陶 偉 史建魁 王國(guó)軍 G.Zherebtsov O.Pirog A.Stepanov

(1.中國(guó)科學(xué)院空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190； 2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049；3.俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院日地物理研究所，伊爾庫(kù)斯克；4.俄羅斯科學(xué)院宇宙與高層大氣物理研究所，雅庫(kù)斯克)

1.引 言

電離層擴(kuò)展F(SF)是電離層中經(jīng)常出現(xiàn)的一種現(xiàn)象[1]，SF特性及其物理機(jī)制一直是電離層物理研究中的主要問題之一。由于SF對(duì)通過電離層傳播的電波信號(hào)有著強(qiáng)烈影響，如對(duì)信號(hào)產(chǎn)生折射，反射，吸收以及改變電波信號(hào)的幅度和相位，造成電波信號(hào)的時(shí)延等[2-3]，這對(duì)諸如GPS導(dǎo)航定位，以及星地和星間通信等無線電系統(tǒng)的正常運(yùn)行都會(huì)帶來嚴(yán)重的影響。因此，研究SF的特性及其發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律等具有重要科學(xué)和應(yīng)用意義。

有作者根據(jù)探測(cè)數(shù)據(jù)分析對(duì)低緯地區(qū)的擴(kuò)展F進(jìn)行了研究，內(nèi)容包括SF發(fā)生率的日變化、季節(jié)性變化和經(jīng)度差異，SF對(duì)太陽活動(dòng)的響應(yīng)以及SF與中性大氣的關(guān)系[4-5]。對(duì)SF在磁暴條件下的特性研究也已經(jīng)經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)，并取得了很多結(jié)果[6-7]。在高緯電離層，極區(qū)開放磁力線將高緯電離層和外磁層緊密聯(lián)系起來，這使得高緯SF現(xiàn)象的形態(tài)更為復(fù)雜。在近磁極地區(qū)，冬季的白天和夜間SF現(xiàn)象經(jīng)常存在；夏季里，它的出現(xiàn)在晚上仍保持很高頻次，而在正午只有50～60%[8-9]。太陽活動(dòng)對(duì)于高緯電離層SF也有重要影響[10]。

但對(duì)于有關(guān)高低緯地區(qū)電離層SF現(xiàn)象的對(duì)比研究，目前還未看到有論文發(fā)表。因此，本文利用三個(gè)處于不同高低緯地區(qū)臺(tái)站的SF數(shù)據(jù)，對(duì)6個(gè)磁暴期間電離層SF現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比分析，并得到了一些有意義的結(jié)果。

2.臺(tái)站、儀器和數(shù)據(jù)選取

文中利用位于Hainan(海南)、Yakutsk、Zhigansk的DPS-4垂測(cè)儀的電離圖來提取SF的類型及其發(fā)生和持續(xù)時(shí)間等信息。并根據(jù)SF描跡的特點(diǎn)，將其分為四類，分別是：頻率型擴(kuò)展F(FSF)，區(qū)域型擴(kuò)展F(RSF)，混合型擴(kuò)展F(MSF)，奇異型擴(kuò)展F(BSF)[11]。由于在低緯度的海南區(qū)域，還觀測(cè)到與赤道等離子體泡有關(guān)的強(qiáng)區(qū)域型擴(kuò)展F(SSF)現(xiàn)象。這種類型擴(kuò)展F的特點(diǎn)是其彌散回波延伸到了F2層臨界頻率以上，使得foF2難以判定，且持續(xù)時(shí)間超過一個(gè)小時(shí)[12-15]，因而又把SSF從RSF中提取出來作為一種獨(dú)立類型進(jìn)行專門分析。

我們選取了2006年的6個(gè)磁暴分別對(duì)3個(gè)臺(tái)站所觀測(cè)到的SF現(xiàn)象的特性進(jìn)行了分析，并對(duì)不同臺(tái)站SF特性進(jìn)行了對(duì)比分析。所選取的6個(gè)磁暴分別為：1)3月6日至8日，Dst最小值為-40 nT；2)4月4日至6日，Dst最小值為-87 nT；3)4月9日至11日，Dst最小值為-80 nT；4)4月14日至16日，Dst最小值為-111 nT；5)7月27日至29日，Dst最小值為-47 nT；6)8月19日至21日，Dst最小值為-71 nT.

