2017年9月磁暴期間電離層TEC變化分析

李涌濤,李建文,龐鵬,劉德智,李婧

(1.信息工程大學 地理空間信息學院,河南 鄭州 450001;2.西安測繪總站,陜西 西安 710054)

0 引 言

電離層是距離地球60～1000 km的高層大氣受太陽高能輻射以及宇宙射線的激勵而電離形成的,因此電離層總電子含量(TEC)的變化很大程度上受到太陽活動的影響[1]。電離層除受太陽活動(如太陽耀斑、太陽黑子、太陽質子事件等)的影響外還受地磁場等條件的影響,并隨之表現出不同的變化特性。電離層是空間環境研究的重要對象之一,它與人類生產、生活等息息相關。TEC是描述電離層形態和結構的重要參數,電離層TEC的異常變化會對地空無線電通信、衛星導航定位、雷達等無線電信息系統電波信號傳播產生重要影響[2-3]。地磁暴是全球性地球磁場劇烈擾動的現象,發生強地磁暴時,會導致地球低軌道大氣密度的急劇增大,對衛星的拖曳效應迅速上升,引起衛星軌道的快速衰減;地磁暴及其后數天,可能引發高能電子暴,高軌衛星的深層充電效應概率增大;可能發生電離層暴,引起全球導航定位精度下降。全球導航衛星的發展和廣泛應用為探測、研究電離層帶來了革命性的變化,利用GNSS信號經過電離層時發生折射效應從而導出電離層總電子含量TEC[4],并利用GNSS全球跟蹤站長期觀測數據探測電離層TEC變化具有全球覆蓋、數據連續、時空分辨率和測量精度高、運行方便等顯著優勢[3]。GNSS信號在經過電離層時發生延遲,從而產生測距誤差,因此研究分析太陽活動、磁暴對TEC的影響[1]及TEC的變化規律對提高導航系統定位和導航精度具有十分重要的意義[5-6]。

本文利用國際GNSS監測評估系統(iGMAS)分析中心解算的全球電離層TEC格網數據(GIM),iGMAS網址為:http://www.igmas.org/,分析了2017年9月6日太陽爆發X9.3級特大耀斑后引發的磁暴對全球電離層TEC變化的影響,以及全球不同緯度帶TEC與磁暴Dst指數的相關關系和變化特性。

1 數據來源

選取全球均勻分布的177個GNSS跟蹤站的觀測數據,采樣率為30 s,衛星截止高度角為10°,觀測量為L4非差無幾何線性組合相位平滑偽距,采用15階15次的球諧函數建立全球性的VTEC模型,球諧函數模型具體形式如公式(1)所示:

(1)

利用以上公式生成450 km高度,采樣間隔1 h,經度差為5°和緯度差為2.5°的每天24幅全球電離層TEC格網數據(GIM),精度為8 TECU(電離層TEC單位,1TECU=1016/m2),足以滿足實驗精度要求。

本文地磁數據采用中國科學院國家空間科學中心(NSSC)空間環境預報中心(SEPC)提供的Dst指數數據。

2 數據分析

太陽耀斑爆發經常向行星際空間噴射等離子體云,其徑向速度達100～500 km/s,經過1.5～3天到達地球附近,與地磁場作用引起磁暴[7],2017年9月6日11:53 UTC太陽爆發X9.3級特大耀斑,13 h后發生地磁暴,39 h后磁暴主相達到峰值,取耀斑爆發后到磁暴恢復相之間即9月6日(DOY 249)12:00 UTC至9月9日(DOY 252)24:00 UTC之間85 h數據的TEC數據(如圖1所示)和Dst指數(如圖2所示)進行分析,其中TEC數據采用每天24幅GIM數據計算電離層TEC平均值,采樣間隔為1 h.

