王大鑫，付利平，江 芳，賈 楠，3，4，竇雙團(tuán)

1. 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京 100190 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3. 天基空間環(huán)境探測北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190 4. 中國科學(xué)院空間環(huán)境態(tài)勢感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190

引 言

地球電離層是空間大氣的重要組成部分，它的活動特性直接影響無線電波的傳播[1]。對地球大氣極遠(yuǎn)紫外氣輝輻射進(jìn)行測量是研究地球電離層和熱層的重要天基遙感手段。對于電離層F層(100～500 km)區(qū)域，氧離子占離子濃度的95%，并認(rèn)為其濃度可以近似等同于該高度范圍內(nèi)的總等離子體密度[2]，因此測量O+相關(guān)的氣輝輻射可以獲得電子密度的分布情況。

利用對白天電離層F層83.4 nm氣輝輻射進(jìn)行臨邊探測，獲得電離層電子密度擴(kuò)線最初是由McCoy[3]等提出的，這項工作為以后一系列通過臨邊掃描和臨邊成像來進(jìn)行遙感探測的衛(wèi)星任務(wù)奠定了理論基礎(chǔ)。國際上進(jìn)行83.4 nm波段遙感探測任務(wù)主要包括空間站的大氣層電離層遙感探測系統(tǒng)RAIDS[4-5]，ARGOS衛(wèi)星上的低分辨率氣輝極光光譜儀LORAAS[2, 5]，國防氣象衛(wèi)星計劃DMSP上搭載的紫外臨邊成像儀SSULI[2, 5]以及安裝在國際空間站(ISS)上的臨邊成像電離層熱層極紫外光譜儀LITES[6]。此外，2019年發(fā)射的ICON衛(wèi)星計劃將對電離層幾大因素進(jìn)行綜合探測，包括中性風(fēng)、大氣成分、大氣溫度、等離子體速度等。衛(wèi)星上配置的載荷極紫外光譜成像儀(EUV Spectrograph)，可以通過對日側(cè)83.4和61.7 nm波段進(jìn)行臨邊探測，獲得白天電離層擴(kuò)線及峰值電子密度信息[7-8]。

目前，國內(nèi)對83.4 nm日輝發(fā)射機(jī)理及探測技術(shù)的研究處于起步階段，本文重點(diǎn)研究了極紫外83.4 nm日氣輝的產(chǎn)生機(jī)制及輻射傳輸原理，并用AURIC 模型計算了O+83.4 nm初始體發(fā)射率、共振散射作用下的總體發(fā)射率和臨邊柱輻射強(qiáng)度等分布情況，并給出83.4 nm日輝輻射強(qiáng)度與太陽活動、地磁活動間的關(guān)系。

1 O+83.4 nm氣輝輻射傳輸原理

O+83.4 nm輻射的主要來源是太陽EUV氣輝輻射(λ<43.6nm)[2]對低熱層氧原子內(nèi)殼電子的光電離，電離后O+處于激發(fā)態(tài)，然后發(fā)生能級躍遷(2s2p44p→2s22p34s0)[3]返回基態(tài)，并發(fā)出83.4 nm的光輻射。該輻射是一個三重態(tài)83.4 nm(83.275，83.333，83.446 nm)[3]的輻射光譜，是紫外日氣輝能被觀測到的最明顯的OⅡ特性[3]，其光電離方程可表示為[9]

(1)

O+83.4 nm輻射的次要來源是低熱層原子氧的光電子碰撞電離，同樣碰撞激發(fā)電離產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的O+，然后內(nèi)部輻射躍遷返回基態(tài)，并產(chǎn)生O+83.4 nm氣輝輻射，碰撞電離可表示為[10]

O+e→O++2e+83.4 nm

(2)

碰撞電離對總的柱發(fā)射率貢獻(xiàn)約為10%[2]。由氧原子的極紫外光電離和光電子碰撞激發(fā)兩個主要過程產(chǎn)生的83.4 nm光子峰值高度主要在200 km以下的低熱層。然后，兩個過程電離產(chǎn)生的O+進(jìn)入電離層F層內(nèi)，與主要離子O+發(fā)生多次共振散射[2-3]，這個過程可以使O+83.4 nm的體發(fā)射率在F層附近顯著增強(qiáng)，因此，不同的O+分布將導(dǎo)致不同的F層臨邊強(qiáng)度剖面[3]。

