fā)射率，可表示為[3, 7]

(3)

其中，jk(z)為高度z處的體發(fā)射率，j0k(z)為高度z處的初始體發(fā)射率，包含太陽83.4 nm共振散射源[3]。第二項為O+多次共振散射源項，其中，σ0k為共振散射截面，NO+(z)為高度z處的氧離子數(shù)密度，z0為初始光子產生源高度，τk為與共振散射相關的光學厚度，tk為與吸收相關的光學厚度，包括N2, O以及O2的吸收[3]。H即Holstein概率函數(shù)，表示一個光子從區(qū)域(z′,z′+dz)傳輸?shù)?z,z+dz)過程中，在某一點經歷共振散射的概率[12]。

體發(fā)射率沿著視線方向積分即得到柱輻射強度I[3, 7]，即[7]

(4)

圖1 O+83.4 nm輻射傳輸示意圖Fig.1 Schematic diagram of the O+83.4 nm radiation transfer

2 O+83.4 nm氣輝輻射模式計算結果分析及驗證

大氣紫外輻射積分代碼AURIC(Atmospheric Ultraviolet Radiance Integrated Code)是美國計算物理公司CPI(Computational Physics, Inc.)和空軍Phillips實驗室聯(lián)合開發(fā)的用于研究熱層80～1 000 nm輻射光譜的大氣輻射傳輸模型，可以用于計算光電子通量、體發(fā)射率和輻射強度等[13]，是目前可用于極遠紫外波段輻射模擬研究的通用模型。本文利用AURIC v1.2對電離層O+83.4 nm日氣輝輻射模擬，獲得衛(wèi)星高度以下電離層體發(fā)射率、柱輻射強度等參量，并研究83.4 nm氣輝強度在赤道異常區(qū)以及其隨太陽活動、地磁活動等不同條件影響下的變化規(guī)律。

2.1 O+83.4 nm氣輝輻射隨高度變化

83.4 nm氣輝輻射強度與氧原子分布有關，并隨高度變化。分別選取一個太陽活動周期內太陽活動低年(1986年)、太陽活動峰年(1989年)、太陽活動高年(1992年)中同一天，位置為地磁赤道附近，利用AURIC模式對O+83.4 nm輻射體發(fā)射率隨高度的分布進行仿真計算，模擬高度為0～850 km(文中假設衛(wèi)星為太陽同步軌道衛(wèi)星，軌道高度850 km)，觀測角為90°～118°，模擬仿真選用參數(shù)如表1所示。

表1中Year和Day表示日期，UT為世界時，F(xiàn)10.7為太陽活動指數(shù)以及81天太陽活動指數(shù)平均值〈F10.7〉。

仿真結果如圖2所示。

圖2為一個太陽活動周期內不同年份中同一天的體發(fā)射

表1 AURIC模型參數(shù)Table 1 The parameters of AURIC

率隨高度變化的擴線圖，實線表示考慮多次共振散射的體發(fā)射率，虛線是光電子碰撞電離的體發(fā)射率，點劃線是光電離激發(fā)的體發(fā)射率。隨著高度的增加，體發(fā)射率先增大后減小，在200～300 km高度達到峰值，此時光電離激發(fā)過程為主要過程。不考慮多次共振散射時，83.4 nm氣輝輻射的初始體發(fā)射率峰值高度在大約200 km高度處，這是因為氧原子主要分布在200 km以下的低熱層，通過光電離激發(fā)過程和光電子碰撞過程產生的83.4 nm輻射強度在大約200 km處達到峰值。而考慮多次共振散射后，O+向上擴散進入電離層F層過程中，與O+發(fā)生多次共振散射，使O+83.4 nm的體發(fā)射率在F層附近明顯增強，因此各個高度的體發(fā)射率不僅考慮該高度處的初始體發(fā)射率，還應考慮來自其他高度散射過來的輻射貢獻[14]。

圖2 體發(fā)射率隨高度的分布Fig.2 The distribution of volume emission rates with height

2.2 O+83.4 nm氣輝輻射與太陽活動、地磁活動的關系

從圖2可以看出，83.4 nm氣輝輻射強度與太陽活動有關，太陽活動高年的輻射體發(fā)射率明顯大于太陽活動低年，且峰值高度也要高于太陽活動低年。這是由于不同太陽活動條件下，低熱層O原子的光電離速率不同。太陽活動越劇烈，光電離產生的O+和電子濃度越大，產生的83.4 nm氣輝輻射強度就越強，因此太陽活動高年83.4 nm氣輝輻射體發(fā)射率越大。而O+濃度越大，向F2層擴散越劇烈，共振散射現(xiàn)象越明顯，因此太陽活動高年，O+83.4 nm輻射體發(fā)射率的峰值高度升高，這與電離層電子密度的變化趨勢一致，進一步說明83.4 nm輻射的擴線分布與電離層電子密度擴線分布有著很好的相關性。

