極區電離層在磁坐標系下的世界時變化特征研究

武業文 劉瑞源 張北辰 胡紅橋 慈穎 姜明波 呂建永

研究論文

極區電離層在磁坐標系下的世界時變化特征研究

武業文1劉瑞源2張北辰2胡紅橋2慈穎3姜明波4呂建永1

(1南京信息工程大學數學與統計學院, 空間天氣研究所, 江蘇 南京 210044;2中國極地研究中心, 極地科學重點實驗室, 上海 200136;3北京跟蹤與通信技術研究所, 北京 100089;4北京應用氣象研究所, 北京 100000)

利用太陽活動低年2007—2010共計4年的COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate satellite)掩星觀測數據, 在修正地磁緯度-磁地方時標系下(地磁坐標系), 計算了極區電離層平均電子含量(mPEC)表征極區電離層的世界時(UT)變化特征。結果表明地磁坐標系下南北極區電離層UT變化特征明顯, 主要是由于極區的太陽光致電離區域隨UT變化所致。以mPEC表征的極區電離層電子密度UT變化規律呈正余弦型, 在南北極約有12小時的相位差; 南極的UT變化強度要大于北極, 約是北極的2~3倍, 這些特征主要歸因于地理軸與地磁軸的夾角在南極大于北極。通過與地理緯度-地方時坐標系下mPEC的UT變化特征對比, 發現地磁坐標系下的UT變化強度更大, 原因是地磁坐標系下極區電離層的UT變化是太陽光致電離疊加水平輸運調制共同作用的結果, 而地理坐標系下極區電離層UT變化主要由水平輸運產生。

極區電離層 總電子含量 世界時變化 水平輸運

0 引言

電離層的世界時(UT)變化, 通常將其定義為電離層參數在某一固定緯度不同經度的均值的日變化[1]。它是一種真實存在的電離層特征, 在電離層數值模擬及建立經驗模型時都必須予以考慮[2], 而且它在研究電離層中物理與化學過程、電離層與其他圈層耦合關系等方向都是十分重要的[2-3]。

極區電離層與磁層在地球磁場位形的影響下強烈地耦合在一起, 使得極區電離層電子密度除了受太陽光致電離的影響之外, 還受水平輸運、粒子沉降這兩個物理過程的影響, 因此極區電離層具有很多中低緯電離層不具有的一些特征, 如 “磁中午異常”現象[4-7]、E層占優電離層[8-9]、極區等離子體云塊[10-11]等, 同時極區電離層的UT變化特征也格外顯著[12-15]。

在極區電離層UT變化的研究中, 最早是在分析極區測高儀數據時發現: 在南極的某些地區, 電離層foF2的最大值通常不出現在地方時正午以后, 而是在6UT左右; 其他臺站即使最大值出現在午后約2點, 但在6UT附近依然會存在一個明顯的次峰結構。說明南極地區電離層foF2存在較強的“世界時控制(universal control)”[12], 并將其歸因于地理軸與地磁軸的偏離[12-13]。同時還發現北極地區僅在冬季存在UT變化, 與南極全年均存在該現象不同[12,15]。de la Beaujardière等[16]基于歐洲非相關散射雷達的觀測, 也發現了北極電離層F層電子密度的夜間增強現象存在明顯的UT依賴特征。David等[17]基于2009—2015年的GPS-TEC數據研究極區電離層等立體云塊的出現不僅隨季節變化, 也具有很強的UT分布特征。由于對UT變化的研究需要同緯度的各個時區均有觀測數據[2], 因此, 受限于觀測數據, 早期極區電離層的UT變化都是一種UT效應, 并不是嚴格的UT變化的定義。基于物理模式也開展了很多相關研究[2-3,18-19], 模型結果都顯示了極區電離層電子密度存在明顯的UT效應, 而且結合物理模式討論了行星際磁場對極區電離層的UT變化的調制作用[18]、極區電離層主要電子密度源在地磁坐標系下對極區電離層的貢獻跟臺站具體位置和UT有關[3]。不過, 基于模型對極區電離層UT變化的研究存在著輸入模型的準確性及適用性問題[3,19]。因此, 在基于物理模型對極區電離層開展UT變化研究時, 也需要進一步提高物理模型的精度。

