基于張衡一號電磁衛(wèi)星的夏季磁靜日新疆區(qū)域上空電離層電子密度變化特征

雷晴 趙彬彬 卓瑞祺 劉代芹

摘要：采用張衡一號電磁衛(wèi)星朗繆爾探針（Langmuir Probe，LAP）載荷原位電子密度對夏季磁靜日時段新疆區(qū)域（30°～55°N， 70°～100°E）的頂部電離層N_e進(jìn)行分析。通過分析日側(cè)和夜側(cè)的數(shù)據(jù)變化曲線：40°～55°N范圍內(nèi)N_e數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，日側(cè)N_e值平均高于夜側(cè)N_e值的2倍，其中夜側(cè)N_e值穩(wěn)定在0.5×10¹⁰cm^-3～1.0×10¹⁰cm^-3，日側(cè)N_e穩(wěn)定在1.0×10¹⁰cm^-3～1.5×10¹⁰cm^-3；而30°～40°N范圍上N_e數(shù)據(jù)波動較大。根據(jù)地方時特征分析結(jié)果表明：無論是夜側(cè)還是日側(cè)，隨著緯度的降低N_e值逐漸增大，N_e值最大達(dá)到5.25×10¹⁰cm^-3。研究區(qū)域范圍內(nèi)N_e日側(cè)、夜側(cè)在不同緯度、不同地方時具有顯著不同的特征形態(tài)。

關(guān)鍵詞：“張衡一號”電磁衛(wèi)星；朗繆爾探針；磁靜日；電子密度；日變特征

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.03.005

近年來，利用衛(wèi)星技術(shù)觀測地震前后的電離層異常變化被認(rèn)為是研究地震電磁異常的有效途徑之一。2018年2月2日 “張衡一號”電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星（China Seismo-Electromagnetic Satellite ，簡稱CSES）成功入軌。該衛(wèi)星是中國地球物理場探測的首發(fā)衛(wèi)星，主要用于監(jiān)測與地震有關(guān)的空間電磁場及電離層等離子體變化的信息特征，可為中國地球物理場探測提供重要的數(shù)據(jù)支持。張衡一號衛(wèi)星軌道高度約500 km，在軌道傾角97°的圓極化軌道運行，觀測范圍為南北緯65°以內(nèi)，重訪周期為5天，其搭載8種載荷包括感應(yīng)式磁力儀、高精度磁強計、電場探測儀、GNSS掩星接收機、等離子體分析儀、高能粒子探測器、朗繆爾探針和三頻信標(biāo)發(fā)射機^［1-8］。“張衡一號”衛(wèi)星可觀測多種物理參量，將空間電離層背景場時空特性研究和地震電離層耦合機理的深入探討推向了新的階段。

采用衛(wèi)星技術(shù)觀測地震電離層異常現(xiàn)象是地震學(xué)的一個新階段。通過分析研究強震前后的電離層觀測數(shù)據(jù)，已發(fā)現(xiàn)震中上空附近存在電離層震前擾動現(xiàn)象，揭示了地震電離層耦合機理^［9］，其過程具有復(fù)雜性和多樣性。同樣，磁暴效應(yīng)和地震效應(yīng)均能夠引起空間電離層中成分的變化，這就需參考太陽活動性進(jìn)一步區(qū)分和判定。中國有多個國家和地區(qū)開展地震電離層前兆研究。研究表明，由地震活動引起的電離層變化確實存在。楊超等基于張衡一號電磁衛(wèi)星感應(yīng)式磁力的磁場分量對2018年9月28日印尼? M_S7.4地震進(jìn)行震前異常研究，得出震前幾天至一周左右出現(xiàn)電磁異?，F(xiàn)象^［10-11］；楊牧萍等利用張衡一號電場探測儀的功率譜密度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2020年唐山古冶M_S5.1地震的擾動頻段和2019年松原M_S5.1地震的優(yōu)勢頻段，得出地震前后的空間異常及擾動頻段^［12］；王秀英等基于張衡一號電磁衛(wèi)星初步總結(jié)了中國及其領(lǐng)區(qū)頂部電離層背景規(guī)律特征^［13-14］；劉大鵬等對等離子體分析儀的原位觀測、地基NWC站大功率VLF人工源輻射引起的電離層加熱擾動現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)分析，驗證了張衡一號衛(wèi)星的探測分辨能力^［15］；劉靜等采用GPS的空間TEC數(shù)據(jù)開展中國大陸M_S6.0地震電離層擾動的監(jiān)測和研究，并關(guān)注空間變化^［16］。地震電磁衛(wèi)星在空間電離層進(jìn)行監(jiān)測的過程中，若要提取出地震電離層耦合機理所產(chǎn)生的地震異?，F(xiàn)象，需在空間電離層正常時空變化背景基礎(chǔ)上進(jìn)一步判定，從而提取地震異常信號的起止時間、變化形態(tài)、幅度等異常參數(shù)，以發(fā)揮張衡一號衛(wèi)星在地震預(yù)報上的最大實效。

