王亞璐, 項(xiàng)正, 澤仁志瑪, 倪彬彬*, 劉陽(yáng)希子, 張學(xué)民, 歐陽(yáng)新艷, 吳迎燕, 申旭輝

1 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所, 北京 100036 2 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院空間物理系, 武漢 430072 3 應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院, 北京 100085 4 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心, 北京 100190

0 引言

地基人工甚低頻臺(tái)站發(fā)射的窄帶電波信號(hào)可以被地球表面和電離層底界面來(lái)回反射,在地球-電離層波導(dǎo)中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播,最早被應(yīng)用于國(guó)防對(duì)潛通訊.20世紀(jì)中葉,學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn),人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)可以穿透電離層,以右旋極化哨聲波模在地球磁層中進(jìn)行傳播(如: Storey, 1953; Helliwell, 1965),并與能量為幾十到幾百keV的電子發(fā)生波粒共振,引起電子的沉降(如: Inan et al., 1984; Abel and Thorne, 1998a,b; Ni et al., 2022).近年來(lái)的理論與觀測(cè)研究結(jié)果表明,人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)不僅對(duì)內(nèi)輻射帶中能量電子的損失有重要影響(如: Sauvaud et al., 2006, 2008; Gamble et al., 2008; Kulkarni et al., 2008; Graf et al., 2009; Selesnick et al., 2013; 劉陽(yáng)希子等, 2021, Liu et al., 2022),而且直接導(dǎo)致了內(nèi)輻射帶能量電子的徑向分叉現(xiàn)象(如: Claudepierre et al., 2020; Hua et al., 2020, 2021).

人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)的全球分布模型對(duì)量化輻射帶電子受到的散射效應(yīng)至關(guān)重要(如: Abel and Thorne, 1998a; Inan et al., 1984; Ma et al., 2017; Meredith et al., 2019; Ni et al., 2022).早期,由于缺乏原位衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù),關(guān)于電離層對(duì)人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)吸收衰減的研究,更多的集中于理論方面,如早在1965年,Helliwell(1965)就展開(kāi)了理論研究,基于一個(gè)簡(jiǎn)化的電離層電子密度模型計(jì)算了不同頻率電波信號(hào)在穿透電離層后,其幅值衰減度隨緯度的變化曲線(下文稱Helliwell曲線),為后人在甚低頻臺(tái)站信號(hào)電離層衰減方面的研究工作奠定了基礎(chǔ).Inan等(1984)基于Helliwell曲線計(jì)算了地基甚低頻臺(tái)站在磁層中產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度,并與DE-1衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)分析.Starks等(2008)在計(jì)算過(guò)程中考慮了甚低頻電波的非導(dǎo)管傳播模式,指出在中緯地區(qū),日側(cè)地基甚低頻臺(tái)站信號(hào)的衰減度模擬結(jié)果會(huì)偏高10 dB,而夜側(cè)的衰減度模擬結(jié)果會(huì)偏高20 dB,但在赤道地區(qū)會(huì)偏低15 dB.Tao等(2010)在理論模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果的比對(duì)分析過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)如果采用國(guó)際電離層參考模型(International Reference Ionosphere Model, IRI)的電子密度值,Helliwell曲線的計(jì)算結(jié)果誤差會(huì)達(dá)到100 dB.這些研究提供了對(duì)人工甚低頻波分布的基本認(rèn)知,但同時(shí)理論模型與觀測(cè)結(jié)果的差異也表明隨空間位置、時(shí)間以及地磁活動(dòng)動(dòng)態(tài)變化的等離子體結(jié)構(gòu)對(duì)甚低頻信號(hào)的傳播有重要影響(Gu et al., 2022, 2023).為獲取更精確的人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)全球分布模型,近20年來(lái),學(xué)者們基于衛(wèi)星實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)空間甚低頻臺(tái)站信號(hào)的分布特征展開(kāi)了大量分析研究.如Cohen和Inan(2012)基于DEMETER衛(wèi)星6年的觀測(cè)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)分析了NWC、DHO、NPM等16個(gè)人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)在電離層中的功率分布特性.Ma等(2017)基于范艾倫A星數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了10～60 kHz的甚低頻臺(tái)站信號(hào)在L=1～3(L代表相應(yīng)磁力線在磁赤道處距離地心的距離,以地球半徑為單位)的分布模型,Meredith等(2019)同樣使用范艾倫A星數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了20多個(gè)人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)隨L的分布模型,項(xiàng)正等(2021)基于范艾倫A、B雙星數(shù)據(jù),分析了NWC和NAA臺(tái)站信號(hào)在內(nèi)磁層中的空間分布、與季節(jié)和地磁活動(dòng)等的依賴關(guān)系及其統(tǒng)計(jì)幅值的大小.