近期, 隨著GPS等導航系統的建立, 特別是無線電掩星這一觀測技術的應用, 能獲得覆蓋極區的有效觀測數據, 為電離層電子密度的觀測及相關研究開辟了新途徑。近年來, 基于GPS-TEC觀測, 提出了電離層GEC(Global Electron Content)[20-21]、全球平均電離層TEC[22]以及不同緯度帶的平均電離層TEC[23]等參數, 它們通過計算全球的電子含量、某半球或某一緯度帶的電子總含量可以較好地來分析電離層的整體變化特征。借鑒這些參數, Wu等[15]也提出了極區電離層平均電子含量(mPEC)來研究極區電離層的UT變化。文中首次基于觀測定量給出了南北兩極電離層的UT變化強度及相對變化強度的季節分布, 指出南極UT變化強度大于北極, 主要歸因于南極的地理軸與地磁軸分離較大, 導致了水平輸運過程引起的電子密度變化在地理坐標系下的南極更大。

考慮實際的極區物理過程, 模擬研究大多是在修正地磁緯度-磁地方時坐標系(下文簡稱地磁坐標系)下開展的, Wu等[15]僅基于UT變化的定義研究了地理緯度-地方時坐標系(下文簡稱地理坐標系)下的結果, 尚未開展地磁坐標系下極區電離層的UT變化特征研究。同時, 在地理坐標系下極區電離層UT變化主要是由輸運過程引起的, 無法獲得電離層的另一重要影響因素太陽的貢獻, 因為地理坐標系下太陽對電離層電子密度的直接貢獻不隨UT變化。可是太陽的貢獻一直是中低緯電離層的主要電離源, 因此考慮到極區地磁坐標系下的太陽光致電離是隨UT變化的, 本文推廣電離層UT變化的定義, 計算地磁坐標系下的極區電離層mPEC, 進一步深入分析極區電離層UT的特征及其成因, 探討極區電離層電子密度主要影響因素的貢獻, 結合南北極電離層UT變化差異的對比, 加深對極區電離層形成的認知。

1 數據及分析方法

1.1 觀測數據

本文使用的數據為COSMIC掩星在2007—2010年觀測的電離層電子密度數據。無線電掩星技術具有全天候、全球覆蓋、高分辨率等特點, 其精度很高[24-26], 可用于全球電離層的物理研究, 包括在擾動條件下[8-9,27]的應用, 這大大增加了電離層觀測的數據積累, 為電離層電子密度的觀測開辟了新途徑。COSMIC掩星星座由6顆低軌衛星組成, 早期一天可以獲得大約2 000多個大氣垂直剖面數據, 它們可較好地覆蓋極區, 用來深入細致地研究極區電離層[9,28], 包括其UT變化特征[15]。

COSMIC掩星觀測的電離層電子密度剖面數據由COSMIC Data Analysis and Archive Center提供。首先, 本文對這些觀測數據進行了篩選[9,15], 要求:

(1)觀測到的峰值電子密度值要小于1.1×107cm–3, 這一條件等價于掩星點處電離層的臨界頻率小于30 MHz;

(2)峰值電子密度所在的高度要大于90 kｍ;

(3)電離層峰值電子密度以上要有足夠多的觀測反映頂部電離層電子密度的變化, 這里要求一次掩星觀測中, 其最高觀測高度上的電子密度要小于電離層峰值電子密度的五分之一。

然后對觀測到的電子密度剖面進行積分, 獲得電離層TEC。文中先對電離層電子密度剖面按公式(1)進行指數外推至1 000 km高度, 再將電子密度沿高度從觀測最低高度積分至1 000 km, 獲得電離層TEC[9,15]。

式中, h0是一次掩星事件中有電子密度觀測的最高高度, A是高度為h0處的電子密度,()為高度為時的電子密度, 系數c由觀測的頂部電離層電子密度擬合得到。

最后, 確定觀測位置。掩星觀測的地理經緯度以一次觀測反演的電子密度剖面中最大電子密度所在的地理經緯度為準, 即(1)式獲得電離層TEC位置。將這一地理位置采用高度調整的修正地磁模型換算成地磁緯度(Mlat)及磁地方時(MLT)。最終獲得下文所用數據集。