新疆境內(nèi)地震活動水平位居全國之首。新疆地處印度板塊與歐亞板塊間的擠壓區(qū)，印度板塊向北擠壓歐亞板塊，北向壓縮使得青藏高原內(nèi)部產(chǎn)生南北向的縮短和東西向的拉張，這些板塊間的相互運動造成了新疆地區(qū)地震頻發(fā)^［17］。2018—2021年在新疆及邊界區(qū)域（30°～55°N， 70°～100°E）共發(fā)生 1 次M_S7.0～7.9地震，6 次M_S6.0～6.9地震，55 次M_S5.0～5.9地震。在地震監(jiān)測中，通常采用地面部署的地球物理場觀測手段以組網(wǎng)的形式監(jiān)測地震，而利用空間電磁衛(wèi)星開展地震監(jiān)測預(yù)報工作為數(shù)不多。張衡一號電磁衛(wèi)星的成功運行，為各地震多發(fā)區(qū)域研究上空電磁異常變化提供了科學(xué)研究平臺。本文基于張衡一號電磁衛(wèi)星朗繆爾探針（Langmuir Probe）觀測數(shù)據(jù)，開展區(qū)域空間電離層空間背景相關(guān)研究，該研究能夠?qū)π陆畢^(qū)域空間背景資料進(jìn)行補充和總結(jié)，為開展地震異常識別提供判定依據(jù)，分析研究500 km軌道高度電離層電子密度（N_e）的變化特征，為進(jìn)一步認(rèn)識新疆區(qū)域頂部電離層的背景時空分布及變化規(guī)律提供基礎(chǔ)資料。

1 實驗數(shù)據(jù)

1.1 朗繆爾探針載荷數(shù)據(jù)

張衡一號衛(wèi)星軌道在約500 km的高度運行，這對于電離層F2層峰值高度以上的頂部電離層提供了重要的原位電子密度觀測數(shù)據(jù)。電子密度是表征電離層變化的重要參數(shù)，在空間電離層背景研究中電子密度數(shù)據(jù)為其提供了必要的驗證信息。由于地理軸與黃道面法線及地磁軸均不一致，以及陸地、海面、山脈等地形的不均勻分布對大氣環(huán)流的影響等因素，所以電子密度在經(jīng)度方向存在地方時效應(yīng)，同時也存在局部世界時效應(yīng)^［18］。

張衡一號電磁衛(wèi)星朗繆爾探針原位電子觀測數(shù)據(jù)包括電子密度、離子密度、懸浮電位、等離子體電位等參數(shù)。本文使用朗繆爾探針載荷的2級N_e觀測數(shù)據(jù)，在地理坐標(biāo)系下包含時間、地理經(jīng)緯度、地磁經(jīng)緯度等信息，觀測范圍為5×10²～1×10⁷cm^-3。實驗選取分布在新疆區(qū)域（30°～55°N，70°～100°E）上空衛(wèi)星軌道上2021年6月N_e數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

1.2 地磁活動性及研究區(qū)域電離層N_e數(shù)據(jù)

通過D_st指數(shù)排除地磁活動的影響分析2021年度地磁活動性參數(shù)^［19-21］。D_st指數(shù)參考日本京都世界地磁數(shù)據(jù)中心發(fā)布的數(shù)據(jù)，2021年度D_st指數(shù)變化曲線如圖1所示。選取2021年6月1日至30日的地磁平靜日分析時段，此時段內(nèi)D_st指數(shù)分布在0 nT左右， D_st指數(shù)變化曲線如圖2所示。同時參考美國地質(zhì)調(diào)查局（https：//earthquake.usgs.gov）全球地震目錄，此時段內(nèi)研究區(qū)域及周邊未發(fā)生M_S≥6.0地震，排除了M_S≥6.0強震對電離層可能造成的擾動。根據(jù)地磁活動性D_st指數(shù)及全球地震目錄，排除了地磁活動干擾時段以及全球出現(xiàn)M_S≥6.0強震前后時段，本文采用2021年6月1日至30日的電磁衛(wèi)星N_e觀測數(shù)據(jù)資料，作為新疆區(qū)域上空夏季磁靜日空間電離層的研究數(shù)據(jù)。夏季磁靜日2021年6月1日至30日所有軌道上的N_e數(shù)據(jù)變化曲線如圖2所示。

