2020 年6 月21 日日環(huán)食電離層Es 響應(yīng)研究

劉瑤 張鸚琪 胡艷莉 張雅彬 鄧忠新 徐彬 徐朝輝 李江華

（1. 中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點實驗室，青島 266107；2. 齊魯理工學(xué)院，濟(jì)南 250200；3. 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，武漢 430079）

引 言

日食期間月球遮蔽太陽光，使得地球特定區(qū)域光照大大減弱，月球陰影快速略過地球，月影覆蓋區(qū)域快速經(jīng)歷了類似日出、日落現(xiàn)象，短時間內(nèi)太陽輻射逐漸消失又恢復(fù)至正常狀態(tài). 電離源(太陽輻射) 狀態(tài)的改變會對電離層中的光、熱、電磁輻射等物理過程產(chǎn)生影響，使得中高層大氣環(huán)境發(fā)生改變[1-7].

過去幾十年中，相關(guān)科研人員對日食引起的電離層變化進(jìn)行了廣泛深入的研究[8-24]. 對日食的研究，常見的觀測設(shè)備有：法拉第旋轉(zhuǎn)觀測設(shè)備、電離層垂測儀觀測網(wǎng)、非相干散射雷達(dá)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)監(jiān)測網(wǎng)以及探空火箭等. 我國學(xué)者對日食引起的電離層物理變化過程的研究積累了大量試驗數(shù)據(jù)，推動了國內(nèi)日地空間環(huán)境耦合機(jī)制相關(guān)問題的研究進(jìn)展[8].

以往觀測日食期間電離層變化，多使用單一觀測手段(如：垂測儀(網(wǎng))、GNSS 監(jiān)測(網(wǎng)))，觀測到的電離層參量也較為單一. 文獻(xiàn)[25-26]聯(lián)合地基、天基觀測設(shè)備，對2020 年6 月21 日日環(huán)食期間全球范圍內(nèi)電離層總電子含量(total electron content, TEC)變化這一大尺度參數(shù)進(jìn)行研究，得出了太陽輻射減少不是此次日環(huán)食期間電離層TEC 變化的唯一主導(dǎo)因素，TEC 的變化同時受中性風(fēng)、等離子體運(yùn)動等因素影響的結(jié)論.

2020 年6 月21 日日環(huán)食期間，本文基于便攜式電離層垂測儀、VHF 相干散射雷達(dá)兩種不同類型設(shè)備開展聯(lián)合觀測試驗，分析日環(huán)食對特定區(qū)域電離層Es 這一小尺度參數(shù)的影響，并對其演化過程進(jìn)行了分析討論.

1 日環(huán)食及其觀測設(shè)備

1.1 2020 年6 月21 日日環(huán)食

2020 年6 月21 日 日 環(huán) 食 始 于 非 洲 中部(04:47:42UT)，結(jié)束于西太平洋(08:32:20UT)，月球的偽本影在地球表面總共停留3 h 44 min 38 s. 偽本影進(jìn)入我國西藏西部的時間是06:41:00UT ，約08:15:00UT 離開我國臺灣省.

本次日環(huán)食期間，利用位于云南省曲靖市的VHF 相干散射雷達(dá)及便攜式電離層垂測儀對日環(huán)食期間電離層狀態(tài)開展聯(lián)合觀測. 兩套設(shè)備觀測位置距離日環(huán)食帶區(qū)域300 km，觀測設(shè)備地理位置如圖1 所示. 圖(a) 中黃圈為觀測設(shè)備的大致位置；圖(b)為兩套設(shè)備詳細(xì)位置，其中黑色五角星為便攜式電離層垂測儀所在位置，紅色五角星為VHF相干散射雷達(dá)所在位置. 表1 給出了曲靖市者海鎮(zhèn)的坐標(biāo)、食分及日環(huán)食各事件的發(fā)生時間.

圖1 日環(huán)食帶與兩套觀測設(shè)備地理位置圖Fig. 1 The sketch of annular solar eclipse region and two sets of the observation equipments

表1 曲靖市者海鎮(zhèn)位置和日偏食基本情況Tab. 1 The location of Zhehai town Qujing city and the basic information of the annular solar eclipse

1.2 VHF 相干散射雷達(dá)

VHF 相干散射雷達(dá)用于觀測電離層E 層、F 層不均勻體，獲取其回波功率、回波信噪比、譜寬、漂移速度這4 個參數(shù).