1 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

張衡一號(hào)衛(wèi)星于2018年2月發(fā)射升空,旨在監(jiān)測(cè)與巖石圈地震活動(dòng)有關(guān)的電離層擾動(dòng).衛(wèi)星飛行軌道高度約507 km,接近太陽(yáng)同步圓形軌道,升/降節(jié)點(diǎn)為本地凌晨2點(diǎn)和下午2點(diǎn),每個(gè)軌道周期大概為94.6 min,重訪周期為5天(Shen et al., 2018).它攜帶8種科學(xué)載荷,可獲取全球地磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)、等離子體參數(shù)和高能粒子等數(shù)據(jù).因此,張衡一號(hào)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)也可以用于空間物理相關(guān)研究(例如,空間天氣、電離層不規(guī)則性和等離子體環(huán)境).科學(xué)載荷有巡查和詳查兩種工作模式,巡查模式的時(shí)間和頻率分辨率較低,全軌道以巡查模式記錄數(shù)據(jù),而詳查模式,時(shí)間和頻率分辨率較高,只在中國(guó)區(qū)域和全球主地震帶上空啟動(dòng)(Zhima et al., 2022).本文主要使用巡查模式下,由電場(chǎng)探測(cè)儀(Electric Field Detector, EFD)記錄的三分量電場(chǎng)功率譜數(shù)據(jù),采樣率為50 kHz,時(shí)間分辨率為2 s,頻率分辨率為24.4 Hz(Huang et al., 2018).

在張衡一號(hào)衛(wèi)星電場(chǎng)時(shí)頻譜圖上,人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)呈現(xiàn)明顯高于背景的水平譜線特征(如韓瑩等, 2021,2022).本文基于張衡一號(hào)衛(wèi)星2019—2022年電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.根據(jù)張衡一號(hào)衛(wèi)星的重訪周期將地理經(jīng)度以5°的步長(zhǎng)均勻劃分,0°～180°代表東半球,180°～360°或-180°～0°代表西半球,將地理緯度以2°的步長(zhǎng)均勻劃分,形成5°×2°的二維經(jīng)緯度網(wǎng)格單元.時(shí)間以1個(gè)月為步長(zhǎng),根據(jù)經(jīng)緯度和時(shí)間步長(zhǎng),將4年觀測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化到91×73×48的元胞數(shù)組中,每個(gè)元胞數(shù)組中有100個(gè)左右的觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn).在繪制總電場(chǎng)功率譜全球分布圖時(shí),將以上網(wǎng)格化數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到全球1°×1°的二維分布圖.

目前,全球分布有十幾個(gè)人工甚低頻臺(tái)站,頻率范圍主要涵蓋18～25kHz,表1給出了本文所研究的10個(gè)人工甚低頻臺(tái)站,表中最后一列是臺(tái)站的發(fā)射功率,上標(biāo)①代表引自文獻(xiàn)Meredith等(2019),上標(biāo)②代表引自文獻(xiàn)Zhang等(2018),兩個(gè)文獻(xiàn)中部分臺(tái)站功率不同,甚至差別較大,后文將根據(jù)張衡一號(hào)衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行討論.由于NML臺(tái)站信號(hào)頻率(25.2 kHz)高于張衡一號(hào)衛(wèi)星的電場(chǎng)采樣率(50 kHz)的一半,根據(jù)混疊效應(yīng),本文將分析NML臺(tái)站上空24.8 kHz的信號(hào)特征.