2 空間數(shù)據(jù)的變化特征

2.1 空間分布特征

張衡一號電磁衛(wèi)星為準(zhǔn)太陽同步軌道衛(wèi)星，受衛(wèi)星軌道所限，研究時段中有些時段沒有軌道運行在研究區(qū)域。由于衛(wèi)星軌道觀測數(shù)據(jù)既有白天也有夜晚的觀測數(shù)據(jù)，同時，研究區(qū)域中包含中低緯度的空間分布及日變特征。因此，本文將空間N_e數(shù)據(jù)分為夜側(cè)和日側(cè)兩部分?jǐn)?shù)據(jù)，可用于電子密度的空間分布研究。在整個研究區(qū)域，不考慮經(jīng)度對N_e數(shù)據(jù)的影響，僅分析研究N_e數(shù)據(jù)在不同緯度的變化情況。2021年6月夏季靜磁日時段的N_e數(shù)據(jù)變化曲線如圖3所示。

實驗結(jié)果顯示：N_e經(jīng)過時段區(qū)分，提取出來了研究區(qū)域內(nèi)夏季的日側(cè)數(shù)據(jù)變化曲線和夜側(cè)變化曲線。夜側(cè)與日側(cè)數(shù)據(jù)曲線形態(tài)相差較大；無論是日側(cè)還是夜側(cè)時段，緯度越高N_e變化幅度越小，具有一定的收斂性。結(jié)果表明研究區(qū)域30°～55°N范圍內(nèi)N_e具有一定的空間分布特征，不同緯度呈現(xiàn)出了不同的空間分布特點。

2.2 地方時特征

張衡一號衛(wèi)星具有較好的地方時軌道特征，升軌是地方時凌晨02時；降軌是地方時14時。對衛(wèi)星所經(jīng)區(qū)域各軌道的N_e數(shù)據(jù)按時間進(jìn)行調(diào)整，將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行世界時到北京時間的調(diào)整，研究空間電子觀測的地方時特性。

通過地方時N_e變化情況，可以了解區(qū)域上空不同時段上的空間背景。本文對調(diào)整到地方時的N_e數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到每1小時為一組的不同地方時分類數(shù)據(jù)。受衛(wèi)星的特定軌道所限，在該時段內(nèi)總有些時間沒有軌道飛過研究區(qū)域上空。經(jīng)過時間調(diào)整后發(fā)現(xiàn)降軌時下午14時衛(wèi)星并未經(jīng)過研究區(qū)域，因此從降軌15時開始進(jìn)行日側(cè)數(shù)據(jù)分析。本文對不同地方時的N_e數(shù)據(jù)進(jìn)行插值平滑處理，來表征不同地方時時段內(nèi)N_e的離散變化特征，研究區(qū)域內(nèi)夜側(cè)02時、03時、04時觀測數(shù)據(jù)及其插值平滑處理后的變化曲線圖如圖4所示。日側(cè)15時、16時、17時觀測數(shù)據(jù)及其插值平滑處理后的變化曲線圖如圖5所示。