所選的3個(gè)臺(tái)站分別位于海南(Hainan)，雅庫(kù)斯克(Yakutsk)和日甘斯克(zhigansk)。它們的地理緯度、經(jīng)度、地磁緯度如表1所示。

表1 文中所用到的三個(gè)臺(tái)站的位置

3.特性分析與討論

本工作對(duì)6個(gè)磁暴期間不同臺(tái)站SF現(xiàn)象出現(xiàn)的起始時(shí)刻、持續(xù)時(shí)間以及其他的有關(guān)特性進(jìn)行了研究。

圖1給出了2006年3月4-10日期間高低緯地區(qū)電離層SF的發(fā)生情況。圖中橫坐標(biāo)是世界時(shí)，從3月4日零時(shí)到3月10日24時(shí)止，縱坐標(biāo)為Dst值，圖中藍(lán)色曲線表示Dst指數(shù)。從上往下依次分別表示Zhigansk、Yakutsk和Hainan臺(tái)站發(fā)生的SF現(xiàn)象。不同顏色的色塊表示不同類型的SF(表示方式見右側(cè)圖例)，色塊左邊界表示SF開始發(fā)生的時(shí)刻，右邊界表示SF結(jié)束時(shí)刻，寬度對(duì)應(yīng)SF的持續(xù)時(shí)間。

從圖1可以看到：在3月6日至8日磁暴期間，高緯的兩個(gè)臺(tái)站(Zhigansk和Yakutsk)均觀測(cè)到了SF現(xiàn)象。從SF出現(xiàn)和持續(xù)時(shí)間上看，這兩個(gè)臺(tái)站的SF主要在夜間發(fā)生，Yakutsk觀測(cè)到了更多的SF現(xiàn)象。Zhigansk出現(xiàn)SF現(xiàn)象的時(shí)間段開始出現(xiàn)分散：不僅在夜間，在3月7日的下午17：30至18：15LT和3月8日的上午08：15至12：00LT也有SF現(xiàn)象出現(xiàn)(圖1中十字星型所示時(shí)間段)。

磁暴發(fā)生前，即3月4日至5日，三個(gè)臺(tái)站也都觀測(cè)到了SF現(xiàn)象。從整體上來看，三個(gè)臺(tái)站的SF也都主要發(fā)生在夜間，高緯臺(tái)站SF的發(fā)生率要高于Hainan站。而Hainan在3月4日21：30LT至22：30LT出現(xiàn)了SSF。

磁暴后的3月9日至10日，高緯兩個(gè)臺(tái)站的SF現(xiàn)象仍然主要發(fā)生在夜間，而Hainan沒有出現(xiàn)SF現(xiàn)象。

可以看出：高緯地區(qū)SF現(xiàn)象也主要在夜間發(fā)生，其中Yakutsk臺(tái)站SF現(xiàn)象的出現(xiàn)比Zhigansk和Hainan更為活躍。另外從三個(gè)臺(tái)站SF現(xiàn)象出現(xiàn)的起始時(shí)間來看，臺(tái)站緯度越低，SF現(xiàn)象的起始時(shí)刻越晚。

圖2給出了2006年4月1-8日期間高低緯地區(qū)電離層SF現(xiàn)象的出現(xiàn)情況。圖2與圖1的表示方法完全一致。

從圖2中，仍然可以看出：在這次磁暴期間相比更高緯度的Zhigansk和低緯的Hainan站，在SF現(xiàn)象發(fā)生率和持續(xù)時(shí)間方面，Yakutsk依然是最活躍的；無論在高緯還是低緯臺(tái)站，SF現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間范圍依然主要是在夜間，并且臺(tái)站緯度越低，SF現(xiàn)象的起始時(shí)刻越晚。

從圖2中還可以看到，在4月5日的夜晚，Yakutsk和Hainan都出現(xiàn)了SF現(xiàn)象，而相比緯度較高的Zhigansk當(dāng)天卻沒有SF現(xiàn)象發(fā)生。由于Zhigansk在這之前和之后幾天均有SF現(xiàn)象發(fā)生，且當(dāng)晚頻高圖上的回波描跡非常微弱有時(shí)甚至沒有描跡，因此可以推測(cè)4月5日Zhigansk沒有觀測(cè)到SF現(xiàn)象，其原因在于這次磁暴使得該區(qū)域電離層吸收率上升致使電波被完全吸收，而并不是沒有SF現(xiàn)象發(fā)生。Hainan站在4月5日午夜前后出現(xiàn)了持續(xù)約6小時(shí)的與赤道等離子體泡有關(guān)的SSF現(xiàn)象。暴后的4月7日午夜，Hainan再次出現(xiàn)了短時(shí)的SSF現(xiàn)象。

對(duì)其他4個(gè)磁暴期間的SF現(xiàn)象也進(jìn)行了分析，得出的結(jié)果與上面2個(gè)磁暴期間分析所得結(jié)果一致，因而在此不再贅述。

在高緯臺(tái)站，雖然未在這幾次磁暴期間觀測(cè)到奇異型擴(kuò)展F(BSF)現(xiàn)象，但在對(duì)高緯臺(tái)站非磁暴期間的數(shù)據(jù)分析中，我們找到了奇異型擴(kuò)展F現(xiàn)象。

