程 達 張星瑜 吳鑒淼 文 聰 許惠飛 沈新榮（江蘇省天一中學(xué), 江蘇 無錫 214101）

中學(xué)生使用SID探索日食電離層效應(yīng)的研究**——基于經(jīng)驗課程觀的地理課題探索

程 達 張星瑜 吳鑒淼 文 聰 許惠飛 沈新榮
（江蘇省天一中學(xué), 江蘇 無錫 214101）

中學(xué)生在地理課堂接受式地了解過太陽對電離層產(chǎn)生影響的相關(guān)知識，但往往缺乏論證和實踐的機會。本課題組搭建了電離層VLF信號的接收系統(tǒng)，并利用斯坦福大學(xué)數(shù)據(jù)庫的圖表資料，結(jié)合其它的技術(shù)手段，對日食的電離層效應(yīng)展開了研究和分析，為相關(guān)理論提供了實證支撐。

經(jīng)驗課程觀；SID監(jiān)測儀；日食；電離層

“經(jīng)驗課程觀”注重學(xué)生“個體經(jīng)驗的實際獲得過程”，要求教師不僅在課堂關(guān)注“學(xué)科體系”和“學(xué)科知識”，而且應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生開展“課題研究”等實踐活動。學(xué)生參與問題發(fā)現(xiàn)、提出和解決的過程，將有助于其“地理核心素養(yǎng)”的形成，有助于其創(chuàng)新思維和能力的提升。

“太陽對地球的影響”作為高中地理的一個核心知識點，有著承上啟下的作用。它既是對上一節(jié)“地球所處宇宙環(huán)境”的進一步探索，又為后續(xù)有關(guān)大氣、水等內(nèi)容的學(xué)習(xí)做好了鋪墊。圍繞“太陽對地球的影響”，指導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實際，利用互聯(lián)網(wǎng)資源和自己搭建的器材開展有關(guān)的研究，將極大地促進學(xué)生對“知識與技能”的理解，對“過程與方法”的熟悉，和個體

情感、態(tài)度與價值觀”的提升。

以下，就江蘇省天一中學(xué)地理組使用SID監(jiān)測儀組織學(xué)生開展“日食電離層效應(yīng)”研究的探索工作，做一些簡單介紹。

一、電離層效應(yīng)探測概述

電離層是地球大氣層中被太陽和宇宙射線離子化的大氣層，大約位于地面上空60-1000千米的位置。它可以分為D、E、F三個區(qū)域（見圖1）。F區(qū)域始終存在，E區(qū)域在夜間要比白天弱，而D區(qū)域只在白天才有。

圖1 電離層分層示意

當太陽向地球發(fā)出的X射線和遠紫外線等能量發(fā)生變化時，或者太陽向地球噴射等離子態(tài)的日冕物質(zhì)拋射物時，電離層在層數(shù)和狀態(tài)等方面都會發(fā)生明顯的變化，甚至于影響到無線電短波通訊的暢通。

目前對于電離層的探測方法主要有：電離層垂直探測儀探測法、電離層探針探測法、利用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)探測電子量法、利用多普勒效應(yīng)探測電子量法、全球定位系統(tǒng)測量法、甚長基線干涉測量法等。其中，利用電離層垂直探測儀、電離層探針可以直接測量電離層，獲取頻高圖、電子濃度、溫度、離子濃度和結(jié)構(gòu)圖等；利用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、多普勒效應(yīng)可以觀測無線電波通過電離層時偏振面的旋轉(zhuǎn)角、電波速度和方向的變化等間接計算電離層總電子含量；全球定位系統(tǒng)測量法主要是將GPS 與低軌衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)合，測量在局部區(qū)域的電離層垂直分辨率；甚長基線干涉測量法則是通過比較兩個觀測臺站得到的時延與信號路徑來分析電離層的狀態(tài)。

二、探測儀器及原理

本課題組搭建了一個電離層效應(yīng)接收系統(tǒng)（見圖2），該系統(tǒng)主要包括SID監(jiān)測儀、天線、計算機等三個部分。其中，SID監(jiān)測儀由美國斯坦福大學(xué)研制并提供，計算機由江蘇省天一中學(xué)提供，課題組成員將普通銅線纏繞在自己搭建的十字型木架上構(gòu)成了一個天線。將天線與SID監(jiān)測儀連接，再將SID監(jiān)測儀與計算機連接，這樣整個接收系統(tǒng)就搭建完畢了。在適當調(diào)試之后，系統(tǒng)便可以正常運作。經(jīng)簡單設(shè)置后，系統(tǒng)還可以將數(shù)據(jù)文件傳至斯坦福大學(xué)太陽中心的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全球共享。倘若將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格，將其繪制成圖表，便可以直觀地考察每天的信號強弱變化。

