經(jīng)緯向傳播的甚低頻臺站信號對太陽耀斑響應(yīng)特征的差異性分析

陳 歡，苗家友，顧旭東*，盧仔龍，王市委，李光劍，程 雯，倪彬彬，趙正予，孫 雷

（1. 武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院 空間物理系，武漢 430072； 2. 火箭軍研究院，北京 100094；3. 北京微電子技術(shù)研究所，北京 100076）

0 引言

甚低頻（VLF）波主要指頻率在3～30 kHz、波長范圍為100～10 km 的電磁波，具有波長較長、傳播距離遠的特點，因此可以在地球–電離層波導(dǎo)內(nèi)進行遠距離傳播。它可以用來監(jiān)測地震、日食、X 射線與γ 射線爆發(fā)等引起的電離層擾動。

太陽耀斑是劇烈的太陽爆發(fā)活動之一，可在短時間內(nèi)釋放大量能量，引起局部區(qū)域瞬時加熱，向外發(fā)射各種電磁輻射，有可能伴隨粒子輻射突然增強；它會對地球的空間環(huán)境造成很大影響，從而影響到航天器飛行、廣播通信與導(dǎo)航等。目前對一些具體的太陽耀斑事件的研究分析了太陽耀斑對地球磁層和電離層的影響以及太陽耀斑與地磁活動和地面增強事件的關(guān)系等。太陽耀斑爆發(fā)期間X 射線會顯著增強，而且與物質(zhì)噴發(fā)的日冕層聯(lián)系密切。近年來，國際上大多采用波長1～8 ?的X 射線通量對太陽耀斑進行分級。太陽耀斑分為A、B、C、M 和X 共5 類，分別對應(yīng)于[10,10)、[10,10)、[10,10)、[10,10)和[10,∞) W?m的峰值通量區(qū)間。太陽耀斑爆發(fā)時，X 射線通量的增加會引起電離層的擾動，進一步影響VLF 信號的傳播。來自太陽耀斑的強X 射線輻射可以顯著提高低電離層的電子密度，電離層D 層受到擾動，經(jīng)由波導(dǎo)傳播的VLF 信號就會呈現(xiàn)出振幅與相位上的異常變化：太陽耀斑期間，VLF 信號擾動幅度隨X 射線通量單調(diào)增加，當耀斑等級在X5 時，VLF 信號幅度可增強近10 dB；短路徑傳播的VLF 信號幅度擾動值比長路徑傳播的大，并且響應(yīng)類型與耀斑強度及發(fā)生時間存在一定關(guān)系。VLF 信號相位變化除了與耀斑等級有關(guān)之外，還與地理位置和當?shù)貢r間有關(guān)：面向太陽的站點的擾動程度比遠離太陽的站點的明顯，在耀斑等級在X5 時，能使VLF 相位延遲大約52 μs。不同的耀斑事件對臺站信號幅度和相位延遲的影響取決于太陽耀斑的級別以及地球–電離層波導(dǎo)中電子密度和高度分布，也與發(fā)射機和接收機之間的距離相關(guān)。而在太陽耀斑發(fā)生期間，對于沿經(jīng)向和沿緯向傳播的VLF 信號對太陽耀斑的響應(yīng)差異對比的研究還較少。

本文基于地基甚低頻觀測，選取耀斑日和平靜日各一天的數(shù)據(jù)，利用MSK 解調(diào)算法提取臺站信號的幅度；對比分析了太陽耀斑發(fā)生期間NWC 臺站和JJI 臺站信號幅度對太陽耀斑響應(yīng)變化的異同點。本文研究旨在增強對于VLF 波對太陽耀斑響應(yīng)的理解，也可為地基甚低頻信號監(jiān)測太陽耀斑的應(yīng)用提供參考。

1 設(shè)備與數(shù)據(jù)

本文所用VLF 數(shù)據(jù)均來自武漢大學(xué)自主研發(fā)的數(shù)字甚低頻探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由接收天線、低噪聲接收前端、數(shù)字接收機和計算機4 部分組成，其中：接收天線由南北（NS）、東西（EW）兩路正交的等腰三角形磁環(huán)天線構(gòu)成；低噪接收前端包含電流電壓轉(zhuǎn)換器、低噪聲放大器和濾波模塊三部分。低噪聲接收前端將天線接收的信號轉(zhuǎn)換為電壓信號后，濾除噪聲信號并放大有效信號；數(shù)字接收機將處理后的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，通過上位機軟件將數(shù)據(jù)保存，其中所需的經(jīng)緯度與標準世界時等信息由數(shù)字接收機中的GPS 模塊提供。

