李涌涛,李建文,庞鹏,刘德智,李婧

(1.信息工程大学 地理空间信息学院,河南 郑州 450001;2.西安测绘总站,陕西 西安 710054)

0 引 言

电离层是距离地球60～1000 km的高层大气受太阳高能辐射以及宇宙射线的激励而电离形成的,因此电离层总电子含量(TEC)的变化很大程度上受到太阳活动的影响[1]。电离层除受太阳活动(如太阳耀斑、太阳黑子、太阳质子事件等)的影响外还受地磁场等条件的影响,并随之表现出不同的变化特性。电离层是空间环境研究的重要对象之一,它与人类生产、生活等息息相关。TEC是描述电离层形态和结构的重要参数,电离层TEC的异常变化会对地空无线电通信、卫星导航定位、雷达等无线电信息系统电波信号传播产生重要影响[2-3]。地磁暴是全球性地球磁场剧烈扰动的现象,发生强地磁暴时,会导致地球低轨道大气密度的急剧增大,对卫星的拖曳效应迅速上升,引起卫星轨道的快速衰减;地磁暴及其后数天,可能引发高能电子暴,高轨卫星的深层充电效应概率增大;可能发生电离层暴,引起全球导航定位精度下降。全球导航卫星的发展和广泛应用为探测、研究电离层带来了革命性的变化,利用GNSS信号经过电离层时发生折射效应从而导出电离层总电子含量TEC[4],并利用GNSS全球跟踪站长期观测数据探测电离层TEC变化具有全球覆盖、数据连续、时空分辨率和测量精度高、运行方便等显著优势[3]。GNSS信号在经过电离层时发生延迟,从而产生测距误差,因此研究分析太阳活动、磁暴对TEC的影响[1]及TEC的变化规律对提高导航系统定位和导航精度具有十分重要的意义[5-6]。

本文利用国际GNSS监测评估系统(iGMAS)分析中心解算的全球电离层TEC格网数据(GIM),iGMAS网址为:http://www.igmas.org/,分析了2017年9月6日太阳爆发X9.3级特大耀斑后引发的磁暴对全球电离层TEC变化的影响,以及全球不同纬度带TEC与磁暴Dst指数的相关关系和变化特性。

1 数据来源

选取全球均匀分布的177个GNSS跟踪站的观测数据,采样率为30 s,卫星截止高度角为10°,观测量为L4非差无几何线性组合相位平滑伪距,采用15阶15次的球谐函数建立全球性的VTEC模型,球谐函数模型具体形式如公式(1)所示:

(1)

利用以上公式生成450 km高度,采样间隔1 h,经度差为5°和纬度差为2.5°的每天24幅全球电离层TEC格网数据(GIM),精度为8 TECU(电离层TEC单位,1TECU=1016/m2),足以满足实验精度要求。

本文地磁数据采用中国科学院国家空间科学中心(NSSC)空间环境预报中心(SEPC)提供的Dst指数数据。

2 数据分析

太阳耀斑爆发经常向行星际空间喷射等离子体云,其径向速度达100～500 km/s,经过1.5～3天到达地球附近,与地磁场作用引起磁暴[7],2017年9月6日11:53 UTC太阳爆发X9.3级特大耀斑,13 h后发生地磁暴,39 h后磁暴主相达到峰值,取耀斑爆发后到磁暴恢复相之间即9月6日(DOY 249)12:00 UTC至9月9日(DOY 252)24:00 UTC之间85 h数据的TEC数据(如图1所示)和Dst指数(如图2所示)进行分析,其中TEC数据采用每天24幅GIM数据计算电离层TEC平均值,采样间隔为1 h.

