陶 偉 史建魁 王國(guó)軍 ZHEREBTSOV G POTEKHIN A ROMANOVA E RATOVSKY K STEPANOV A

(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.Institute of Solar-Terrestrial Physics，RAS，Irkutsk，Russia；3.Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy，RAS，Yakutsk，Russia)

引 言

高緯地區(qū)是電離層擴(kuò)展F(Spread-F, SF)現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)的區(qū)域之一[1].Shimazaki利用北半球15個(gè)臺(tái)站的電離層測(cè)高儀觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)高緯地區(qū)的SF現(xiàn)象主要發(fā)生在夜間[2]，這與低緯和赤道地區(qū)相同[3].Singleton通過(guò)分析位于美洲和遠(yuǎn)東地區(qū)31個(gè)臺(tái)站的電離層測(cè)高儀觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步指出在磁緯50°和55°之間的高緯地區(qū)，SF發(fā)生率的峰值大約出現(xiàn)在02∶00LT附近[4].Penndorf利用磁緯大于50°N的加拿大北極群島附近34個(gè)臺(tái)站在1957年7月至1958年12月的電離層測(cè)高儀觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)高緯地區(qū)SF的出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其研究結(jié)果也表明高緯地區(qū)夜間SF發(fā)生率較高，并指出地磁緯度60°N附近的Fairbanks(GML 64.5°N，102.2°W)和Anchorage(GML 60.8°N，101.6°W)兩個(gè)臺(tái)站在冬季期間SF發(fā)生率的最大值出現(xiàn)在后半夜的05：00LT附近[5-6]，這與緯度相近的西伯利亞Tiksi臺(tái)站(GML 60°N，168°W)的觀測(cè)結(jié)果相似(Besprozvannaya and Lovcova，1956)[7].Shimazaki通過(guò)分析處于磁緯50.1°至88.1°的15個(gè)臺(tái)站在1958年1月的電離層頻高圖，也對(duì)高緯地區(qū)SF的出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行了研究.他指出在地磁緯度50°至60°地區(qū)，冬季的SF發(fā)生率在地面日出后迅速降低，最小值大約出現(xiàn)在日出后3至5小時(shí)[8].

圖1 四種類(lèi)型SF的頻高圖實(shí)例

從目前高緯電離層SF發(fā)生時(shí)間的研究現(xiàn)狀可以看出，雖然已經(jīng)取得了一些研究結(jié)果，但還缺乏系統(tǒng)性的研究，并且自1957—1958國(guó)際地球物理年以后，未看到有新的關(guān)于東亞高緯地區(qū)SF發(fā)生時(shí)間的論文發(fā)表.由于不同類(lèi)型SF的物理產(chǎn)生機(jī)制不同，因此需要對(duì)SF進(jìn)行分類(lèi)研究[9-10].而之前的研究都未對(duì)SF進(jìn)行分類(lèi).本文利用Zhigansk和Yakutsk兩個(gè)東亞高緯電離層臺(tái)站在2006年的測(cè)高儀頻高圖數(shù)據(jù)，對(duì)兩臺(tái)站各類(lèi)型SF的發(fā)生時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)其物理機(jī)制進(jìn)行了討論.

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及分類(lèi)

本研究所用數(shù)據(jù)來(lái)源于俄羅斯Zhigansk和Yakutsk兩個(gè)高緯臺(tái)站的DPS-4電離層測(cè)高儀在2006年探測(cè)所獲取的頻高圖，兩臺(tái)站的地理坐標(biāo)以及地磁緯度如表1所示.

表1 Zhigansk和Yakutsk兩臺(tái)站的位置

根據(jù)電離層測(cè)高儀實(shí)際觀測(cè)的頻高圖，SF現(xiàn)象可以被分為不同的類(lèi)型.本文按照《電離圖解釋與度量手冊(cè)》建議的標(biāo)準(zhǔn)把SF現(xiàn)象分為四類(lèi)進(jìn)行分析研究[11]，它們分別是頻率型擴(kuò)展F(Frequency Spread-F，F(xiàn)SF)、區(qū)域型擴(kuò)展F(Range Spread-F，RSF)、混合型擴(kuò)展F(Mixed Spread-F，MSF)和分叉型擴(kuò)展F(Branch Spread-F，BSF).圖1給出了這四種類(lèi)型SF的頻高圖觀測(cè)實(shí)例，圖中探測(cè)時(shí)間為世界時(shí).

按照電離層研究中的常規(guī)，本文取各季節(jié)分別為：5—8月為夏季，3—4月以及9—10月為分季，11—12月以及1—2月為冬季.