通過長(zhǎng)期探測(cè)，發(fā)現(xiàn)在Hainan站，SF現(xiàn)象通常出現(xiàn)在夜間，主要出現(xiàn)在20：00LT-04：00LT，而白天很少觀測(cè)到SF現(xiàn)象。但是，通過對(duì)這6個(gè)磁暴期間SF現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間分析，我們發(fā)現(xiàn)：在Zhigansk，不僅夜間，白天也可以產(chǎn)生SF現(xiàn)象。圖3給出了這六次磁暴期間Zhigansk所觀測(cè)到的SF現(xiàn)象時(shí)間分布圖。

圖3中橫坐標(biāo)是當(dāng)?shù)貢r(shí)1時(shí)至24時(shí)，縱坐標(biāo)為出現(xiàn)SF現(xiàn)象的累計(jì)時(shí)間，即表示6次磁暴期間(共46天)在每個(gè)時(shí)段內(nèi)觀測(cè)到的SF現(xiàn)象的累計(jì)時(shí)長(zhǎng)。從上往下依次是初相、主相以及恢復(fù)相期間Zhigansk臺(tái)站觀測(cè)到SF現(xiàn)象的時(shí)間分布情況。

圖3 六次磁暴期間Zhigansk臺(tái)站擴(kuò)展F時(shí)間分布圖

從圖3中可以看出：在初相期間白天沒有觀測(cè)到SF現(xiàn)象(圖中豎線之間時(shí)段為白天)，而在這6次磁暴的主相和恢復(fù)相期間，白天都有SF現(xiàn)象出現(xiàn)。主相期間白天出現(xiàn)的SF現(xiàn)象多于恢復(fù)相期間。這說明了這幾次磁暴對(duì)Zhigansk臺(tái)站白天SF現(xiàn)象的發(fā)生有激勵(lì)作用。

在磁暴期間，擾動(dòng)的太陽風(fēng)壓縮了磁層，強(qiáng)大的電場(chǎng)沿著磁力線映射到高緯電離層，繼而向低緯電離層滲透。由于粒子沉降產(chǎn)生的極光加熱所導(dǎo)致的熱層風(fēng)會(huì)改變?nèi)颦h(huán)流圖案，結(jié)果通過電離層發(fā)電機(jī)作用驅(qū)動(dòng)中低緯地區(qū)產(chǎn)生附加電場(chǎng)[16-17]。這兩種不同時(shí)間尺度的電場(chǎng)機(jī)制與赤道向傳播的電離層擾動(dòng)綜合起來對(duì)電離層等離子體穩(wěn)定性增長(zhǎng)以及SF現(xiàn)象的發(fā)生產(chǎn)生影響，因此，最終可能導(dǎo)致了高低緯度電離層SF起始時(shí)刻的延遲。

為了更加清楚地分析高低緯臺(tái)站觀測(cè)到的SF現(xiàn)象起始時(shí)刻的時(shí)延，對(duì)這6個(gè)磁暴期間三個(gè)臺(tái)站每天觀測(cè)到的SF現(xiàn)象起始時(shí)刻進(jìn)行了分析。在不同臺(tái)站之間對(duì)比SF現(xiàn)象起始時(shí)刻時(shí)，若在該日多個(gè)時(shí)間段都有SF現(xiàn)象出現(xiàn)，則只對(duì)兩臺(tái)站出現(xiàn)的同類SF進(jìn)行分析；若沒有同類SF現(xiàn)象，則提取緯度較低臺(tái)站最先出現(xiàn)的SF進(jìn)行分析。我們關(guān)心的是擾動(dòng)沿經(jīng)線的赤道向傳播，定義SF的時(shí)延Δt=較低緯度臺(tái)站的起始時(shí)刻-較高緯度臺(tái)站起始時(shí)刻。

圖4給出了不同臺(tái)站的SF現(xiàn)象起始時(shí)刻時(shí)延分析圖，其中A對(duì)應(yīng)于0h<Δt≤1h，B對(duì)應(yīng)于1h<Δt≤2h，C對(duì)應(yīng)于2h<Δt≤3h，D對(duì)應(yīng)于Δt>3h.