磁暴环电流指数(Dst指数)是在地球赤道附近,按大致均匀的经度间隔选取四个地磁台站,取这四个台站每小时地磁水平强度变化的平均值,单位为纳特斯拉(nT)[8]。磁暴时地磁水平分量H变化最大,最能代表磁暴过程特点,磁暴的大部分形态学和统计学特征是依据中低纬度H分量的变化得到的。典型磁暴的发展过程也是按照H分量的变化来划分的,通常可分为三个阶段:初相、主相和恢复相[8]。

磁暴开始发生的典型特征是水平分量H突然正向增大,称为磁暴急始(SSC),磁暴发生后,在一段时间内磁场没有明显起伏变化,称为初相。在初相后,水平分量H大幅度下降,直到最低值,并伴随着剧烈扰动,即为主相[10]。磁暴的主要特点反映在主相期间,主相的最低点幅度是衡量磁暴大小的标准[9],其值逐渐减小表示磁扰幅度逐渐增大。主相后磁场较弱,逐渐恢复至正常水平,称为恢复相[10]。由图2可知13-34 h为初相,34-39 h为主相,39-85 h为恢复相。

两个变量的相关系数r,当0.3<|r|≤0.5时,表示两个变量低度相关;当0.5<|r|≤0.8时,表示两个变量显著相关;当0.8<|r|≤1时,表示两个变量高度相关;当|r|=1时,表示两个变量完全相关[11];

初相13-34 h期间Dst指数与TEC相关系数为-0.579 0,表现为显著负相关性;主相39-85 h期间Dst指数与TEC相关系数为-0.960 5,Dst指数与延后1 h的TEC相关系数为-0.999 7,表现出非常强的负相关性,此过程中TEC迅速增大3.3 TECU,达到峰值后5 h内迅速减小4.5 TECU,表明磁暴主相期间H分量的变化引起了TEC的剧烈变化,且变化幅度较大。在恢复相39-85 h期间,TEC变化趋于稳定,Dst指数与TEC相关系数为-0.8561,50-85 h期间Dst指数与TEC相关系数为-0.9589,表现出了非常强的负相关性。从初相到恢复相整个磁暴过程中Dst指数与TEC变化总体呈现强相关性,两者整体变化一致,因此可以认为磁暴的变化对TEC的变化产生了重大的影响。从相关系数分析,磁暴对TEC变化的影响主要是在主相阶段和恢复相阶段,并且主相期间的影响比恢复相期间更大。电离层和磁层之间通过许多不同的途径相互耦合在一起,几乎在磁层中发生的每一个过程都会对电离层造成影响,而在电离层中发生的过程也都可以在磁层中有所反应[12]。并且从图1和图2的图型上可以看出极强的对称性,因此可以认为在磁暴期间TEC的变化也能间接反映出磁暴的发生和磁场的变化。

按纬度划分低纬度带(0°～30°),中纬度带(30°～60°),高纬度带(60°～90°)统计各纬度带的1 h采样间隔的TEC平均值,主相和恢复相34-85 h期间各纬度带TEC如图3所示。

从图中可看出主相34-39 h期间Dst达到峰值时(第39 h, DOY 251 02:00 UTC),高纬度带TEC也达到峰值,即高纬带上TEC随磁暴Dst指数同时发生变化,1 h后(第40 h,DOY 251 03:00 UTC)中纬度带TEC达到峰值,再1 h后(第41h, DOY 251 04:00 UTC)低纬度带TEC达到峰值,并在恢复相开始5 h后(第44 h,DOY 251 07:00 UTC)不同纬度带TEC变化时延消失,变化也趋于一致。从而也解释了不分纬度带时全球1 h采样间隔的TEC平均值与Dst指数存在1 h时延。说明磁暴对不同纬度带的影响不是同步的,而是从高纬到低纬的顺序,由不同纬度带TEC随磁暴整体变化一致,说明磁暴在不同纬度带的影响机制相同。其中可能的原因是日冕物质抛射(CME)引发磁暴,尤其是中等以上非重现性地磁暴的主要起因[9],当磁暴或者亚暴时,在磁尾的能量会通过场向电流、粒子沉降和对流电场等方式向地球两极传输,产生极光,引起电离层暴[13],从而导致TEC变化异常。