此外，83.4 nm日氣輝輻射的來源還包括O+的電子碰撞激發(fā)和太陽83.4 nm光子的直接散射。因?yàn)镺+柱密度比原子O低幾個數(shù)量級，所以O(shè)+的直接電子碰撞激發(fā)看作一個小貢獻(xiàn)，可以忽略不計。但太陽83.4 nm光子的直接散射很難與O+83.4 nm輻射區(qū)分測量，F(xiàn)eldman等對太陽通量進(jìn)行合理評估后，認(rèn)為其對83.4 nm總輻射率的貢獻(xiàn)很小[11]，且僅對約400 km以上的輻射剖面有微小貢獻(xiàn)，因此這兩個輻射源均可忽略不計。

假設(shè)在平面水平大氣中，若滿足各向同性、守恒散射以及完全頻率重分布的條件，則正演模型可給出體發(fā)射率，可表示為[3, 7]

(3)

其中，jk(z)為高度z處的體發(fā)射率，j0k(z)為高度z處的初始體發(fā)射率，包含太陽83.4 nm共振散射源[3]。第二項為O+多次共振散射源項，其中，σ0k為共振散射截面，NO+(z)為高度z處的氧離子數(shù)密度，z0為初始光子產(chǎn)生源高度，τk為與共振散射相關(guān)的光學(xué)厚度，tk為與吸收相關(guān)的光學(xué)厚度，包括N2, O以及O2的吸收[3]。H即Holstein概率函數(shù)，表示一個光子從區(qū)域(z′,z′+dz)傳輸?shù)?z,z+dz)過程中，在某一點(diǎn)經(jīng)歷共振散射的概率[12]。

體發(fā)射率沿著視線方向積分即得到柱輻射強(qiáng)度I[3, 7]，即[7]

(4)

圖1 O+83.4 nm輻射傳輸示意圖Fig.1 Schematic diagram of the O+83.4 nm radiation transfer

2 O+83.4 nm氣輝輻射模式計算結(jié)果分析及驗(yàn)證

大氣紫外輻射積分代碼AURIC(Atmospheric Ultraviolet Radiance Integrated Code)是美國計算物理公司CPI(Computational Physics, Inc.)和空軍Phillips實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)的用于研究熱層80～1 000 nm輻射光譜的大氣輻射傳輸模型，可以用于計算光電子通量、體發(fā)射率和輻射強(qiáng)度等[13]，是目前可用于極遠(yuǎn)紫外波段輻射模擬研究的通用模型。本文利用AURIC v1.2對電離層O+83.4 nm日氣輝輻射模擬，獲得衛(wèi)星高度以下電離層體發(fā)射率、柱輻射強(qiáng)度等參量，并研究83.4 nm氣輝強(qiáng)度在赤道異常區(qū)以及其隨太陽活動、地磁活動等不同條件影響下的變化規(guī)律。

2.1 O+83.4 nm氣輝輻射隨高度變化

83.4 nm氣輝輻射強(qiáng)度與氧原子分布有關(guān)，并隨高度變化。分別選取一個太陽活動周期內(nèi)太陽活動低年(1986年)、太陽活動峰年(1989年)、太陽活動高年(1992年)中同一天，位置為地磁赤道附近，利用AURIC模式對O+83.4 nm輻射體發(fā)射率隨高度的分布進(jìn)行仿真計算，模擬高度為0～850 km(文中假設(shè)衛(wèi)星為太陽同步軌道衛(wèi)星，軌道高度850 km)，觀測角為90°～118°，模擬仿真選用參數(shù)如表1所示。

表1中Year和Day表示日期，UT為世界時，F(xiàn)10.7為太陽活動指數(shù)以及81天太陽活動指數(shù)平均值〈F10.7〉。

仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2為一個太陽活動周期內(nèi)不同年份中同一天的體發(fā)射