2 結(jié)果分析

對(duì)SF的出現(xiàn)率進(jìn)行定義.在所討論的月份，把每天0—24 h各小時(shí)時(shí)段內(nèi)各類(lèi)型SF的持續(xù)時(shí)間分別進(jìn)行累加，求得每個(gè)小時(shí)時(shí)段各類(lèi)型SF總持續(xù)時(shí)間占整個(gè)月份期間該時(shí)段的總有效觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)的百分比，即為該類(lèi)型SF的發(fā)生率.

2.1 Zhigansk臺(tái)站不同類(lèi)型SF的季節(jié)變化

圖2給出了2006年1—12月Zhigansk臺(tái)站FSF出現(xiàn)率的地方時(shí)變化情況，圖中橫坐標(biāo)表示地方時(shí)，縱坐標(biāo)是各時(shí)段FSF的發(fā)生率.

圖2 2006年Zhigansk臺(tái)站1—12月FSF發(fā)生率的地方時(shí)分布

可以看出在Zhigansk站，F(xiàn)SF不僅在各季的夜間都出現(xiàn)，也可在白天被觀測(cè)到.

還可看出，冬季期間Zhigansk站的FSF主要出現(xiàn)在09∶00—18∶00LT時(shí)段，并且其發(fā)生率表現(xiàn)出雙峰結(jié)構(gòu)：FSF發(fā)生率在09∶00—11∶00LT附近出現(xiàn)首個(gè)峰值后開(kāi)始下降，直到正午附近達(dá)到最低，隨后發(fā)生率又開(kāi)始上升，并在15∶00—18∶00LT附近達(dá)到第二個(gè)峰值，其大小高于前一個(gè)峰值；11月至12月FSF發(fā)生率的最大峰值從60%增長(zhǎng)至80%左右，而從1月至2月其峰值則由80%下降至60%附近.

在春季和秋季期間，Zhigansk站的FSF出現(xiàn)時(shí)間范圍相對(duì)冬季沒(méi)有太大變化，但發(fā)生率卻大幅降低，并且最大發(fā)生率的出現(xiàn)時(shí)間推遲至21：00LT附近.夏季期間FSF主要出現(xiàn)在18∶00—05∶00LT時(shí)段，其他時(shí)段基本沒(méi)有FSF現(xiàn)象發(fā)生.

數(shù)據(jù)分析結(jié)果還表明，MSF也經(jīng)常在Zhigansk站被觀測(cè)到.圖3給出了2006年1至12月Zhigansk站MSF發(fā)生率的地方時(shí)變化.圖3與圖2的表示方法一致.

圖3 2006年Zhigansk臺(tái)站1—12月MSF發(fā)生率的地方時(shí)分布

可以看到，在各個(gè)季節(jié)期間Zhigansk臺(tái)站MSF的出現(xiàn)時(shí)間都主要在18∶00—06∶00LT時(shí)段.其出現(xiàn)率最低是在冬季，分季和夏季期間發(fā)生率最大，其最大值約為20%.

本文還對(duì)Zhigansk站RSF和BSF進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究.結(jié)果表明：RSF和BSF發(fā)生率都低于10%，這比FSF和MSF的小得多；RSF主要出現(xiàn)在冬季和分季某些日子的日出和日落附近；BSF只在分季、冬末以及初夏的一些夜間出現(xiàn).

2.2 Yakutsk臺(tái)站不同類(lèi)型SF的季節(jié)變化

圖4給出了2006年1至12月Yakutsk臺(tái)站FSF發(fā)生率的地方時(shí)變化，其表示方法與圖2和圖3完全一致.

可以看出，Yakutsk站的FSF發(fā)生率在冬季最高，分季次之，夏季最低.FSF在各季夜間都有出現(xiàn)，白天也可被觀測(cè)到，其中冬季正午前后其發(fā)生率在10%以上.

冬季期間Yakutsk站FSF主要出現(xiàn)在03∶00—21∶00LT，其發(fā)生率也表現(xiàn)出雙峰結(jié)構(gòu)：首個(gè)峰值大約出現(xiàn)在09∶00LT，隨后發(fā)生率有所下降，在14∶00LT附近又開(kāi)始上升，并在18∶00LT附近達(dá)到第二個(gè)峰值.

春季期間FSF的出現(xiàn)時(shí)間范圍和出現(xiàn)率都大幅減小，4月份白天的正午已經(jīng)沒(méi)有FSF出現(xiàn).夏季期間FSF的出現(xiàn)時(shí)間范圍最小，主要為18∶00-03∶00LT.進(jìn)入秋季后，其出現(xiàn)的時(shí)間范圍又逐漸變大，在一些日子的正午附近時(shí)段又可觀測(cè)到FSF.