统计磁暴不同阶段Dst指数与TEC相关系数如表1所示。

表1 Dst指数与TEC相关系数

由表1分析可知磁暴主相阶段对高纬度带TEC的影响最大,其次是中纬度带,最后是低纬度带,可能的原因是磁暴对电离层的影响由高纬至低纬的顺序时延造成了微小的相关性差异。

如图3显示磁暴期间同一时刻不同纬度带TEC不同,高纬4～9 TECU,中纬6～14 TECU,低纬16～27 TECU,低纬明显高于中纬和高纬,并不能说明磁暴对低纬TEC影响最大,这是因为在低纬地区太阳辐射能量比中纬、高纬大很多,同时在低纬地区存在赤道异常现象,即高度电子浓度的分布和峰值电子浓度在地磁赤道上空有极小值,在地磁赤道南北纬度15°～20°区域的两侧上空出现极大值,形成双峰分布[14-15]。即使不发生磁暴赤道异常现象也存在,图4示出了主相开始之后的15 h全球电离层TEC图(DOY 250 21:00UTC-DOY 251 11:00UTC,对应图1中34-48 h)。DOY 251 01:00-05:00UTC,当Dst指数达到峰值后一小时(DOY 251 03:00UTC)全球TEC达到最大值,且Dst指数峰值前后表现出明显的赤道异常现象,如图4所示。

恢复相从DOY 251 02:00UTC开始后一直延续几天,在这段期间磁暴逐渐恢复平静水平,由图4所示,从DOY 251 02:00UTC后数小时内(由于篇幅所限,仅展示至DOY251 08:00UTC的TEC图)随磁暴减弱,TEC逐渐减少并趋于稳定,没有较大的变化和起伏。

在恢复相后期DOY 251 20:00-23:00UTC四小时期间,对应图1和图2中的57-60 h,图1中TEC小时均值与图2中的Dst指数变化平稳,说明期间没有发生磁暴起伏扰动,但是在低纬度带出现大面积的TEC增大现象,且TEC最大值比磁暴最剧烈时高5.5 TECU,如图5所示,从图例看即高出了一个色度,可能是因为磁暴恢复相期间的某种特性变化引起的这种变化,具体原因尚不明确,有待进一步分析研究。

3 结束语

本文基于2017年9月发生的X9.3级特大耀斑并在之后引发的磁暴等活动,利用GIM的小时数据与磁暴期间初相、主相和恢复相三个阶段的Dst指数进行相关性分析,重点分析了磁暴期间不同纬度带电离层TEC的变化情况,结果表明:1) 此次太阳耀斑爆发13 h后引发磁暴,磁暴对TEC变化影响显著,主相和恢复相阶段Dst指数与TEC具有很强的相关性,主相阶段Dst指数与时延1 h的TEC相关系数为-0.999 7,表现出完全负相关性,且磁暴对电离层TEC的影响时延约为1 h;2) 磁暴强度决定了TEC的变化程度,在磁暴主相阶段TEC迅速增加,影响也最大,恢复相阶段TEC随磁暴减弱逐渐减小,变化趋于稳定,在主相和恢复相阶段Dst指数与TEC变化总体呈强相关性,两者整体变化一致,在此次磁暴中可用TEC间接描述磁暴的变化水平;3) 磁暴期间对全球不同纬度带电离层变化趋于一致,磁暴对TEC变化影响机制在不同纬度带相同,影响程度大小由高纬至低纬逐渐递减;4) 磁暴对电离层的影响并非全球同步,而是从高纬到低纬逐渐影响,此次磁暴对TEC高纬到低纬的影响时延约为2 h,并在磁暴的恢复相阶段时延逐渐消失。磁暴与电离层TEC变化关系密切,磁暴恢复相后期几小时内,低纬度TEC的剧烈变化原因还有待进一步分析研究。

致谢: 感谢信息工程大学iGMAS分析中心和中国科学院空间环境预报中心给予的帮助和支持。