在研究區(qū)域范圍內(nèi)，通過分析的結(jié)果可得：02時低于40°N 地區(qū)的N_e數(shù)據(jù)大多不在研究區(qū)域內(nèi)，故沒有顯示。圖件上顯示，02時變化特征在40°N左右上有一個數(shù)值變化的平穩(wěn)增大期；40°N以上緯度N_e值從0.75×10¹⁰cm^-3變化到1.5×10¹⁰cm^-3，變化幅度達(dá)到2倍；40°N以下緯度N_e值從1.5×10¹⁰cm^-3變化到3.5×10¹⁰cm^-3，變化幅度達(dá)到2.3倍；03時30°N～55°N范圍內(nèi)均分布了N_e數(shù)據(jù)，隨著緯度的降低N_e值逐漸增大，仍然在40°N左右N_e值有明顯的區(qū)分。55°N～40°N的緯度范圍內(nèi)，N_e值從0.5×10¹⁰cm^-3變化到1×10¹⁰cm^-3，變化幅度達(dá)到2倍；40°N～30°N的緯度范圍內(nèi)，N_e值從1×10¹⁰cm^-3變化到3.75×10¹⁰cm^-3，變化幅度達(dá)到3.75倍；04時的變化曲線特征與03時類似，N_e值隨緯度的變化和變化幅度相同；僅在40°N～30°N的緯度范圍上N_e值的變化振幅較大，波動曲線表現(xiàn)的更為劇烈；15時高于50°N 地區(qū)的N_e數(shù)據(jù)不在研究區(qū)域內(nèi)，沒有顯示。50°N～30°N的緯度范圍內(nèi)，隨著緯度的降低N_e值逐漸增大，數(shù)據(jù)有較為明顯的波動現(xiàn)象；N_e值從0.75×10¹⁰cm^-3變化到3×10¹⁰cm^-3，變化幅度達(dá)到4倍；16時30°N～55°N范圍內(nèi)均充滿N_e數(shù)據(jù)，波動變化較15時有所減小；N_e值從0.75×10¹⁰cm^-3變化到5.25×10¹⁰cm^-3，變化幅度達(dá)到了7倍；17時N_e的波動現(xiàn)象繼續(xù)減小，有比較明顯的收斂趨勢，N_e值從0.75×10¹⁰cm^-3變化到4×10¹⁰cm^-3，變化幅度達(dá)到5.3倍。

通過地方時分析可得：研究區(qū)域范圍內(nèi)地方時02時和15時有部分N_e數(shù)據(jù)未顯示；研究區(qū)域范圍內(nèi)各地方時段N_e值均隨著緯度的降低具有逐漸增大的特征；夜側(cè)N_e值表現(xiàn)出以40°N為分界，在40°N的上下緯度范圍內(nèi)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出了不同幅度的變化特征，具體表現(xiàn)為 40°N以上N_e值變幅達(dá)到2倍，40°N 以下N_e值變幅最大達(dá)到3.75倍；日側(cè)N_e值變化沒有明顯緯度上的差異，但隨緯度的降低N_e值最大變幅可達(dá)到7倍，其具有N_e值逐漸增大的日變化特征。

2.3 緯度變化特征

在研究區(qū)域范圍內(nèi)包括了空間不同緯度上的N_e，故本文將空間電子數(shù)據(jù)分布在3個緯度的觀測值按小時劃分。將研究區(qū)域上30°N、 40°N和 50°N 的N_e取平均值，得到不同時段平均時均值曲線，分析N_e在不同緯度上的變化情況，不同緯度的N_e值時均值曲線如圖6所示。

通過N_e在不同緯度的時均值曲線結(jié)果可得：不同緯度上N_e具有不同的變化特征。40°N和 50°N上02時～04時、15時～16時N_e數(shù)據(jù)曲線變化形態(tài)類似，并隨著時間的推移N_e值逐漸增大；而30°N上02時～04時和15時～16時N_e數(shù)據(jù)曲線變化形態(tài)表現(xiàn)相反。不同緯度上各地方時的N_e時均值結(jié)果，如表1所示。

比較不同緯度日側(cè)和夜側(cè)3小時內(nèi)N_e均值變化可得：30°N上日側(cè)和夜側(cè)N_e均值變化幅度最大，超過另外兩個緯度的變幅。通過比較不同緯度上的變化幅度，結(jié)果表明：30°N夜側(cè)的N_e均值從1.85×10¹⁰cm^-3變化到1.98×10¹⁰cm^-3，變化幅度的平均差值約為0.14×10¹⁰cm^-3；日側(cè)N_e均值從1.81×10¹⁰cm^-3變化到1.98×10¹⁰cm^-3，變化幅度的平均差值約為0.17×10¹⁰cm^-3。40°N和50°N日側(cè)和夜側(cè)的N_e均值緩慢增大，變化平緩，產(chǎn)生變化幅度差值均小于0.09×10¹⁰cm^-3。

通過不同緯度的N_e時均值數(shù)據(jù)曲線形態(tài)表明：在40°N和50°N兩個緯度上，夜側(cè)N_e均值變幅明顯高于日側(cè)，日側(cè)則變化平緩；30°N緯度上夜側(cè)和日側(cè)變化幅度相當(dāng)。N_e值在不同的緯度呈現(xiàn)出了不同的變化特征。