表1 AURIC模型參數(shù)Table 1 The parameters of AURIC

率隨高度變化的擴(kuò)線圖，實(shí)線表示考慮多次共振散射的體發(fā)射率，虛線是光電子碰撞電離的體發(fā)射率，點(diǎn)劃線是光電離激發(fā)的體發(fā)射率。隨著高度的增加，體發(fā)射率先增大后減小，在200～300 km高度達(dá)到峰值，此時光電離激發(fā)過程為主要過程。不考慮多次共振散射時，83.4 nm氣輝輻射的初始體發(fā)射率峰值高度在大約200 km高度處，這是因?yàn)檠踉又饕植荚?00 km以下的低熱層，通過光電離激發(fā)過程和光電子碰撞過程產(chǎn)生的83.4 nm輻射強(qiáng)度在大約200 km處達(dá)到峰值。而考慮多次共振散射后，O+向上擴(kuò)散進(jìn)入電離層F層過程中，與O+發(fā)生多次共振散射，使O+83.4 nm的體發(fā)射率在F層附近明顯增強(qiáng)，因此各個高度的體發(fā)射率不僅考慮該高度處的初始體發(fā)射率，還應(yīng)考慮來自其他高度散射過來的輻射貢獻(xiàn)[14]。

圖2 體發(fā)射率隨高度的分布Fig.2 The distribution of volume emission rates with height

2.2 O+83.4 nm氣輝輻射與太陽活動、地磁活動的關(guān)系

從圖2可以看出，83.4 nm氣輝輻射強(qiáng)度與太陽活動有關(guān)，太陽活動高年的輻射體發(fā)射率明顯大于太陽活動低年，且峰值高度也要高于太陽活動低年。這是由于不同太陽活動條件下，低熱層O原子的光電離速率不同。太陽活動越劇烈，光電離產(chǎn)生的O+和電子濃度越大，產(chǎn)生的83.4 nm氣輝輻射強(qiáng)度就越強(qiáng)，因此太陽活動高年83.4 nm氣輝輻射體發(fā)射率越大。而O+濃度越大，向F2層擴(kuò)散越劇烈，共振散射現(xiàn)象越明顯，因此太陽活動高年，O+83.4 nm輻射體發(fā)射率的峰值高度升高，這與電離層電子密度的變化趨勢一致，進(jìn)一步說明83.4 nm輻射的擴(kuò)線分布與電離層電子密度擴(kuò)線分布有著很好的相關(guān)性。

同一個太陽活動周期，選取模擬年份與表1相同，日期為春分點(diǎn)附近，此時太陽直射點(diǎn)經(jīng)過赤道，繼續(xù)向北移動。固定經(jīng)度25°不變，觀測高度為500 km，觀測角為90°～118°，世界時為12點(diǎn)，對臨邊柱輻射強(qiáng)度隨切點(diǎn)高度變化進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果如圖3所示。

圖3為同一太陽活動周期內(nèi)三個年份中同一天的臨邊輻射強(qiáng)度隨切點(diǎn)高度的變化，色度表示O+83.4 nm的臨邊柱輻射強(qiáng)度(R)，由圖可知太陽活動的劇烈程度直接影響O+83.4 nm氣輝臨邊柱輻射強(qiáng)度，在南北半球低緯處出現(xiàn)兩個極大值，說明O+83.4 nm輻射強(qiáng)度與電離層赤道異?，F(xiàn)象有很好的對應(yīng)關(guān)系，且太陽活動高年赤道異常現(xiàn)象更加明顯，因此O+83.4 nm日輝輻射與電離層電子密度有非常好的相關(guān)性。

選擇表1前兩組數(shù)據(jù)中的日期、時間，太陽活動指數(shù)F10.7分別取70，120，170，230，270和300，畫出O+83.4 nm氣輝柱輻射強(qiáng)度隨切點(diǎn)高度變化的曲線圖，如圖4所示。