本文使用2007—2010年的COSMIC掩星數據, 經上述篩選之后, 獲得約40萬個電離層TEC數據點。另外, 2007—2010這4年的太陽F107指數均值分別為72.9 SFU、68.8 SFU、70.6 SFU和79.8 SFU; Kp指數的年平均值為1.51、1.45、0.9和1.25。很明顯, 這4年是太陽活動低年, 且地磁活動也較為平靜。結合本文的統計方法, 文中結果主要表征太陽活動低年、地磁活動平靜情況下的極區電離層一般特征。

1.2 分析方法

根據UT變化的定義, 借鑒地理坐標系下極區電離層mPEC的定義, 計算地磁坐標下極區電離層平均電子含量mPEC:

其中, UT為世界時, Si,j與TECi,j,UT分別是網格(i, j)的面積及該網格內UT時的電離層TEC值。文中, 極區是定義為地磁緯度60°以上的高緯地區, 網格的劃分為: 地磁坐標系下, 2.5Mlat×1MLT。電離層TEC值為某UT時對應網格內由COSMIC掩星觀測獲得的電離層TEC的中值。本文分別以南北半球的分日和至日為中心、共計3個月為時長, 將2007—2010年的數據在南極和北極各自劃分4個季節。為保證足夠的數據, 統計時將UT–1、UT、UT＋1這三個時刻的數據統一為UT時刻的數據集。作為例子, 圖1給出了南北極區18UT時COSMIC掩星的觀測數量。在磁緯度約60°~70°的范圍里, 觀測次數大多超過30次, 甚至達到50次以上, 80°以上區域大概有10次左右。在其他季節、其他UT時, 觀測數據量的分布基本同圖1所示。

Fig.1. The number of COSMIC observations at 18UT in winter in the Antarctic (left) and Arctic (right) in geomagnetic coordinates. The red circles show the locations of the geographic poles in each hemisphere, respectively; the white grids indicate no COSMIC observations

2 結果

基于上文的電離層TEC計算及數據劃分方法, 可以得到電離層TEC地圖。圖2作為例子, 給出了南極冬季在0UT、3UT、6UT…, 直到21UT的電離層TEC分布。由圖2可見, 電離層TEC分布呈現明顯的UT變化特征, 特別是在12MLT附近, 電離層TEC從0UT開始逐漸增大, 增大到9UT之后開始減小, 在~18UT達到最小值之后又開始逐漸增大。

圖3作為例子, 給出了北極冬季在0UT、3UT、…、21UT的電離層TEC地圖。北極冬季的電離層TEC也具有明顯的隨UT變化的特征, 只不過是在~18UT前后取得TEC的最大值, 在~3UT取得最小值。電離層TEC在南北極的其他季節也基本與圖2和圖3一致, 均具有明顯的UT變化特征。

為進一步細致研究極區電離層UT變化特征, 用mPEC來表征極區電離層TEC地圖, 進而實現對極區電離層UT變化的定量化研究。圖4是按第1節所述計算出的地磁坐標系下南北極區平均電子含量(mPEC)在4個季節的UT變化, 誤差棒為3倍標準差; 藍色曲線表示南極, 紅色曲線表示北極; 各子圖的粗實線表示mPEC在對應季節的均值。由圖可見 mPEC隨UT的變化趨勢。南北極區的mPEC在地磁坐標系下都存在明顯的UT變化, 呈三角函數的“正弦”形狀, 相位約差12 h(半個周期), 即: mPEC在南極的最大值通常出現在~5UT, 最小值在~16UT; 在北極則是在~18UT出現最大值, 在~5UT出現最小值, 詳見表1。

圖2 南極冬季在0UT、3UT、…、21UT的電離層TEC地圖. 紅點是南極地理軸極點

Fig.2. TEC maps in Antarctic winter for 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, and 21UT, respectively. The red circle is the location of the geographic pole in the southern hemisphere