表1 本文研究的人工甚低頻臺(tái)站列表Table 1 VLF transmitter stations studied in this paper

2 統(tǒng)計(jì)分析

針對(duì)表1中的10個(gè)人工甚低頻臺(tái)站,基于張衡一號(hào)衛(wèi)星2019—2022共計(jì)4年的三分量電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù),本節(jié)對(duì)各臺(tái)站信號(hào)的空間分布,及其隨晝夜、季節(jié)和地磁活動(dòng)水平的變化規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究,并分析臺(tái)站共軛區(qū)域的甚低頻信號(hào)特征.

(1) 人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)隨晝夜和季節(jié)的變化規(guī)律

根據(jù)第一節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法,將張衡一號(hào)衛(wèi)星2019—2022年的總電場(chǎng)功率譜密度數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理,圖1左側(cè)(a1—j1)給出了夜側(cè)甚低頻臺(tái)站上空人工信號(hào)對(duì)應(yīng)頻段(±200 Hz)的總電場(chǎng)功率譜密度平均值的平面分布圖,橫縱坐標(biāo)分別是地理經(jīng)緯度,圖中黑色五角星為甚低頻臺(tái)站的地理位置,白色圓點(diǎn)為臺(tái)站上空80 km高度處的磁力線在張衡一號(hào)衛(wèi)星高度的穿刺點(diǎn),黑色曲線是以穿刺點(diǎn)為中心的距離等值線.穿刺點(diǎn)相較于甚低頻臺(tái)站的地理位置更靠近赤道,兩者的距離與甚低頻臺(tái)站所處緯度有關(guān),緯度越低兩者的距離越遠(yuǎn),這與磁力線曲率特征相符.對(duì)于NWC站(圖1c1),穿刺點(diǎn)在臺(tái)站北部約500 km處,這與Cohen和Inan(2012)基于DEMETER衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果相近.從圖1左側(cè)(a1—j1)可以看出,在人工甚低頻臺(tái)站上空有明顯的電場(chǎng)增強(qiáng)現(xiàn)象,增強(qiáng)區(qū)域的中心更靠近穿刺點(diǎn)(白色圓點(diǎn)),呈現(xiàn)近圓形分布.信號(hào)輻射范圍最大的是NWC臺(tái)站,輻射半徑超過(guò)1000 km,其次為NAA臺(tái)站和NPM臺(tái)站,結(jié)合表1,人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)的輻射范圍與其發(fā)射功率呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系.值得注意的是ICV臺(tái)站,圖1d1顯示該臺(tái)站的信號(hào)輻射半徑近2000 km,與NWC臺(tái)站相當(dāng),但根據(jù)表1,ICV臺(tái)站的發(fā)射功率不足以影響如此大的范圍,后文將進(jìn)一步討論.

圖1 夜側(cè)人工甚低頻臺(tái)站上空總電場(chǎng)功率譜密度平面圖及其隨時(shí)間的變化曲線Fig.1 The averaged radiation pattern and time series curve of total electric field power spectral density from the VLF transmitters, as detected by CSES on the night-side

與圖1類似,圖2是表1中10個(gè)甚低頻臺(tái)站上空日側(cè)的總電場(chǎng)功率譜密度平面圖及其隨時(shí)間的變化曲線.由于日側(cè)張衡一號(hào)衛(wèi)星的電場(chǎng)探測(cè)儀在赤道區(qū)域受到嚴(yán)重污染(Zhima et al., 2022),日側(cè)赤道附近觀測(cè)的電場(chǎng)非常大,完全掩蓋了NPM臺(tái)站信號(hào)(圖2a1),對(duì)緯度較低的JJI、NWC及ICV臺(tái)站(圖2b1—d1)也造成了一定的影響.而對(duì)于緯度較高的臺(tái)站(如FTA2、DHO38、GQD、NAA、NLK和NML臺(tái)站),可以明顯看到在臺(tái)站上空存在獨(dú)立的電場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)域.對(duì)比圖1,圖2中臺(tái)站上空電場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)域明顯減小,而且總電場(chǎng)功率譜密度幅度明顯降低.