圖4為表1內(nèi)前兩組數(shù)據(jù)中的年份日期下仿真得到的臨邊柱輻射強(qiáng)度隨太陽活動分布的擴(kuò)線圖。由圖可知，當(dāng)F10.7的值越大時，83.4 nm氣輝臨邊柱輻射強(qiáng)度也越強(qiáng)，即隨著太陽活動的增強(qiáng)，83.4 nm氣輝臨邊柱輻射強(qiáng)度也會呈現(xiàn)不同程度的增加，其原因是太陽活動增強(qiáng)會導(dǎo)致低熱層O原子的光電離速率增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致83.4 nm氣輝輻射增強(qiáng)[15]，尤其是短波輻射增強(qiáng)會導(dǎo)致極紫外波段氣輝增強(qiáng)。兩圖相比，也會看出太陽活動高年，柱輻射強(qiáng)度變化速率更快。太陽活動除影響輻射強(qiáng)度外，柱輻射強(qiáng)度的峰值高度也會相應(yīng)變化，即太陽活動越劇烈，83.4 nm輻射強(qiáng)度峰值高度越高。

圖3 臨邊柱輻射強(qiáng)度隨切點(diǎn)高度、緯度的分布(春分點(diǎn)附近)(a): 1986年(太陽活動低年)； (b): 1989年(太陽活動峰年)；(c): 1992年(太陽活動高年)

Fig.3 The distribution of limb column emission intensity with altitude and latitude (near the vernal equinox)

(a): 1986 (Low solar activity); (b): 1989 (Peak year of solar activity); (c): 1992 (High solar activity)

選擇表1前兩組數(shù)據(jù)中的日期、時間，地磁活動指數(shù)Ap分別取3，70，110，160，200和250，畫出O+83.4 nm氣輝柱輻射強(qiáng)度隨切點(diǎn)高度變化的曲線圖，如圖5所示。

圖4 臨邊柱輻射強(qiáng)度隨太陽活動的分布磁赤道附近，SZA為73°Fig.4 The distribution of limb column emission intensity with solar activity Near the geomagnetic equator, SZA=73°

圖5 臨邊柱輻射強(qiáng)度隨地磁活動的分布地磁赤道附近，SZA為73°Fig.5 The distribution of limb column emission intensity with solar activity Near the geomagnetic equator, SZA=73°

圖5為表1前兩組數(shù)據(jù)中的年份日期下仿真得到的臨邊柱輻射強(qiáng)度隨地磁活動分布的擴(kuò)線圖。由圖5可知，當(dāng)Ap的值增大時，O+83.4 nm氣輝臨邊柱輻射強(qiáng)度隨之增強(qiáng)，并且太陽活動高年的臨邊柱輻射強(qiáng)度值明顯高于太陽活動低年，即O+83.4 nm氣輝輻射強(qiáng)度與地磁活動指數(shù)Ap主要呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，因此地磁活動的變化會引起大氣主要離子成分的變化，進(jìn)而影響其柱輻射強(qiáng)度變化。

3 結(jié) 論

基于極紫外日輝輻射算法，提出了氧離子83.4 nm日輝輻射的計算方法。并用AURIC v1.2模擬了O+83.4 nm日輝輻射與高度、緯度、太陽活動、地磁活動等電離層參量的相關(guān)性。氣輝輻射隨緯度的變化主要呈現(xiàn)出赤道異?，F(xiàn)象，且太陽活動越劇烈，赤道異?，F(xiàn)象也越明顯，與電離層電子密度變化趨勢一致。氣輝輻射強(qiáng)度及分布特性受太陽活動、地磁活動的影響，并均呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。

太陽活動、地磁活動越劇烈，會導(dǎo)致低熱層O原子的光電離速率增強(qiáng)，則光電離產(chǎn)生的O+和電子濃度就越大，即太陽活動、地磁活動均會影響大氣成分的變化，進(jìn)而影響氣輝輻射強(qiáng)度的變化。氧離子83.4 nm日輝輻射與電離層電子密度分布有著非常好的相關(guān)性，是對日間電離層進(jìn)行光學(xué)遙感監(jiān)測的最佳手段之一，對于反演獲得白天電離層F層電子密度擴(kuò)線等電離層參量具有重要意義。