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(yàn)課程觀的地理課題探索

程 達(dá) 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(yàn)課程觀的地理課題探索

程 達(dá) 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(shí)，但往往缺乏論證和實(shí)踐的機(jī)會(huì)。本課題組搭建了電離層VLF信號(hào)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(shí)證支撐。

經(jīng)驗(yàn)課程觀；SID監(jiān)測儀；日食；電離層

“經(jīng)驗(yàn)課程觀”注重學(xué)生“個(gè)體經(jīng)驗(yàn)的實(shí)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(shí)”，而且應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生開展“課題研究”等實(shí)踐活動(dòng)。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(gè)核心知識(shí)點(diǎn)，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(jìn)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(shí)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(jìn)學(xué)生對“知識(shí)與技能”的理解，對“過程與方法”的熟悉，和個(gè)體

情感、態(tài)度與價(jià)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(gè)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(dāng)太陽向地球發(fā)出的X射線和遠(yuǎn)紫外線等能量發(fā)生變化時(shí)，或者太陽向地球噴射等離子態(tài)的日冕物質(zhì)拋射物時(shí)，電離層在層數(shù)和狀態(tài)等方面都會(huì)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(shí)偏振面的旋轉(zhuǎn)角、電波速度和方向的變化等間接計(jì)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(gè)觀測臺(tái)站得到的時(shí)延與信號(hào)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(gè)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(jì)算機(jī)等三個(gè)部分。其中，SID監(jiān)測儀由美國斯坦福大學(xué)研制并提供，計(jì)算機(jī)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(gè)天線。將天線與SID監(jiān)測儀連接，再將SID監(jiān)測儀與計(jì)算機(jī)連接，這樣整個(gè)接收系統(tǒng)就搭建完畢了。在適當(dāng)調(diào)試之后，系統(tǒng)便可以正常運(yùn)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(shí)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(hào)強(qiáng)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?yàn)镾ID監(jiān)測儀本質(zhì)上是一臺(tái)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(hào)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(dá)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(hào)主要受電離層性質(zhì)的影響而發(fā)生強(qiáng)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(qiáng)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(shí)恢復(fù)正常。總電子含量的減少，會(huì)導(dǎo)致電離層D層的減弱，進(jìn)而使得VLF信號(hào)在穿越D層時(shí)的衰減減少，到達(dá)地面被監(jiān)測儀接收到的信號(hào)就增強(qiáng)；而在食甚之后的生光階段，太陽能量增強(qiáng)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(qiáng)，監(jiān)測儀接收到的VLF信號(hào)強(qiáng)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(yàn)證

在對日食的電離層效應(yīng)研究正式開始前，為驗(yàn)證太陽能量強(qiáng)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(jī)挑選了5個(gè)不同時(shí)間、不同地點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)圖表，進(jìn)行了驗(yàn)證分析。首先，需要在監(jiān)測圖表中分辨出VLF信號(hào)開始增強(qiáng)和開始減弱的時(shí)間段。逐漸增強(qiáng)的信號(hào)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(hào)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(diǎn)對應(yīng)的世界時(shí)間（格林尼治時(shí)間）記錄下來。第三，根據(jù)數(shù)據(jù)圖表右上側(cè)的編號(hào)確定該監(jiān)測站所在的位置，并將步驟二中記錄的世界時(shí)間換算為當(dāng)?shù)貢r(shí)間（區(qū)時(shí)或地方時(shí)）。最后，通過網(wǎng)絡(luò)在線“日出日落時(shí)間查詢”的方式查詢當(dāng)日、當(dāng)?shù)氐娜粘觥⑷章鋾r(shí)間。

課題組選取了2007年3月19日美國Jim Creek海軍電臺(tái)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(diǎn)，并用圓圈標(biāo)記。其中，左側(cè)的圓圈表示日落，時(shí)間約為世界時(shí)1:40；右側(cè)的圓圈表示日出，時(shí)間約為世界時(shí)13:30。經(jīng)數(shù)據(jù)庫監(jiān)視器查詢（見圖4）得知，編號(hào)“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(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度為-111.822°、41.720°，當(dāng)?shù)氐胤綍r(shí)與世界時(shí)間約相差（-7.5）小時(shí)，即太陽日落、日出的當(dāng)?shù)貢r(shí)間約為18:10、6:00。經(jīng)在線“日出日落時(shí)間查詢”驗(yàn)證，當(dāng)?shù)亍?dāng)日的日出日落時(shí)間確實(shí)約為地方時(shí)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(tái)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(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)圖表進(jìn)行了驗(yàn)證分析，驗(yàn)證結(jié)果顯示：夜晚的數(shù)據(jù)信號(hào)強(qiáng)度不僅普遍高于白天，而且波形的振幅也遠(yuǎn)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(hào)強(qiáng)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(diǎn)。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(dāng)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(huì)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(dāng)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(dāng)?shù)爻跆潯⑹成鹾蛷?fù)圓的時(shí)間約為當(dāng)?shù)貢r(shí)間5:18、6:10、7:22，換算為世界時(shí)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(hào)強(qiáng)度在初虧開始后迅速增強(qiáng)，反映了太陽被月球遮擋導(dǎo)致抵達(dá)地球的能量急劇下降；在食甚前后，信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到峰值；此后，信號(hào)強(qiáng)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(hào)強(qiáng)度的干擾，課題組將當(dāng)天的耀斑歷史記錄疊加在電離層信號(hào)上，制作成了圖7。不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天太陽未爆發(fā)X級別的強(qiáng)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(dòng)對電離層信號(hào)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(dòng)對地球的影響”相關(guān)知識(shí)后，普遍產(chǎn)生有親自驗(yàn)證甚至探究背后機(jī)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(dòng)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(jìn)行了驗(yàn)證，并重點(diǎn)就近五年來日食的電離層效應(yīng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)、分析，為該領(lǐng)域的相關(guān)理論提供了有益的實(shí)證支撐。

未來，課題組將進(jìn)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(shí)證支撐，而且在空間天氣監(jiān)測及預(yù)報(bào)方面建設(shè)自己的站點(diǎn)。

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