VHF 相干散射雷達(dá)于2015 年底完成安裝、調(diào)試，2016 年開始常規(guī)觀測試驗. VHF 相干散射雷達(dá)天線陣使用24 副八木天線組陣，每4 副天線組成一個觀測通道，整套系統(tǒng)共6 個通道，雷達(dá)基本參數(shù)如表2所示.

表2 曲靖VHF 相干散射雷達(dá)基本參數(shù)Tab. 2 Basic parameters of Qujing VHF coherent scattering radar

2020 年6 月21 日的日環(huán)食期間，VHF 相干散射雷達(dá)采用E 層、F 層交替觀測的模式，E 層、F 層觀測周期為1 min. 日環(huán)食前后，VHF 相干散射雷達(dá)工作正常，獲取了連續(xù)3 天的觀測數(shù)據(jù).

1.3 便攜式電離層垂測儀

依據(jù)散射理論，E 層不均勻體高度h與VHF 相干散射雷達(dá)天線陣方向圖仰角 θ之間存在一個簡單轉(zhuǎn)換關(guān)系：h=r×cos θ，其中r為雷達(dá)斜向探測距離，θ=52°. 電離層E 層不均勻體高度取100 km，對應(yīng)垂測儀的觀測地點為曲靖者海鎮(zhèn)區(qū)域.

電離層垂測儀從地面垂直向上發(fā)射掃頻脈沖波，測量分析得到電離層反射回波到達(dá)接收機(jī)的延時，從而獲得虛高隨頻率的變化圖，即頻高圖. 通過對頻高圖的分析計算，得到電離圖的特征參數(shù).

本次日環(huán)食期間，在曲靖者海鎮(zhèn)布設(shè)了一套便攜式電離層垂測儀，配套倒V 天線，對該區(qū)域電離層進(jìn)行探測，并聯(lián)合VHF 相干散射雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)一同分析該區(qū)域電離層在日環(huán)食期間的變化. 便攜式垂測儀的基本參數(shù)如表3 所示.

表3 便攜式電離層垂測儀基本參數(shù)Tab. 3 Basic parameters of portable ionosonde system

2 觀測結(jié)果及分析

2.1 便攜式垂測儀觀測結(jié)果

6 月21 日日環(huán)食期間，便攜式垂測儀正常工作，每2 min 完成一次觀測，為了對比分析日環(huán)食對電離層Es 的影響，于2020 年6 月20 日至22 日進(jìn)行連續(xù)觀測，圖2 和圖3 分別為者海鎮(zhèn)上空電離層Es 截止頻率foEs 及h′Es 隨時間的變化曲線.

從圖2 和圖3 可以看出，6 月20 日到22 日這三天，foEs 和h′Es 全天的變化形態(tài)保持一致即白天時段(0:00UT—12:00UT)的foEs 高 于 晚 上，h′Es 從0:00UT 開始呈現(xiàn)一個下降趨勢.

圖2 日環(huán)食前后foEs 隨時間變化曲線Fig. 2 The variation of foEs with time around annular solar eclipse

圖3 日環(huán)食前后h′Es 隨時間變化曲線Fig. 3 The variation of h′Es vs. time around annular solar eclipse

對日環(huán)食發(fā)生時間段內(nèi)，曲靖市者海鎮(zhèn)電離層Es 變化形態(tài)進(jìn)行詳細(xì)分析. 6 月20 日該時間段內(nèi)，h′Es 先降低再保持一個變化不大的曲線，即呈現(xiàn)出“高、低、平”的變化；foEs 在同一個時間段，變化形態(tài) 與h′Es 變 化 大 致 類 似. 6 月21 日 該 地 區(qū)foEs、h′Es 均先呈下降趨勢，再開始增長，即整個日環(huán)食階段，foEs 和h′Es 表現(xiàn)為“高、低、高”的變化. 6 月22 日該地區(qū)h′Es 呈現(xiàn)“高、低、平”的變化形態(tài)，foEs 則表現(xiàn)為“低、高、低”的形態(tài)變化.

日環(huán)食前后兩天foEs、h′Es 變化形態(tài)與日環(huán)食期間形態(tài)不同，而且20 日、22 日foEs 要比21 日日環(huán)食期間高.