3 結(jié)論與討論

本文采用2021年6月夏季磁靜日時段電磁衛(wèi)星朗繆爾探針觀測數(shù)據(jù)，對新疆區(qū)域上空電離層N_e的變化進(jìn)行特征分析。通過分析找出在日側(cè)、夜側(cè)、不同緯度、不同地方時時段的N_e變化規(guī)律，取得結(jié)論如下：

（1） 根據(jù)衛(wèi)星軌道運行情況，首先將新疆區(qū)域上空N_e劃分為夜側(cè)和日側(cè)進(jìn)行分析研究。N_e在日側(cè)和夜側(cè)的數(shù)據(jù)變化曲線相差較大，表現(xiàn)出了不同的空間分布形態(tài)。因此，在研究地震監(jiān)測空間背景資料的認(rèn)知上，就需考慮N_e更為細(xì)致的時間劃分，以增加研究結(jié)果的可信度。

（2） 新疆區(qū)域上空不同緯度上N_e電子濃度變化形態(tài)有顯著的差異，緯度越高N_e電子濃度變化幅度越小。具體表現(xiàn)為：40°～50°N日側(cè)和夜側(cè)的N_e數(shù)據(jù)值較為平穩(wěn)，變幅均較小；30°～40°N的N_e電子數(shù)據(jù)變化明顯且變幅較大。

（3） 新疆區(qū)域上空N_e有明顯的日變特征。夜側(cè)02時至05時，N_e值以40°N的緯度為分界緯度表現(xiàn)出了不同的變幅特征；隨緯度的降低，40°N以上緯度N_e值以2倍增加；40°N以下緯度N_e值以2.3～3.75倍增加；日側(cè)16時至18時，無明顯的緯度分界，隨緯度的降低N_e值以4～7倍增加；隨緯度的降低，N_e值日側(cè)變化幅度顯著大于夜側(cè)變化幅度。在不同地方時，N_e值數(shù)據(jù)曲線顯示出了不同的日變特征。

從本文研究情況來看，研究區(qū)域上空N_e數(shù)據(jù)曲線不僅具有一定的緯度特征和地方時特征，也表現(xiàn)出了空間變化的復(fù)雜性。因此，在采用空間電子濃度進(jìn)行地震異常分析研判時，必須針對N_e進(jìn)行不同時間和不同緯度的劃分，結(jié)合空間電子變化特征進(jìn)行區(qū)別對待，這些都是判定和定量提取地震異常信息的相關(guān)依據(jù)和條件。若研究區(qū)域有更大的范圍，通過更多空間觀測數(shù)據(jù)在更為寬廣的緯度上進(jìn)行分析研究，經(jīng)過時域細(xì)致的劃分，能夠建立更為可靠的區(qū)域背景場。

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VARIATION CHARACTERISTICS OF ELECTRON DENSITY

ABOVE XINJIANG REGION DURING QUIET MAGNETIC

PERIOD IN SUMMER BASED ON

ZHANG HENG-1 SATELLITE

LEI Qing，? ZHAO Bin-bin，? ZHUO Rui-qi，? LIU Dai-qing

（Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region， Urumqi 830011， Xinjiang，China）

Abstract： In this paper， the electron density of N_ein the top ionosphere of Xinjiang region （30°～55°N， 70°～100°E） is analyzed by using the in-situ electron density of the LAP load of the Zhangheng-1 electromagnetic satellite in the period of magnetically quiet days in summer. By analyzing the data variation curves of the day side and night side， it can be concluded that the electron density of N_echanges steadily within the range of 40°N to 55°N， and the daily N_evalue is on average twice higher than the night side N_evalue. The night side is stable in the range of 0.5×10¹⁰cm^-3～1.0×10¹⁰cm^-3， and the day side is stable in the range of 1.0×10¹⁰cm^-3～1.5×10¹⁰cm^-3. However， the data of Ne electron density in the region of 30°N～40°N fluctuates greatly. According to the analysis of local time characteristics， the N_evalue gradually increases with the decrease of latitude， whether on the night side or the day side. N_evalue reaches maximum 5.25×10¹⁰cm^-3.The diurnal and nocturnal sides of N_eelectron density in the study area have significantly different characteristics in different latitudes and different places.

Key words： Zhang Heng-1 satellite；Langmuir Probe;? Magnetically quiet days；Electron density；Daily variation characteristics