Zhang等(2018)將人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)強(qiáng)度降低至峰值1/e時(shí)的緯度范圍作為輸入?yún)?shù)開(kāi)展射線追蹤數(shù)值模擬,本文在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn),如果使用信號(hào)強(qiáng)度衰減到峰值1/e時(shí)的閾值確定甚低頻臺(tái)站信號(hào)的有效輻射范圍,所得的信號(hào)輻射范圍會(huì)偏小,不能如實(shí)地反映甚低頻臺(tái)站信號(hào)的影響范圍.結(jié)合張衡一號(hào)衛(wèi)星總電場(chǎng)功率譜密度平面圖,本文基于逆向試錯(cuò)法通過(guò)不斷調(diào)整信號(hào)衰減閾值以繪制信號(hào)的輻射范圍,最終確定表1中各臺(tái)站有效輻射范圍的信號(hào)閾值分別為峰值的1/2e、1/2e、1/3e、1/0.8e、1/1.5e、1/3e、1/2e、1/4.5e、1/2e、1/1.5e.以此確定的各甚低頻臺(tái)站信號(hào)輻射半徑及有效輻射范圍內(nèi)的總電場(chǎng)功率譜密度中位值范圍的統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表2.表2顯示,與夜側(cè)相比,日側(cè)的信號(hào)輻射半徑減小了近70%,而總電場(chǎng)功率譜密度降低約1個(gè)數(shù)量級(jí),這種晝夜差異是因?yàn)槿諅?cè)太陽(yáng)輻射較強(qiáng),導(dǎo)致大氣電離程度較高,電離層的電子密度較大,從地-電離層波導(dǎo)中上傳的人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)在穿越電離層時(shí)吸收衰減作用更強(qiáng),從而導(dǎo)致衛(wèi)星觀測(cè)的人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)更弱.

表2 人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)的輻射半徑及總電場(chǎng)功率譜密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 The statistical result of radiation radius and total electric field power spectral density for the VLF transmitters

此外,與夜側(cè)相比,日側(cè)總電場(chǎng)功率譜密度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化規(guī)律.如NWC臺(tái)站,夜側(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)較為離散(圖1c2),雖然從總電場(chǎng)功率譜密度時(shí)序曲線的極小值包絡(luò)線可以看出,NWC臺(tái)站信號(hào)在北半球夏季前后達(dá)到最大,而在北半球冬季達(dá)到最小,但中位值不存在明顯的季變規(guī)律,而圖2c2顯示,無(wú)論是總電場(chǎng)功率譜密度時(shí)序曲線的極值包絡(luò)線,還是中位值都呈現(xiàn)明顯的季變規(guī)律,即在北半球夏季達(dá)到最大值.圖2右側(cè)(a2—j2)顯示位于北半球的甚低頻臺(tái)站(如JJI和GQD臺(tái)站),臺(tái)站上空的總電場(chǎng)功率譜密度在夏季最小而在冬季最大.受日側(cè)赤道區(qū)域噪聲污染影響,日側(cè)NPM信號(hào)沒(méi)有明顯的季節(jié)變化規(guī)律.日間人工甚低頻信號(hào)幅度的季節(jié)變化規(guī)律更明顯,是因?yàn)榧竟?jié)變化反映了日照條件的不同,當(dāng)?shù)叵募救照崭鼜?qiáng),電離層電子密度大,從而導(dǎo)致人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)的衰減增強(qiáng).

對(duì)比圖1右側(cè)(a2—j2)和圖2右側(cè)(a2—j2),夜側(cè)的總電場(chǎng)功率譜密度更離散,日側(cè)總電場(chǎng)功率譜密度更集中.這是因?yàn)殡婋x層電子密度對(duì)電波信號(hào)的傳播、吸收和衰減有重要影響,電場(chǎng)功率譜密度的離散分布與電離層電子密度的離散分布相關(guān).國(guó)際電離層參考模型(IRI2016)的計(jì)算結(jié)果顯示,夜側(cè)的電離層電子密度值較日側(cè)分布更離散,從而導(dǎo)致夜側(cè)電波信號(hào)幅值更離散.