圖4 左圖：Zhigansk站與Yakutsk站； 右圖：Yakutsk站與Hainan站

從圖4中可以看到：高緯兩個(gè)臺(tái)站之間的時(shí)延主要為Δt<2 小時(shí)，而Yakutsk與Hainan站的時(shí)延主要為Δt≥2小時(shí)。由于垂測(cè)儀時(shí)間分辨率為15 mins，故剔除時(shí)延小于15 mins的數(shù)據(jù)并結(jié)合三個(gè)臺(tái)站的地理緯度以及電離層F層高度，計(jì)算出擾動(dòng)在Yakutsk與Hainan站之間傳播平均速度約為502 m/s，這與文獻(xiàn)[18-19]中計(jì)算出的電離層擾動(dòng)傳播的速度范圍(400～700 m/s)符合得很好。計(jì)算這六個(gè)磁暴期間從Zhigansk傳播到Y(jié)akutsk的擾動(dòng)傳播速度范圍是32～279 m/s.這與文獻(xiàn)[18]的計(jì)算結(jié)果存在差異。在文獻(xiàn)[18]中，400～700 m/s的電離層擾動(dòng)傳播速度，是在中緯度地區(qū)相距幾百千米的幾個(gè)地方進(jìn)行觀測(cè)得到，而Zhigansk與Yakutsk處于高緯度地區(qū)，因此，電離層擾動(dòng)傳播速度的緯度分布需要進(jìn)一步地研究。

在地磁平靜的夜晚期間，Zhigansk臺(tái)站處于電離層槽區(qū)域[20]，而在地磁擾動(dòng)條件下，電離槽逐漸向低緯地區(qū)移動(dòng)，當(dāng)電離槽的極向邊界逼近Zhigansk時(shí)，這個(gè)區(qū)域的電離層對(duì)電波的吸收作用開始增強(qiáng)，相對(duì)應(yīng)的是電離圖上的描跡減弱甚至消失。這可能是Zhigansk在磁暴期間觀測(cè)到的SF現(xiàn)象發(fā)生頻次低于Yakutsk的原因。而主相期間Zhigansk白天的SF現(xiàn)象開始活躍這可能是來自極區(qū)電離層擾動(dòng)的傳播在這期間存在一個(gè)優(yōu)勢(shì)方向，傳播途經(jīng)Zhigansk，激發(fā)了這個(gè)區(qū)域的SF現(xiàn)象的發(fā)生，這將在今后的工作中結(jié)合TEC的數(shù)據(jù)分析以及其他的電離層擾動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)來深入分析。低緯的Hainan站存在強(qiáng)區(qū)域擴(kuò)展F現(xiàn)象，這與穿透電場(chǎng)以及赤道區(qū)域等離子體電子密度梯度以及風(fēng)場(chǎng)，Hainan的地磁偏角等局地參數(shù)有關(guān)。

4.結(jié) 論

本文利用Zhigansk，Yakutsk和Hainan三個(gè)臺(tái)站的DPS-4電離層數(shù)字垂測(cè)儀在2006年6個(gè)磁暴期間的SF觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)磁暴期間高低緯地區(qū)電離層SF現(xiàn)象進(jìn)行了分析，主要結(jié)果如下：

1) 高緯地區(qū)SF現(xiàn)象也主要在夜間發(fā)生，發(fā)生的時(shí)間段基本處于20：00LT至午夜。但是對(duì)于高緯的Zhigansk，不僅在夜間，上午和下午均可以產(chǎn)生SF。值得注意的是，磁暴對(duì)于Zhigansk白天的SF現(xiàn)象發(fā)生率似乎具有促進(jìn)作用，尤其是在主相期間。

2) 高緯度地區(qū)Yakutsk臺(tái)站SF現(xiàn)象的活躍程度最高，Zhigansk站次之；低緯度地區(qū)的Hainan站最低。

3) 無論在磁暴期間還是在平靜期間，三個(gè)臺(tái)站SF現(xiàn)象出現(xiàn)的起始時(shí)刻隨著臺(tái)站緯度的降低而推遲，高緯兩個(gè)臺(tái)站之間的時(shí)延主要為Δt<2h，而Yakutsk與Hainan站的時(shí)延主要為Δt≥2h.

4) 在這幾次磁暴期間，Hainan站觀測(cè)到了與赤道等離子體泡有關(guān)的SSF現(xiàn)象，而高緯臺(tái)站從未觀測(cè)到SSF現(xiàn)象。另外，在高緯地區(qū)，可以觀測(cè)到BSF現(xiàn)象，而在Hainan從未觀測(cè)到BSF現(xiàn)象。

從高緯到低緯，SF開始出現(xiàn)的時(shí)間隨緯度降低而推遲。這似乎說明，產(chǎn)生SF的電離層擾動(dòng)首先從高緯地區(qū)發(fā)生，然后逐漸向低緯傳播，關(guān)于其具體物理過程，需要進(jìn)一步的探測(cè)和理論研究。

以上結(jié)果主要是針對(duì)東亞扇區(qū)高低緯地區(qū)電離層而言的，其意義在于通過事件的分析來探索暴時(shí)該區(qū)域電離層SF隨緯度變化的特性。并且初步得到了該區(qū)域電離層SF的一些特性。電離層SF是個(gè)復(fù)雜的電離層現(xiàn)象，其產(chǎn)生和演化的過程，與很多因素有關(guān)，因此，需要進(jìn)一步的深入研究來了解。

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