圖2 電離層效應(yīng)接收系統(tǒng)

該系統(tǒng)之所以能夠用于電離層效應(yīng)的探測，主要是因為SID監(jiān)測儀本質(zhì)上是一臺甚低頻電磁波（VLF）接收器。斯坦福大學(xué)太陽中心建設(shè)的空間天氣信息監(jiān)測收集系統(tǒng)在全球布有許多信號發(fā)射基站，基站發(fā)射的電磁波經(jīng)電離層反射后才再次抵達地面并被SID監(jiān)測儀接收和記錄。在此過程中，除地球表面的影響外，VLF信號主要受電離層性質(zhì)的影響而發(fā)生強弱的變化。

影響電離層性質(zhì)的因素有很多，日食現(xiàn)象便是其中的一種。日食好比是加速版的日出日落。在此期間，電離層接受的太陽能量以及由此導(dǎo)致的電離輻射強度出現(xiàn)了較大變化，一般是：從初虧開始，隨著食分的增大，電離層中的總電子含量將逐漸減少，直至食甚后日食的食分開始轉(zhuǎn)而變小，總電子含量才又逐漸增加，直至復(fù)圓時恢復(fù)正常。總電子含量的減少，會導(dǎo)致電離層D層的減弱，進而使得VLF信號在穿越D層時的衰減減少，到達地面被監(jiān)測儀接收到的信號就增強；而在食甚之后的生光階段，太陽能量增強導(dǎo)致大氣電離程度提高，低電離層的等效反射高度降低，導(dǎo)致了電離層D層重新增強，監(jiān)測儀接收到的VLF信號強度也將逐步恢復(fù)正常。

三、日食電離層效應(yīng)研究

1.日出日落的電離層效應(yīng)驗證

在對日食的電離層效應(yīng)研究正式開始前，為驗證太陽能量強弱變化對電離層產(chǎn)生的影響，課題組從數(shù)據(jù)庫中隨機挑選了5個不同時間、不同地點的監(jiān)測數(shù)據(jù)圖表，進行了驗證分析。首先，需要在監(jiān)測圖表中分辨出VLF信號開始增強和開始減弱的時間段。逐漸增強的信號表示太陽能量的遞減，預(yù)示著太陽正在下山，夜晚即將到來；逐漸減弱的信號表示太陽能量的遞增，預(yù)示著太陽日出和白天的到來。其次，需要將數(shù)據(jù)圖表中每天日出和日落的明暗分界點對應(yīng)的世界時間（格林尼治時間）記錄下來。第三，根據(jù)數(shù)據(jù)圖表右上側(cè)的編號確定該監(jiān)測站所在的位置，并將步驟二中記錄的世界時間換算為當?shù)貢r間（區(qū)時或地方時）。最后，通過網(wǎng)絡(luò)在線“日出日落時間查詢”的方式查詢當日、當?shù)氐娜粘觥⑷章鋾r間。

課題組選取了2007年3月19日美國Jim Creek海軍電臺監(jiān)測數(shù)據(jù)圖表（見圖3），分辨出了日出日落的明暗分界點，并用圓圈標記。其中，左側(cè)的圓圈表示日落，時間約為世界時1:40；右側(cè)的圓圈表示日出，時間約為世界時13:30。經(jīng)數(shù)據(jù)庫監(jiān)視器查詢（見圖4）得知，編號“NLK USU S-0018-FB-0018”的監(jiān)測儀位于美國華盛頓附近的Jim Creek谷地，為美國海軍所有。當?shù)氐慕?jīng)緯度為-111.822°、41.720°，當?shù)氐胤綍r與世界時間約相差（-7.5）小時，即太陽日落、日出的當?shù)貢r間約為18:10、6:00。經(jīng)在線“日出日落時間查詢”驗證，當?shù)?、當日的日出日落時間確實約為地方時6:06、18:10，這與3月21日春分日前后世界各地晝夜等長的地理規(guī)律十分契合。

圖3 J im Creek海軍電臺監(jiān)測數(shù)據(jù)圖表

圖4 數(shù)據(jù)庫監(jiān)視器查詢

使用同樣的方法，課題組又對另外4個監(jiān)測數(shù)據(jù)圖表進行了驗證分析，驗證結(jié)果顯示：夜晚的數(shù)據(jù)信號強度不僅普遍高于白天，而且波形的振幅也遠大于白天；各地的日出、日落現(xiàn)象都對電離層產(chǎn)生了明顯的影響，從而導(dǎo)致經(jīng)由其反射后的電磁波信號強度出現(xiàn)了明顯的變化。