(2) 人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)隨地磁活動(dòng)水平的變化

為分析人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)對(duì)地磁活動(dòng)水平的依賴性,本文收集了2019—2022年間的AE指數(shù)(https:∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/wdc/Sec3.html),以20 nT的AE指數(shù)步長(zhǎng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化,繪制得到表1中10個(gè)人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)的總電場(chǎng)功率譜密度隨AE指數(shù)的變化曲線,如圖3所示,左側(cè)(a1—j1)是夜側(cè)結(jié)果,右側(cè)(a2—j2)是日側(cè)結(jié)果.與圖1和圖2類似,圖3中的黑色散點(diǎn)為穿刺點(diǎn)所在網(wǎng)格的觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn),紅色圓點(diǎn)代表這些觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的中位值.同樣,在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中只使用了甚低頻臺(tái)站完整工作月份的數(shù)據(jù).

第25個(gè)太陽(yáng)周期從2019年12月開(kāi)始,2019—2022年整體太陽(yáng)活動(dòng)處于較低的水平,地磁活動(dòng)較弱,但圖3顯示當(dāng)AE>300 nT時(shí)仍有足夠的觀測(cè)數(shù)據(jù)以評(píng)估人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)與地磁活動(dòng)水平的關(guān)系.從圖3左側(cè)(a1—j1)可以看出,在夜側(cè),人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)的總電場(chǎng)功率譜密度并無(wú)隨地磁活動(dòng)水平的增加而出現(xiàn)增大或減小的趨勢(shì),對(duì)地磁活動(dòng)水平的依賴性較弱.圖3右側(cè)(a2—j2)顯示,在日側(cè),人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)的強(qiáng)度同樣與地磁活動(dòng)水平無(wú)明顯關(guān)系.Meredith等(2019)和項(xiàng)正等(2021)基于范艾倫衛(wèi)星數(shù)據(jù)的研究結(jié)果也顯示,人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)的幅度與AE指數(shù)的相關(guān)性很小.Cohen和Inan(2012)在分析DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí),使用Kp指數(shù)表征地磁活動(dòng)水平,其研究結(jié)果顯示無(wú)論是在甚低頻臺(tái)站上空還是其共軛區(qū),人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)的強(qiáng)弱對(duì)地磁活動(dòng)水平的依賴性很小.由于DEMETER衛(wèi)星采樣率較低,無(wú)法分析NAA、NLK和NML臺(tái)站的信號(hào)特征,這些甚低頻臺(tái)站的緯度較高,因此Cohen和Inan(2012)指出,他們的研究結(jié)論僅適用于中低緯度的甚低頻臺(tái)站.對(duì)于緯度較高的臺(tái)站,本文基于張衡一號(hào)衛(wèi)星的分析結(jié)果顯示,其在電離層激發(fā)的信號(hào)強(qiáng)弱與地磁活動(dòng)水平同樣無(wú)明顯關(guān)系(圖3h1—j1、圖3h2—j2).

(3) 人工甚低頻臺(tái)站共軛區(qū)信號(hào)分布特征

人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)沿著磁力線穿透電離層后,會(huì)以導(dǎo)管或者非導(dǎo)管模式傳播到共軛半球.學(xué)者們根據(jù)共軛半球的信號(hào)特征判斷人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)的傳播模式,如Clilverd等(2008)根據(jù)DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)到的人工甚低頻信號(hào)共軛增強(qiáng)區(qū)域與1/2赤道電子回旋頻率(fce)對(duì)應(yīng)L值的位置關(guān)系來(lái)判斷信號(hào)的傳播模式.而B(niǎo)ortnik等(2006a,b)的理論模擬指出,非導(dǎo)管模式傳播的波在向共軛半球傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生極向漂移.本節(jié)基于張衡一號(hào)衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果,分析臺(tái)站共軛區(qū)人工甚低頻信號(hào)特征.

由于日側(cè)赤道區(qū)域數(shù)據(jù)被污染,影響低緯度臺(tái)站的分析,這里只分析夜側(cè)數(shù)據(jù).根據(jù)表2中臺(tái)站信號(hào)的輻射半徑,以輻射半徑內(nèi)總電場(chǎng)功率譜密度的最小值作為閾值,確定共軛區(qū)電場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)域,結(jié)果如圖4所示,黑色虛線包圍的區(qū)域?yàn)榕_(tái)站上空及共軛半球的電場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)域.圖中橫縱坐標(biāo)分別是地理經(jīng)度和地理緯度,黑色五角星為甚低頻臺(tái)站及其共軛點(diǎn)的位置,白色圓點(diǎn)為臺(tái)站及其共軛點(diǎn)所在磁力線在張衡一號(hào)衛(wèi)星高度上的穿刺點(diǎn).黑色實(shí)線為L(zhǎng)=1.5等值線,藍(lán)色和玫紅色實(shí)線分別為人工甚低頻信號(hào)頻率等于1/3fce和1/2fce時(shí)所對(duì)應(yīng)的L等值線.