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，MSF也是Yakutsk地區(qū)經(jīng)常觀測(cè)到的一類(lèi)SF.圖5給出了2006年1—12月Yakutsk臺(tái)站MSF出現(xiàn)率的地方時(shí)變化.

從圖5可以看出，Yakutsk站MSF的出現(xiàn)率在夏季最高.其在各季節(jié)都主要出現(xiàn)在18∶00—06∶00LT，并且在8—12月的09∶00—18∶00LT也有發(fā)生.

本文也對(duì)Yakutsk臺(tái)站RSF和BSF的出現(xiàn)率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，RSF和BSF的出現(xiàn)率比FSF和MSF都小得多，一般都低于10%.RSF在各個(gè)季節(jié)主要都出現(xiàn)在18∶00—03∶00LT，BSF主要出現(xiàn)在21∶00—06∶00LT.

2.3 兩臺(tái)站結(jié)果對(duì)比分析

從以上分析可以得出，在出現(xiàn)時(shí)間范圍和出現(xiàn)率大小兩方面，高緯Zhigansk和Yakutsk臺(tái)站在各季節(jié)都是FSF的發(fā)生最為活躍，這與熊年祿等人給出的高緯地區(qū)最常觀測(cè)到頻率型擴(kuò)展的結(jié)論相同.統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果還表明，MSF也是這兩個(gè)高緯臺(tái)站經(jīng)常觀測(cè)到的一類(lèi)SF現(xiàn)象.各季節(jié)期間在兩臺(tái)站出現(xiàn)率最低的是 RSF和BSF.

不僅在各季的夜間，兩臺(tái)站在白天也可觀測(cè)到FSF的發(fā)生，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明白天FSF的發(fā)生率具有季節(jié)變化：冬季最高，分季大幅減小，夏季幾乎為零，表現(xiàn)出隨著白天時(shí)間變長(zhǎng)而降低的特點(diǎn).兩臺(tái)站MSF在各季節(jié)均主要出現(xiàn)在18∶00—06∶00LT時(shí)段.RSF和BSF在兩個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)時(shí)間范圍最小，發(fā)生率最低；Zhigansk站RSF只在冬季和分季某些日子的日出和日落附近出現(xiàn)，而Yakutsk臺(tái)站RSF則主要出現(xiàn)在夜間的18∶00—03∶00LT，并且?guī)缀踉诟骷竟?jié)都能觀測(cè)到；兩臺(tái)站BSF都只在分季、冬末以及初夏某些日子的午夜前后出現(xiàn).

圖4 2006年Yakutsk臺(tái)站1—12月FSF發(fā)生率的地方時(shí)分布

圖5 2006年Yakutsk臺(tái)站1—12月MSF出現(xiàn)率的地方時(shí)分布

3 討 論

Bowman等人提出電離層F層電子密度出現(xiàn)較大梯度時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致FSF的發(fā)生[12-14].大量探測(cè)資料表明，通常在夜間高緯電離層中存在著電子密度谷區(qū)(稱為主電離槽).在冬季和分季的黃昏一直到日出前，主電離槽的出現(xiàn)率都較高，夏季期間主電離槽則主要出現(xiàn)在午夜附近[15-16].有關(guān)主電離槽的研究結(jié)果表明其邊界具有較大的電子密度梯度[17-18].Nichol對(duì)位于南半球電離槽附近的Hobart 和Canberra兩個(gè)臺(tái)站的SF數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后指出，這兩個(gè)地區(qū)SF的發(fā)生率在電離槽出現(xiàn)時(shí)都較高，他認(rèn)為高緯電離層SF的產(chǎn)生與電離槽密切相關(guān)[19].Pirog等人根據(jù)北半球8個(gè)臺(tái)站(包括 Zhigank和Yakutsk)的電離層測(cè)高儀觀測(cè)數(shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)了電離槽現(xiàn)象[20].本文對(duì)Zhigank和Yakutsk兩臺(tái)站FSF發(fā)生時(shí)間統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明：兩臺(tái)站FSF都主要發(fā)生在夜間，并且冬季FSF的發(fā)生率大于夏季，這與高緯電離槽出現(xiàn)時(shí)間及出現(xiàn)率的季節(jié)特點(diǎn)相似，因此本文認(rèn)為兩臺(tái)站的FSF也可能主要與電離槽密切相關(guān).當(dāng)電離槽區(qū)域掃過(guò)臺(tái)站時(shí)，臺(tái)站上空電離層增大的電子密度梯度引起了電離層FSF現(xiàn)象.而從圖2和圖4還可看到Zhigansk和Yakutsk兩個(gè)臺(tái)站FSF的出現(xiàn)率在冬季的白天也較高，說(shuō)明電離層FSF的產(chǎn)生不只與電離槽有關(guān)，還可能受到其他因素的作用.一個(gè)重要的因素可能來(lái)源于磁層和高緯電離層之間復(fù)雜的相互作用[21]，在這些作用下，磁層發(fā)電機(jī)和電離層擾動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出的電場(chǎng)可通過(guò)等離子體E×B不穩(wěn)定性在高緯電離層中產(chǎn)生電子密度不規(guī)則體[22]，繼而導(dǎo)致FSF的發(fā)生.