由于夜間和日出日落時間段的電離層不穩(wěn)定，導(dǎo)致VLF 信號波動大，且與太陽耀斑對VLF 信號造成影響疊加，無法準確判斷太陽耀斑對VLF 信號的擾動，故本文使用湖北隨州站（31.57°N，113.32°E）2017 年9 月8 日和10 月1 日接收的來自NWC 和JJI 兩個發(fā)射臺站的日間甚低頻觀測數(shù)據(jù)。NWC 發(fā)射臺站位于澳大利亞西北角（21.82°S，114.17°E），發(fā)射信號的中心頻率為19.8 kHz，功率為1000 kW。JJI 發(fā)射臺站位于日本宮崎縣（32.04°N，130.81°E），發(fā)射信號的中心頻率為22.2 kHz，功率為200 kW。從各站的經(jīng)緯度可以看出，NWC 發(fā)射站與隨州站近似處于同一經(jīng)度，JJI 發(fā)射站與隨州站近似處于同一緯度。太陽耀斑數(shù)據(jù)來自GOES-15衛(wèi)星記錄的波長為0.1～0.8 nm 的典型X 射線輻射強度（W?m）。

2 觀測結(jié)果

提取VLF 信號的幅度，觀察太陽耀斑發(fā)生期間信號幅度對太陽耀斑的響應(yīng)。圖1 給出了VLF 信號隨X 射線通量的變化，其中：藍色線表示2017 年9 月8 日耀斑日；紅色線表示2017 年10 月1 日平靜日，選取的時間段為7:30—16:30。為便于對比分析，本文所有圖表及文字敘述中的時間均為接收點的本地時間，即隨州觀測站對應(yīng)的北京時間（UTC+8）。圖1(a)為X 射線通量，綠色虛線框為選取的耀斑事件，并標注太陽耀斑的等級。相對于平靜日，當太陽耀斑發(fā)生時，X 射線通量有明顯的上升，且耀斑的等級越大，X 射線通量變化的越明顯。圖1(b)為沿經(jīng)向傳播的NWC 臺站信號的幅度，耀斑日信號的幅度相對于平靜日呈現(xiàn)出明顯的擾動，表現(xiàn)均為幅度上升，且擾動出現(xiàn)的時間可大致與太陽耀斑發(fā)生時間相對應(yīng)。圖1(c)為沿緯向傳播的JJI 臺站信號的幅度：與平靜日對比，耀斑日的幅度曲線也出現(xiàn)了明顯的擾動變化，但是表現(xiàn)不一致。從整體上對比NWC 與JJI 兩個臺站信號對同一太陽耀斑事件的響應(yīng)，可以看到：

圖1 NWC 和JJI 臺站的甚低頻信號幅度隨X 射線通量的變化Fig. 1 Amplitude variations of the VLF transmitter signals obtained from NWC and JJI according to X-ray flux

1）NWC 信號幅度對太陽耀斑的響應(yīng)均表現(xiàn)為幅度先上升再緩慢恢復(fù)。

2）JJI 信號幅度對太陽耀斑的響應(yīng)更加豐富，對等級為M3.9 與M8.1 的太陽耀斑，JJI 的響應(yīng)為先快速上升后快速下降再緩慢恢復(fù)；對等級為M1.3、M1.2 和C8.6 的太陽耀斑，JJI 的響應(yīng)為先快速下降再緩慢恢復(fù)；對太陽耀斑等級為C6.8 的太陽耀斑，JJI 的響應(yīng)為先快速上升再緩慢恢復(fù)。

圖2 與圖3 選取了2017 年9 月8 日上午時段與下午時段各3 個太陽耀斑事件（case），更加細致地展示了太陽耀斑發(fā)生期間VLF 信號幅度的響應(yīng)，其中：藍色的實線和虛線分別為NWC 臺站和JJI 臺站信號的擾動幅度。擾動幅度定義為太陽耀斑事件發(fā)生期間信號幅度減去該太陽耀斑發(fā)生之前1 min 的信號均值幅度。擾動幅度為正表示該太陽耀斑發(fā)生時信號幅度上升，為負則表示信號幅度下降。

圖2 2017 年9 月8 日上午時段甚低頻信號對太陽耀斑事件的響應(yīng)Fig. 2 Response of VLF signals to solar flare events in the morning on September 8, 2017

圖3 2017 年9 月8 日下午時段甚低頻信號對太陽耀斑事件的響應(yīng)Fig. 3 Response of VLF signals to solar flare events in the afternoon on September 8, 2017