2.日食電離層效應(yīng)研究

為更好地研究日食的電離層效應(yīng)，課題組查詢了近五年（2011-2015）的全部日食（全食、偏食和環(huán)食）記錄，調(diào)閱了每次日食的食帶路徑資料，如2015年月13日日食的見食區(qū)域主要在非洲南部和南極洲，3月0日日食的見食區(qū)域主要在西伯利亞和大洋西區(qū)，2011 年11月25日日食的見食區(qū)域主要在南大西洋、南太平洋和南極洲，7月1日日食的見食區(qū)域主要在南印度洋，6 月1日日食的見食區(qū)域主要在北太平洋、北冰洋和北大西洋，1月4日日食的見食區(qū)域主要在歐洲、非洲北部和亞洲中西部，以上日食的食帶路徑內(nèi)監(jiān)測站布置尚不完善，難以查到監(jiān)測站點。有一些日食的食帶路徑內(nèi)已經(jīng)建設(shè)有監(jiān)測站，但監(jiān)測站并未上傳日食當天的數(shù)據(jù)圖表，如2014年4月29日、2013年5月10日、2012年11月13日的日食食帶均掃過了澳大利亞，但澳大利亞全境的監(jiān)測站均未上傳數(shù)據(jù)圖表。其余的日食，如2014年10月23日的日偏食、2013年11月3日的日全食、2012年5月20日的日環(huán)食等都被監(jiān)測站記錄。

下面，以2014年10月23日的日偏食為例，具體分析電離層的日食效應(yīng)。圖5是美國業(yè)余射電天文學(xué)家協(xié)會的K en Redcap設(shè)在羅切斯特的監(jiān)測站（NLK

D8WOA 0368）的數(shù)據(jù)圖表，圖中顯示的日期為2014 年10月23日，當天發(fā)生的日食見食區(qū)域覆蓋了美國本土絕大部分地區(qū)（見圖6）。該監(jiān)測站的經(jīng)緯度為83.144°、42.687°，當?shù)爻跆潯⑹成鹾蛷?fù)圓的時間約為當?shù)貢r間5:18、6:10、7:22，換算為世界時間約為0:51、11:43、12:55。

圖5 羅切斯特KD8WOA監(jiān)測圖表

圖6 2014年10月23日日偏食見食區(qū)域

觀察數(shù)據(jù)圖表可知，電離層信號強度在初虧開始后迅速增強，反映了太陽被月球遮擋導(dǎo)致抵達地球的能量急劇下降；在食甚前后，信號強度達到峰值；此后，信號強度又開始逐漸減弱，直至復(fù)圓后恢復(fù)正常。

為排除太陽耀斑對電離層信號強度的干擾，課題組將當天的耀斑歷史記錄疊加在電離層信號上，制作成了圖7。不難發(fā)現(xiàn)，當天太陽未爆發(fā)X級別的強耀斑，在日食的全過程中也沒有出現(xiàn)C級可見耀斑和M級明顯耀斑，由此基本排除了太陽活動對電離層信號的干擾。

圖7 羅切斯特KD8WOA監(jiān)測疊加圖表

四、總結(jié)及展望

中學(xué)生在課堂中學(xué)習(xí)了“太陽活動對地球的影響”相關(guān)知識后，普遍產(chǎn)生有親自驗證甚至探究背后機制的意愿。本課題組即是在此學(xué)業(yè)背景下，在開展了“太陽黑子與地球環(huán)境響應(yīng)研究”的基礎(chǔ)上，組建并開展研究活動的。

本課題組在自己搭建監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)庫中龐大的數(shù)據(jù)圖表對電離層的日出日落效應(yīng)進行了驗證，并重點就近五年來日食的電離層效應(yīng)進行了統(tǒng)計、分析，為該領(lǐng)域的相關(guān)理論提供了有益的實證支撐。

未來，課題組將進一步開展太陽耀斑的電離層效應(yīng)研究，以期不僅為相關(guān)科學(xué)理論提供實證支撐，而且在空間天氣監(jiān)測及預(yù)報方面建設(shè)自己的站點。

* 本文系無錫市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2013年度立項課題“項目研究推動的天文巡星工作室建設(shè)研究”（課題批準文號：C/ D/2013/008）階段性研究成果。