圖4 人工甚低頻臺(tái)站及其共軛區(qū)上空總電場(chǎng)功率譜平面圖Fig.4 The electric field radiation pattern from the VLF transmitters at both the overhead and geomagnetic conjugate region

圖4顯示,在人工甚低頻臺(tái)站上空,電場(chǎng)增強(qiáng)呈現(xiàn)近圓形分布,且存在明顯的波模干涉現(xiàn)象,在總電場(chǎng)功率譜密度平面圖上,表現(xiàn)為在距離臺(tái)站較遠(yuǎn)的地方有信號(hào)減弱帶和增強(qiáng)帶交替出現(xiàn)的現(xiàn)象,發(fā)射功率較大的NWC臺(tái)站(圖4c南半球)和NAA臺(tái)站(圖4h北半球)上空這種現(xiàn)象更明顯.而共軛半球的電場(chǎng)幅度及信號(hào)輻射范圍較甚低頻臺(tái)站上空有明顯的減小,這是因?yàn)殡姴◤呐_(tái)站上空向共軛區(qū)傳播的過(guò)程中,會(huì)發(fā)生朗道共振,使電波能量有所減少.需要注意的是,共軛半球電場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)域的中心并不是甚低頻臺(tái)站的共軛點(diǎn)(共軛半球黑色五角星)或者共軛穿刺點(diǎn)(共軛半球白色圓點(diǎn)).對(duì)于L值較高的DHO38、GQD、NAA、NLK和NML臺(tái)站(L值分別為2.39、2.66、2.86、2.89和3.26),共軛增強(qiáng)區(qū)域相對(duì)共軛穿刺點(diǎn)存在赤道向漂移現(xiàn)象,而對(duì)于L值較低的NPM、JJI、NWC、ICV和FTA2臺(tái)站(L值分別為1.17、1.24、1.43、1.51和1.95),共軛增強(qiáng)區(qū)域相對(duì)共軛穿刺點(diǎn)存在極向漂移現(xiàn)象.

Thorne和Horne(1996)的理論模擬結(jié)果表明當(dāng)電波頻率接近1/3fce時(shí),電波會(huì)與電子發(fā)生回旋共振,導(dǎo)致電波能量衰減,因此在共軛半球L大于1/3fce磁殼的區(qū)域,電波信號(hào)較弱.參考Thorne和Horne(1996)的工作,本文將1/3fce對(duì)應(yīng)的磁殼值作為一個(gè)參考閾值分析人工甚低頻臺(tái)站共軛區(qū)域的信號(hào)特征.圖4顯示,除了NAA臺(tái)站,其他臺(tái)站的共軛增強(qiáng)現(xiàn)象均分布在L小于1/3fce磁殼(圖4中的藍(lán)色等值線)的區(qū)域內(nèi),這與Thorne和Horne(1996)的理論分析相吻合.而對(duì)于NAA臺(tái)站,雖然在L大于1/3fce磁殼(L=2.29)的區(qū)域內(nèi),仍有電場(chǎng)增強(qiáng)現(xiàn)象,但幾乎所有的電波能量被限制在1/2fce對(duì)應(yīng)的磁殼(L=2.63,圖4h中的玫紅色等值線)內(nèi),而且共軛半球的電波能量主要集中在L<2區(qū)域,L>2時(shí),信號(hào)減弱,這與前人的觀測(cè)結(jié)果一致(Clilverd and Horne, 1996; Clilverd et al., 2000; Saxton and Smith, 1989).