圖2(a)～(c)從上到下分別對應(yīng)M3.9（case 1）、M1.3（case 2）和M1.2（case 3）3 個耀斑等級。圖3(a)中，X 射線通量對太陽耀斑的響應(yīng)開始時間為7:50，NWC 與JJI 臺站信號的響應(yīng)開始時間也是同一時間?？梢钥吹剑?）NWC 信號的持續(xù)時間短于X 射線通量的持續(xù)時間，JJI 信號的持續(xù)時間最長；2）NWC 信號的擾動極大值為3.764 dB，它的時間較X 射線通量峰值時間提前了1 min；3）JJI 信號的響應(yīng)為先上升后下降再恢復(fù)，因此它會出現(xiàn)一個極大值與一個極小值，極大值為0.992 dB，出現(xiàn)時間在X 射線通量峰值時間之前4 min；極小值為-0.833 9 dB，出現(xiàn)時間落后X 射線通量峰值時間3 min。圖3(b)中，NWC 與JJI 信號響應(yīng)的開始時間均較X 射線通量響應(yīng)的開始時間晚，它們的極值時間也都落后X 射線通量峰值時間3 min，其中：NWC 信號的擾動極大值為1.605 dB，JJI 信號的擾動極小值為-1.543 dB；響應(yīng)持續(xù)時間同樣是NWC信號短于X 射線通量小于JJI 信號。圖3(c)中兩個臺站信號的響應(yīng)開始時間較X 射線通量響應(yīng)的開始時間晚，峰值時間也都比X 射線通量峰值時間落后1 min，但持續(xù)時間都比X 射線通量的持續(xù)時間要長，NWC 信號的擾動極大值為1.197 dB，JJI 信號的擾動極小值為-0.9383 dB。

圖3(a)～(c)從上到下分別對應(yīng)C8.6（case4）、C6.8（case5）和M8.2（case6）3 個耀斑等級。圖3(a)中X 射線通量對太陽耀斑的響應(yīng)開始時間為13：20，比NWC 和JJI 的臺站信號對太陽耀斑響應(yīng)的開始時間都要早；NWC 信號的極大值為0.993 1 dB，出現(xiàn)時間比X 射線通量峰值時間提前了7 min；JJI 信號的極小值為-0.970 9 dB，出現(xiàn)時間比X 射線通量峰值時間提前了6 min?？梢钥闯鯴 射線通量的持續(xù)時間比NWC 與JJI 臺站信號的響應(yīng)持續(xù)時間都要長。圖3(b)中NWC 與JJI 臺站信號的響應(yīng)開始時間相同，且較X 射線通量的響應(yīng)開始時間晚3 min，極值時間也均落后X 射線通量峰值時間1 min，NWC 信號的極大值為1.068 dB，JJI 信號的極大值為0.403 8 dB，JJI 信號的響應(yīng)持續(xù)時間比NWC 信號和X 射線通量的持續(xù)時間都要長。圖3(c)中X 射線通量的響應(yīng)開始時間與兩臺站信號的開始時間相同，NWC 信號的極值時間也與X 射線通量峰值時間相同，極大值為1.987 dB；而JJI 信號存在一個極大值與一個極小值，極大值出現(xiàn)在X 射線通量峰值之前3 min，為0.522 1 dB，極小值則出現(xiàn)在X 射線通量峰值之后1 min，為-1.766 dB。

將選取的6 個太陽耀斑事件的各個參數(shù)整理成表1，其中：為響應(yīng)開始時刻；為響應(yīng)持續(xù)時間；為X 射線通量的峰值時刻；class 為太陽耀斑等級；為信號的擾動極大值的時刻；為JJI信號的擾動極小值時刻；為信號的最大擾動量，即信號擾動幅度最大值與最小值之間的差值，dB。

表1 2017 年9 月8 日太陽耀斑事件參數(shù)列表Table 1 Parameters for solar flare events on September 8, 2017