磁暴環電流指數(Dst指數)是在地球赤道附近,按大致均勻的經度間隔選取四個地磁臺站,取這四個臺站每小時地磁水平強度變化的平均值,單位為納特斯拉(nT)[8]。磁暴時地磁水平分量H變化最大,最能代表磁暴過程特點,磁暴的大部分形態學和統計學特征是依據中低緯度H分量的變化得到的。典型磁暴的發展過程也是按照H分量的變化來劃分的,通常可分為三個階段:初相、主相和恢復相[8]。

磁暴開始發生的典型特征是水平分量H突然正向增大,稱為磁暴急始(SSC),磁暴發生后,在一段時間內磁場沒有明顯起伏變化,稱為初相。在初相后,水平分量H大幅度下降,直到最低值,并伴隨著劇烈擾動,即為主相[10]。磁暴的主要特點反映在主相期間,主相的最低點幅度是衡量磁暴大小的標準[9],其值逐漸減小表示磁擾幅度逐漸增大。主相后磁場較弱,逐漸恢復至正常水平,稱為恢復相[10]。由圖2可知13-34 h為初相,34-39 h為主相,39-85 h為恢復相。

兩個變量的相關系數r,當0.3<|r|≤0.5時,表示兩個變量低度相關;當0.5<|r|≤0.8時,表示兩個變量顯著相關;當0.8<|r|≤1時,表示兩個變量高度相關;當|r|=1時,表示兩個變量完全相關[11];

初相13-34 h期間Dst指數與TEC相關系數為-0.579 0,表現為顯著負相關性;主相39-85 h期間Dst指數與TEC相關系數為-0.960 5,Dst指數與延后1 h的TEC相關系數為-0.999 7,表現出非常強的負相關性,此過程中TEC迅速增大3.3 TECU,達到峰值后5 h內迅速減小4.5 TECU,表明磁暴主相期間H分量的變化引起了TEC的劇烈變化,且變化幅度較大。在恢復相39-85 h期間,TEC變化趨于穩定,Dst指數與TEC相關系數為-0.8561,50-85 h期間Dst指數與TEC相關系數為-0.9589,表現出了非常強的負相關性。從初相到恢復相整個磁暴過程中Dst指數與TEC變化總體呈現強相關性,兩者整體變化一致,因此可以認為磁暴的變化對TEC的變化產生了重大的影響。從相關系數分析,磁暴對TEC變化的影響主要是在主相階段和恢復相階段,并且主相期間的影響比恢復相期間更大。電離層和磁層之間通過許多不同的途徑相互耦合在一起,幾乎在磁層中發生的每一個過程都會對電離層造成影響,而在電離層中發生的過程也都可以在磁層中有所反應[12]。并且從圖1和圖2的圖型上可以看出極強的對稱性,因此可以認為在磁暴期間TEC的變化也能間接反映出磁暴的發生和磁場的變化。

按緯度劃分低緯度帶(0°～30°),中緯度帶(30°～60°),高緯度帶(60°～90°)統計各緯度帶的1 h采樣間隔的TEC平均值,主相和恢復相34-85 h期間各緯度帶TEC如圖3所示。

從圖中可看出主相34-39 h期間Dst達到峰值時(第39 h, DOY 251 02:00 UTC),高緯度帶TEC也達到峰值,即高緯帶上TEC隨磁暴Dst指數同時發生變化,1 h后(第40 h,DOY 251 03:00 UTC)中緯度帶TEC達到峰值,再1 h后(第41h, DOY 251 04:00 UTC)低緯度帶TEC達到峰值,并在恢復相開始5 h后(第44 h,DOY 251 07:00 UTC)不同緯度帶TEC變化時延消失,變化也趨于一致。從而也解釋了不分緯度帶時全球1 h采樣間隔的TEC平均值與Dst指數存在1 h時延。說明磁暴對不同緯度帶的影響不是同步的,而是從高緯到低緯的順序,由不同緯度帶TEC隨磁暴整體變化一致,說明磁暴在不同緯度帶的影響機制相同。其中可能的原因是日冕物質拋射(CME)引發磁暴,尤其是中等以上非重現性地磁暴的主要起因[9],當磁暴或者亞暴時,在磁尾的能量會通過場向電流、粒子沉降和對流電場等方式向地球兩極傳輸,產生極光,引起電離層暴[13],從而導致TEC變化異常。