此外,圖4顯示,甚低頻臺(tái)站共軛半球增強(qiáng)區(qū)域中心相對(duì)共軛穿刺點(diǎn)有一定程度的東向或西向偏移,對(duì)于緯度較高的NAA、NLK和NML臺(tái)站,其共軛半球增強(qiáng)區(qū)域的經(jīng)度分布范圍較大,電波能量被限制在較窄的L帶寬內(nèi),呈現(xiàn)帶狀分布特征,這是不同臺(tái)站上空,電離層電子密度梯度不同導(dǎo)致的,電離層電子密度梯度對(duì)于人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)在共軛區(qū)的經(jīng)度展布具有重要影響(Clilverd et al., 1992a,b).

3 討論

(1) 人工甚低頻臺(tái)站的發(fā)射功率

表2顯示,NLK臺(tái)站和NML臺(tái)站的信號(hào)輻射范圍一致,NML臺(tái)站的總電場(chǎng)功率譜密度低于NLK臺(tái)站,結(jié)合兩個(gè)臺(tái)站的地理位置,NML臺(tái)站的發(fā)射功率應(yīng)該不大于NLK臺(tái)站,由于Meredith等(2019)和Zhang等(2018)兩個(gè)文獻(xiàn)提供的NLK臺(tái)站發(fā)射功率都是250 kW,基于張衡一號(hào)衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果,NML臺(tái)站的發(fā)射功率應(yīng)該更接近于Meredith等(2019)提供的250 kW.此外,圖4顯示,DHO38臺(tái)站的信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)輻射范圍均大于GQD臺(tái)站,由于這兩個(gè)臺(tái)站地理位置相近,對(duì)應(yīng)的電離層背景等離子體條件相差應(yīng)該不大,因此DHO38臺(tái)站的發(fā)射功率應(yīng)該大于GQD臺(tái)站,更接近于Meredith等(2019)提供的300 kW和100 kW.雖然NWC臺(tái)站和NAA臺(tái)站的發(fā)射功率相同,但圖4顯示,兩個(gè)臺(tái)站在電離層中激發(fā)的信號(hào)幅度和影響范圍不同,NWC臺(tái)站信號(hào)強(qiáng)度更高、輻射范圍更大,這是由于這兩個(gè)臺(tái)站所處地理位置不同,當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)以及臺(tái)站上空電離層條件不同造成的.

以上關(guān)于人工甚低頻臺(tái)站發(fā)射功率的估計(jì)是基于張衡一號(hào)衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的討論,由于臺(tái)站地理位置不同,各臺(tái)站電離層條件不同,因此甚低頻信號(hào)輻射范圍和強(qiáng)度不能絕對(duì)反映臺(tái)站的發(fā)射功率,如果想對(duì)臺(tái)站的發(fā)射功率和輻射效率進(jìn)行精確估計(jì),需要結(jié)合多圈層電波耦合模型進(jìn)行理論模擬,這超出了本文的研究范圍.

(2) ICV臺(tái)站信號(hào)的輻射范圍

(3) 多衛(wèi)星電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析

圖5 NWC甚低頻臺(tái)站上空不同衛(wèi)星觀測(cè)的電場(chǎng)功率譜密度隨緯度的變化曲線Fig.5 The electric power spectral density curve observed by three different satellites at the overhead region of NWC transmitter

(4) 人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)的傳播特性

人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)的傳播模式對(duì)波粒相互作用具有重要影響,導(dǎo)管傳播的波主要與幾十～幾百keV的能量電子發(fā)生一階回旋共振,而非導(dǎo)管傳播的波則與更高赤道投擲角的電子發(fā)生朗道共振或高階回旋共振,影響的電子能量范圍也更高.關(guān)于電波的傳播模式,最直觀的分析手段是基于三分量波形數(shù)據(jù)進(jìn)行波矢量分析(Gu et al., 2021; Němec et al., 2022),然而由于采樣率太高,目前大部分衛(wèi)星未提供VLF頻段三分量電場(chǎng)波形數(shù)據(jù),學(xué)者們通常基于電波功率譜平面分布特征討論波的傳播特性.