同一個太陽活動周期，選取模擬年份與表1相同，日期為春分點附近，此時太陽直射點經過赤道，繼續(xù)向北移動。固定經度25°不變，觀測高度為500 km，觀測角為90°～118°，世界時為12點，對臨邊柱輻射強度隨切點高度變化進行模擬仿真，結果如圖3所示。

圖3為同一太陽活動周期內三個年份中同一天的臨邊輻射強度隨切點高度的變化，色度表示O+83.4 nm的臨邊柱輻射強度(R)，由圖可知太陽活動的劇烈程度直接影響O+83.4 nm氣輝臨邊柱輻射強度，在南北半球低緯處出現(xiàn)兩個極大值，說明O+83.4 nm輻射強度與電離層赤道異?，F(xiàn)象有很好的對應關系，且太陽活動高年赤道異?，F(xiàn)象更加明顯，因此O+83.4 nm日輝輻射與電離層電子密度有非常好的相關性。

選擇表1前兩組數(shù)據(jù)中的日期、時間，太陽活動指數(shù)F10.7分別取70，120，170，230，270和300，畫出O+83.4 nm氣輝柱輻射強度隨切點高度變化的曲線圖，如圖4所示。

圖4為表1內前兩組數(shù)據(jù)中的年份日期下仿真得到的臨邊柱輻射強度隨太陽活動分布的擴線圖。由圖可知，當F10.7的值越大時，83.4 nm氣輝臨邊柱輻射強度也越強，即隨著太陽活動的增強，83.4 nm氣輝臨邊柱輻射強度也會呈現(xiàn)不同程度的增加，其原因是太陽活動增強會導致低熱層O原子的光電離速率增強，進而導致83.4 nm氣輝輻射增強[15]，尤其是短波輻射增強會導致極紫外波段氣輝增強。兩圖相比，也會看出太陽活動高年，柱輻射強度變化速率更快。太陽活動除影響輻射強度外，柱輻射強度的峰值高度也會相應變化，即太陽活動越劇烈，83.4 nm輻射強度峰值高度越高。

圖3 臨邊柱輻射強度隨切點高度、緯度的分布(春分點附近)(a): 1986年(太陽活動低年)； (b): 1989年(太陽活動峰年)；(c): 1992年(太陽活動高年)

Fig.3 The distribution of limb column emission intensity with altitude and latitude (near the vernal equinox)

(a): 1986 (Low solar activity); (b): 1989 (Peak year of solar activity); (c): 1992 (High solar activity)

選擇表1前兩組數(shù)據(jù)中的日期、時間，地磁活動指數(shù)Ap分別取3，70，110，160，200和250，畫出O+83.4 nm氣輝柱輻射強度隨切點高度變化的曲線圖，如圖5所示。

圖4 臨邊柱輻射強度隨太陽活動的分布磁赤道附近，SZA為73°Fig.4 The distribution of limb column emission intensity with solar activity Near the geomagnetic equator, SZA=73°

圖5 臨邊柱輻射強度隨地磁活動的分布地磁赤道附近，SZA為73°Fig.5 The distribution of limb column emission intensity with solar activity Near the geomagnetic equator, SZA=73°

圖5為表1前兩組數(shù)據(jù)中的年份日期下仿真得到的臨邊柱輻射強度隨地磁活動分布的擴線圖。由圖5可知，當Ap的值增大時，O+83.4 nm氣輝臨邊柱輻射強度隨之增強，并且太陽活動高年的臨邊柱輻射強度值明顯高于太陽活動低年，即O+83.4 nm氣輝輻射強度與地磁活動指數(shù)Ap主要呈現(xiàn)正相關的關系，因此地磁活動的變化會引起大氣主要離子成分的變化，進而影響其柱輻射強度變化。

3 結 論

基于極紫外日輝輻射算法，提出了氧離子83.4 nm日輝輻射的計算方法。并用AURIC v1.2模擬了O+83.4 nm日輝輻射與高度、緯度、太陽活動、地磁活動等電離層參量的相關性。氣輝輻射隨緯度的變化主要呈現(xiàn)出赤道異?，F(xiàn)象，且太陽活動越劇烈，赤道異常現(xiàn)象也越明顯，與電離層電子密度變化趨勢一致。氣輝輻射強度及分布特性受太陽活動、地磁活動的影響，并均呈現(xiàn)正相關的關系。

太陽活動、地磁活動越劇烈，會導致低熱層O原子的光電離速率增強，則光電離產生的O+和電子濃度就越大，即太陽活動、地磁活動均會影響大氣成分的變化，進而影響氣輝輻射強度的變化。氧離子83.4 nm日輝輻射與電離層電子密度分布有著非常好的相關性，是對日間電離層進行光學遙感監(jiān)測的最佳手段之一，對于反演獲得白天電離層F層電子密度擴線等電離層參量具有重要意義。