2.2 VHF 相干散射雷達(dá)觀測結(jié)果

VHF 相干散射雷達(dá)在日環(huán)食期間工作正常，每2 min 完成一次對電離層E 層的觀測. 圖4 給出了6 月20 日至22 日三天VHF 相干散射雷達(dá)功率譜分析結(jié)果，6 月20 日電離層E 層回波較強(qiáng)時間段集中在13:00:00LT 至15:00:00LT；6 月21 日，VHF 雷達(dá)僅在08:00:00LT 至10:00:00LT 時間段觀測到電離層E 層回波，其余時段回波比較弱；6 月22 日，電離層E 層回波較強(qiáng)時間段集中在10:30:00LT 至14:00:00LT.

圖4 VHF 相干散射雷達(dá)功率譜Fig. 4 The power spectrum of VHF coherent scattering radar

6 月21 日，在日環(huán)食初虧始到復(fù)圓時段，VHF 雷達(dá)并未觀測到曲靖市者海鎮(zhèn)上空電離層E 層回波.6 月20 日，VHF 雷達(dá)在相同時段觀測到E 層較強(qiáng)電離層回波，功率值為50～60 dB. 而在6 月22 日，相同時段VHF 雷達(dá)收到的電離層回波比6 月20 日弱，其功率值為40～50 dB.

利用VHF 雷達(dá)對6 月20 日、21 日、22 日三天電離層不均勻體的漂移速度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示. 6 月21 日，日環(huán)食初虧始到復(fù)圓時段，VHF 雷達(dá)并未觀測到有效的電離層回波，因此相應(yīng)的電離層漂移速度為0. 而在6 月20 日、6 月22日均觀測到電離層不均勻體漂移速度大致為50 m/s，漂移方向為遠(yuǎn)離VHF 雷達(dá)徑向.

圖5 電離層不均勻體的漂移速度Fig. 5 Drift velocity of ionospheric irregularities

2.3 分析與討論

常規(guī)E 層的中性分子轉(zhuǎn)換為分子、離子主要是光電作用，其形成主要是受太陽活動影響[27]. 白天時段，太陽光是電離層E 層中性分子轉(zhuǎn)換為分子、離子的主要電離輻射源. Swider[28]認(rèn)為電離層中金屬離子 M+的最大壽命時間與太陽光輻射強(qiáng)度成正比，金屬離子在光化學(xué)作用下的轉(zhuǎn)化過程可表示為：

從電離層垂測儀觀測結(jié)果(圖2、圖3) 看，foEs(電離層Es 濃度) 經(jīng)歷了正常至變小再到正常的過程，電離層Es 高度分布h′Es 也經(jīng)歷了高低高的變化過程. 同時段VHF 相干散射雷達(dá)觀測結(jié)果(圖4、圖5)表明，日環(huán)食期間電離層Es 回波完全消失. 日環(huán)食期間電離層Es 的變化過程與日食事件高度吻合，盡管電離層Es 有顯著的逐日變化和日內(nèi)短時變化，但基本上可以判斷日環(huán)食對電離層Es 產(chǎn)生了顯著影響.

太陽輻射作為電離層Es 生成主要激勵源，日食期間中性成分電離率降低，進(jìn)而導(dǎo)致電離層E 層高度范圍內(nèi)分子、離子組分減少，形成電離層Es 的“源”較少，進(jìn)而產(chǎn)生了foEs 降低的現(xiàn)象[29-30].

3 結(jié) 論

2020 年6 月21 日日環(huán)食期間，使用VHF 相干散射雷達(dá)和便攜式垂測儀，對日環(huán)食期間云南曲靖地區(qū)電離層Es 變化進(jìn)行觀測. 對觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，得到以下結(jié)論：

1)日環(huán)食當(dāng)日，foEs 先降低再升高，整個日環(huán)食時段呈現(xiàn)出“高、低、高”的變化形態(tài)，而前后兩天則表現(xiàn)為“高、低、高”、“低、高、低”的現(xiàn)象.

2) 6 月20 日、6 月22 日，foEs 整體 上 要比6 月21 日高.

3)日環(huán)食當(dāng)日，h′Es 變化形態(tài)與foEs 的變化形態(tài)一致，表現(xiàn)為“高、低、高”的一個變化.

4)日環(huán)食前后兩天，h′Es 的變化形態(tài)與日環(huán)食當(dāng)日不同，均表現(xiàn)為“高、低、平”.

本次試驗在垂測儀的基礎(chǔ)上聯(lián)合VHF 相干散射雷達(dá)對同一地區(qū)小尺度范圍內(nèi)電離層狀態(tài)變化進(jìn)行了探測，觀測結(jié)果有助于電離層Es 形成機(jī)制、機(jī)理的補(bǔ)充和完善.