前人基于長(zhǎng)期的地基觀測(cè)數(shù)據(jù)指出,導(dǎo)管模式傳播的甚低頻波能量會(huì)被限制在一定磁殼范圍內(nèi),下閾值是L=1.5(Andrews,1978; Thomson, 1987; Clilverd and Horne, 1996),上閾值是1/2fce對(duì)應(yīng)的磁殼值(Smith et al., 1960; Smith, 1961; Strangeways, 1981).基于前人關(guān)于人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)傳播模式的經(jīng)驗(yàn)推論,圖4a、b顯示,NPM臺(tái)站和JJI臺(tái)站共軛半球的信號(hào)能量都被限制在L=1.5以下,說(shuō)明這兩個(gè)臺(tái)站的信號(hào)應(yīng)該是非導(dǎo)管模式傳播,此外對(duì)于NPM和JJI臺(tái)站,在近赤道區(qū)域也存在電場(chǎng)增強(qiáng)現(xiàn)象,這表明低L值的甚低頻電波信號(hào)傳播路徑和張衡一號(hào)衛(wèi)星的飛行軌跡有一定的交叉,也證明了這些臺(tái)站的信號(hào)是非導(dǎo)管模式傳播.GQD、NAA、NLK和NML四個(gè)臺(tái)站共軛半球的信號(hào)幾乎全部分布在L=1.5和1/2fce對(duì)應(yīng)的磁殼值(分別為2.45、2.29、2.27和2.27)范圍內(nèi),因此,這個(gè)四個(gè)臺(tái)站信號(hào)主要以導(dǎo)管模式進(jìn)行傳播.而NWC、ICV、FTA2和DHO38四個(gè)臺(tái)站共軛半球的信號(hào)在L=1.5上下都有分布,說(shuō)明這四個(gè)臺(tái)站信號(hào)既有以導(dǎo)管模式傳播,也有以非導(dǎo)管模式傳播.本文的觀測(cè)結(jié)果印證了低L值的人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)主要是非導(dǎo)管模式傳播,而高L值的人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)主要是導(dǎo)管模式傳播(Clilverd et al., 2008).而中緯度地區(qū),導(dǎo)管和非導(dǎo)管傳播模式并存,與Gu等(2021)和Němec等(2022)對(duì)分布于L=1.8～2.7之間的三個(gè)人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)的波矢特性分析結(jié)果一致.

4 結(jié)論

本文基于張衡一號(hào)衛(wèi)星2019—2022年的三分量電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)分析了10個(gè)分布于不同L區(qū)域的人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)在電離層中的時(shí)空分布特性,獲得的主要結(jié)論如下:

(1) 人工甚低頻臺(tái)站會(huì)在臺(tái)站上空及其共軛區(qū)域激發(fā)電場(chǎng)增強(qiáng)現(xiàn)象,臺(tái)站上空信號(hào)呈現(xiàn)近圓形分布,存在波模干涉效應(yīng),人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)的幅度及輻射半徑不僅與臺(tái)站的發(fā)射功率呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系,還與臺(tái)站的地理位置有關(guān).

(2) 受電離層等離子體條件的影響,電離層人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)會(huì)呈現(xiàn)明顯的晝夜差異和季變規(guī)律.日側(cè)電離層電子密度更大,導(dǎo)致日側(cè)人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)的幅度比夜側(cè)小一個(gè)量級(jí),信號(hào)輻射范圍較夜側(cè)減小了近70%.而當(dāng)?shù)叵募?日照更強(qiáng),電離層電子密度更大,因此人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)幅度在當(dāng)?shù)叵募咀畹?而在當(dāng)?shù)囟咀畲?這種季變規(guī)律在日側(cè)更明顯.

(3) 無(wú)論甚低頻臺(tái)站處于低緯還是高緯地區(qū),人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)幅度與地磁活動(dòng)水平相關(guān)性較弱,表明電離層中人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)受地磁活動(dòng)影響較弱.

(4) 人工甚低頻臺(tái)站信號(hào)的傳播模式與臺(tái)站所處位置有關(guān),低L值(L<1.4)的臺(tái)站信號(hào)主要以非導(dǎo)管模式傳播,高L值(L>2.6)的臺(tái)站信號(hào)主要以導(dǎo)管模式傳播,而處于中間位置的臺(tái)站兼有導(dǎo)管和非導(dǎo)管傳播模式.