統計磁暴不同階段Dst指數與TEC相關系數如表1所示。

表1 Dst指數與TEC相關系數

由表1分析可知磁暴主相階段對高緯度帶TEC的影響最大,其次是中緯度帶,最后是低緯度帶,可能的原因是磁暴對電離層的影響由高緯至低緯的順序時延造成了微小的相關性差異。

如圖3顯示磁暴期間同一時刻不同緯度帶TEC不同,高緯4～9 TECU,中緯6～14 TECU,低緯16～27 TECU,低緯明顯高于中緯和高緯,并不能說明磁暴對低緯TEC影響最大,這是因為在低緯地區太陽輻射能量比中緯、高緯大很多,同時在低緯地區存在赤道異常現象,即高度電子濃度的分布和峰值電子濃度在地磁赤道上空有極小值,在地磁赤道南北緯度15°～20°區域的兩側上空出現極大值,形成雙峰分布[14-15]。即使不發生磁暴赤道異常現象也存在,圖4示出了主相開始之后的15 h全球電離層TEC圖(DOY 250 21:00UTC-DOY 251 11:00UTC,對應圖1中34-48 h)。DOY 251 01:00-05:00UTC,當Dst指數達到峰值后一小時(DOY 251 03:00UTC)全球TEC達到最大值,且Dst指數峰值前后表現出明顯的赤道異常現象,如圖4所示。

恢復相從DOY 251 02:00UTC開始后一直延續幾天,在這段期間磁暴逐漸恢復平靜水平,由圖4所示,從DOY 251 02:00UTC后數小時內(由于篇幅所限,僅展示至DOY251 08:00UTC的TEC圖)隨磁暴減弱,TEC逐漸減少并趨于穩定,沒有較大的變化和起伏。

在恢復相后期DOY 251 20:00-23:00UTC四小時期間,對應圖1和圖2中的57-60 h,圖1中TEC小時均值與圖2中的Dst指數變化平穩,說明期間沒有發生磁暴起伏擾動,但是在低緯度帶出現大面積的TEC增大現象,且TEC最大值比磁暴最劇烈時高5.5 TECU,如圖5所示,從圖例看即高出了一個色度,可能是因為磁暴恢復相期間的某種特性變化引起的這種變化,具體原因尚不明確,有待進一步分析研究。

3 結束語

本文基于2017年9月發生的X9.3級特大耀斑并在之后引發的磁暴等活動,利用GIM的小時數據與磁暴期間初相、主相和恢復相三個階段的Dst指數進行相關性分析,重點分析了磁暴期間不同緯度帶電離層TEC的變化情況,結果表明:1) 此次太陽耀斑爆發13 h后引發磁暴,磁暴對TEC變化影響顯著,主相和恢復相階段Dst指數與TEC具有很強的相關性,主相階段Dst指數與時延1 h的TEC相關系數為-0.999 7,表現出完全負相關性,且磁暴對電離層TEC的影響時延約為1 h;2) 磁暴強度決定了TEC的變化程度,在磁暴主相階段TEC迅速增加,影響也最大,恢復相階段TEC隨磁暴減弱逐漸減小,變化趨于穩定,在主相和恢復相階段Dst指數與TEC變化總體呈強相關性,兩者整體變化一致,在此次磁暴中可用TEC間接描述磁暴的變化水平;3) 磁暴期間對全球不同緯度帶電離層變化趨于一致,磁暴對TEC變化影響機制在不同緯度帶相同,影響程度大小由高緯至低緯逐漸遞減;4) 磁暴對電離層的影響并非全球同步,而是從高緯到低緯逐漸影響,此次磁暴對TEC高緯到低緯的影響時延約為2 h,并在磁暴的恢復相階段時延逐漸消失。磁暴與電離層TEC變化關系密切,磁暴恢復相后期幾小時內,低緯度TEC的劇烈變化原因還有待進一步分析研究。

致謝: 感謝信息工程大學iGMAS分析中心和中國科學院空間環境預報中心給予的幫助和支持。