結(jié)合圖2 和圖3 可以看到，幅度的極值點時間通常出現(xiàn)在X 射線通量峰值時間附近。當JJI 信號的幅度響應(yīng)為先上升后下降再恢復(fù)時，信號幅度的極大值出現(xiàn)時間往往比X 射線通量峰值的時間早，而極小值出現(xiàn)時間往往比X 射線通量峰值時間晚，但兩個極值的中間時間點與NWC 信號的極大值時間相近；當JJI 信號幅度響應(yīng)為先上升再恢復(fù)或先下降再恢復(fù)時，它的極值時間與NWC 信號幅度的極大值出現(xiàn)時間基本一致，但或提前或落后于X 射線通量的峰值時間，無明顯規(guī)律。M 級耀斑對NWC信號的最大擾動量的范圍為1～4 dB，而對JJI 信號則為1～3 dB；C 級太陽耀斑對NWC 信號的最大擾動量則小于1 dB，對JJI 信號同樣小于1 dB。在響應(yīng)開始時間上，NWC 與JJI 信號的響應(yīng)開始時間只有與X 射線通量的響應(yīng)開始時間同時或者較晚的情況，沒有比X 射線通量響應(yīng)開始時間早的情況出現(xiàn)，且NWC 信號與JJI 信號對太陽耀斑的響應(yīng)開始時間大體保持一致。在響應(yīng)的持續(xù)時間上，整體上NWC 信號的持續(xù)時間較X 射線通量的持續(xù)時間短，JJI 信號的持續(xù)時間較X 射線通量的持續(xù)時間長。從表1 中NWC 與JJI 信號的最大擾動量與太陽耀斑等級3 個參數(shù)可以看出，當太陽耀斑等級逐漸上升時，NWC 信號與JJI 信號的最大擾動量也呈上升趨勢，且NWC 信號的最大擾動量在數(shù)值上整體比JJI 信號的最大擾動量大。另外，當太陽耀斑持續(xù)時間增加時，信號的最大擾動量也大致呈增強趨勢。

為了更加直觀地呈現(xiàn)出信號擾動幅度與X 射線通量的關(guān)系，分別計算X 射線通量和信號擾動幅度對時間的積分，分析積分擾動幅度對X 射線積分通量的依賴性，結(jié)果如圖4 所示，其中：(a)(b)兩圖分別為NWC 和JJI 臺站信號；藍色的點為太陽耀斑的數(shù)據(jù)點，紅色直線為擬合結(jié)果?？梢钥吹酱蟛糠值狞c都在擬合直線附近，X 射線通量積分與NWC和JJI 信號的幅度擾動積分基本呈線性相關(guān)。主要原因是：當X 射線通量增大時，太陽耀斑事件注入電離層的能量增多，低電離層電子密度增加，電離層反射高度下降，從而使電離層對VLF 信號的傳播路徑發(fā)生變化，對VLF 信號造成的擾動也就增大；并且耀斑等級越高，低電離層的恢復(fù)時間越長。然而，NWC 信號擬合直線較JJI 信號的更加陡峭，即NWC 信號積分擾動幅度與X 射線積分通量的擬合直線斜率比JJI 的大，表明經(jīng)向長距離傳播的VLF 信號更容易受到太陽耀斑事件的影響。

圖4 積分擾動幅度與X-ray 積分通量的關(guān)系Fig. 4 The relation between the integral perturbation amplitude and the integrated X-ray flux

3 總結(jié)與討論

本文利用2017 年9 月8 日隨州站接收到的NWC 與JJI 兩個臺站的信號數(shù)據(jù)與GOES-15 衛(wèi)星上記錄的X 射線通量數(shù)據(jù)，對比分析了太陽耀斑發(fā)生期間，沿經(jīng)向傳播的NWC 信號與沿緯向傳播的JJI 信號的幅度對太陽耀斑的響應(yīng)差異性。

NWC–隨州和JJI–隨州這兩條路徑，一條是長距離的經(jīng)向傳播路徑，一條是短距離的緯向傳播路徑。兩條路徑上的地球?電離層波導(dǎo)特性不同，太陽耀斑導(dǎo)致的電離層參數(shù)的變化也不同，且在不同時間這些參數(shù)的改變也不相同，這可能是NWC 信號對太陽耀斑只有先快速上升再緩慢恢復(fù)這1 種響應(yīng)形式，而JJI 信號對同樣的太陽耀斑會有先快速上升再緩慢恢復(fù)、先快速下降再緩慢恢復(fù)與先快速上升后快速下降再緩慢恢復(fù)這3 種響應(yīng)形式的可能原因。響應(yīng)的不同除了傳播路徑的影響，也有傳播距離長短的影響，具體差異的原因需要結(jié)合傳播模型進行詳細研究。NWC 信號與JJI 信號對太陽耀斑的響應(yīng)開始時間與極值時間基本不受傳播路徑的影響，即兩條路徑的響應(yīng)開始時間與極值時間基本保持一致；但目前觀測的太陽耀斑事件較少，若要進一步確定，則需要對更多的太陽耀斑事件進行統(tǒng)計分析。另外，長距離傳播的NWC 信號受太陽耀斑影響的擾動幅度整體比短距離傳播的JJI 信號受太陽耀斑影響的擾動幅度要大，但JJI 臺站信號的響應(yīng)持續(xù)時間比NWC 信號的長，這可能是傳播方向與傳播距離不同共同導(dǎo)致的。

致謝

本工作所用的X 射線通量數(shù)據(jù)來自美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的網(wǎng)站https://satdat.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/full/。