在各個(gè)季節(jié)，Zhigansk和Yakutsk兩臺(tái)站的MSF主要都出現(xiàn)在夜間的18∶00—06∶00LT.這可能與高緯夜側(cè)電離層的粒子沉降有關(guān).Akasofu指出太陽(yáng)風(fēng)能量輸入的一部分儲(chǔ)存在地球磁尾，在磁層亞暴期間爆發(fā)性的釋放，最終耗散在地球的電離層和大氣中.亞暴耗散的能量會(huì)導(dǎo)致夜側(cè)高緯電離層局部地區(qū)粒子沉降和焦耳加熱[23-24]，使得電離層電導(dǎo)率顯著增大，引發(fā)高緯電離層電場(chǎng)的變化.焦耳加熱對(duì)高緯尤其是極光帶區(qū)域的電離層也將產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，這些變化和擾動(dòng)可能也是引起MSF發(fā)生的主要原因，這些都還需要進(jìn)一步的深入研究.另外，AE-C衛(wèi)星對(duì)主電離槽觀測(cè)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明各季節(jié)主電離層槽主要出現(xiàn)在夜側(cè)，因此電離層槽也是引起Zhigansk和Yakutsk兩臺(tái)站MSF的因素，但非主要因素.

Rastogi 和 Woodman指出RSF的產(chǎn)生是由于電離層F層底部出現(xiàn)大尺度的不規(guī)則體所造成的[25].因此在高緯地區(qū)，RSF出現(xiàn)率非常小可能是由于高緯地區(qū)電離層擾動(dòng)主要源自頂部，而來(lái)自底部的擾動(dòng)相對(duì)較少.

高緯兩臺(tái)站BSF的出現(xiàn)時(shí)常伴隨著電離圖空缺現(xiàn)象，這說(shuō)明此時(shí)電離層對(duì)電波的吸收作用非常強(qiáng)烈.有文獻(xiàn)報(bào)道高緯空缺現(xiàn)象可能與極光橢圓帶有密切關(guān)系[26]，因此BSF的發(fā)生可能也與極光橢圓帶有關(guān).

4 結(jié) 論

本文根據(jù)高緯地區(qū)Zhigansk和Yakutsk兩臺(tái)站DPS-4電離層垂直測(cè)高儀在2006年的頻高圖觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析研究了這兩個(gè)地區(qū)各類(lèi)型擴(kuò)展F的發(fā)生時(shí)間以及季節(jié)變化特性.研究結(jié)果表明：FSF是兩個(gè)臺(tái)站經(jīng)常觀測(cè)到的SF類(lèi)型，其不僅出現(xiàn)在各季的夜間，在冬季和分季的白天也可被觀測(cè)到，并且白天FSF的出現(xiàn)率隨著白天變長(zhǎng)而降低；MSF是兩個(gè)臺(tái)站經(jīng)常觀測(cè)到的另一種SF類(lèi)型，兩臺(tái)站MSF出現(xiàn)的時(shí)間范圍大致都在18∶00—06∶00LT；RSF和BSF在兩個(gè)高緯臺(tái)站的出現(xiàn)率最低.

通過(guò)分析討論，本文認(rèn)為Zhigansk和Yakutsk臺(tái)站FSF的發(fā)生主要與電離槽有關(guān)，等離子體E×B不穩(wěn)定性也是導(dǎo)致FSF的發(fā)生的可能因素；兩臺(tái)站MSF的發(fā)生可能主要是來(lái)自磁尾的粒子沉降和焦耳加熱引起的；BSF的出現(xiàn)常伴隨著電離圖空缺現(xiàn)象，其發(fā)生可能與極光橢圓帶有關(guān).這些都需要更多的觀測(cè)和理論研究來(lái)驗(yàn)證.

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