圖3 北極冬季在0UT、3UT、…、21UT的電離層TEC地圖. 紅點是北極地理軸極點

Fig.3. TEC maps in Arctic winter for 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, and 21UT, respectively. The red circle is the location of the geographic pole in the northern hemisphere

由圖4還可以看到mPEC的均值變化。對同一半球、不同季節: mPEC的均值在夏季最大, 冬季最小, 秋季略大于春季; 對同一季節、不同半球: 在夏、秋兩季節, 南極mPEC的均值要大于北極, 而在春、冬兩季則是北極大于南極。具體數值詳見表1。

基于圖4中mPEC的變化, 計算一個季節內的mPEC的標準差和變異系數來分析mPEC在各季節的UT變化強度。變異系數定義為標準差與平均值的比值。具體的數值結果如表1所示。由表1可以看到, 南極mPEC在春冬兩季UT變化的標準差約為1TECu(1TECu=1016個·m–2), 基本都是北極的2倍, 在夏秋兩季則接近2TECu, 為北極3倍以上。以變異系數(CV: Coefficient of Variation)表征的南極電離層UT變化相對強度在南極的冬季為0.57, 春、夏、秋三個季節依次為0.29、0.20和0.28; 在北極的冬季為0.33, 春、夏、秋三季則分別為0.19、0.11和0.17。南極的CV值在各季節也約是北極的2倍。這些說明了南極地區mPEC的UT變化強度要遠大于北極地區。

3 討論

3.1 極區電離層地磁坐標系下UT變化的原因

圖5是南極地磁坐標系下4UT(左圖)和16UT(右圖)時的電離層TEC的分布圖。圖中的紅色圓圈表示地理軸南極的位置, 陰影部分表示太陽天頂角為負值, 無太陽光照。由圖可見: 4UT時南極極區的電離層TEC要明顯大于16UT, 特別是在日側, 因此按照(2)式計算的電離層mPEC, 在4UT就會大于16UT。而4UT的電離層TEC整體上大于16UT, 主要有以下三個原因。(1)太陽的光照范圍。由圖5可見, 太陽的光照范圍在4UT明顯大于16UT, 因此太陽光致電離產生的電子含量就會增大。(2)輸運過程的調制。太陽光照的原因使得4UT日側的電子濃度顯著增大, 此時水平電場就會輸運更多的等離子體進入高緯的極蓋區, 甚至到達夜側的極光區, 進而引起整個極區電離層電子含量的增加。(3)粒子沉降基本不變。粒子沉降主要集中在極光卵區域。在地磁坐標系下, 極光卵的位形基本不隨UT變化, 且粒子沉降的強度在統計上也不隨UT變化, 不同UT時, 粒子沉降引起的電離層電子密度變化可認為不變。因此, 總的來說, 對于地磁坐標系下極區電離層的UT變化特征, 太陽光致電離起主導作用, 輸運過程在前者的基礎上起次要作用。

圖4 地磁坐標系下南北極區4個季節電離層mPEC的UT變化

Fig.4. The UT variation of the mPEC in four seasons in the Arctic and Antarctic in geomagnetic coordinates

表1 極區mPEC在4個季節的UT變化參數(南半球: SH, 北半球: NH; 表中帶有下劃線的數字為該表格位置處的地理坐標系下mPEC的變化參數[15])

太陽光照范圍的變化, 則主要是因為地磁軸與地理軸的分離。由圖5可見, 4UT時, 地理軸極點位于逆陽方向的最大位置, 而16UT時則是地理軸極點相對于地磁軸向陽的最大位置處, 導致太陽光照范圍的變化。實際上, 通過考察其他UT時刻的電離層TEC分布圖, 可以發現地理軸極點越靠近0MLT, 電離層TEC越大, mPEC也越大。所以在~4UT, 地理軸極點最遠離太陽時mPEC取得最大值, 反之在最靠近太陽的~16UT時mPEC取得最小值。南極的其他季節也是如此。

在北極, 同樣以冬季為例進行說明。圖6是北極冬季5UT(左)和18UT(右)時電離層TEC在地磁坐標系下的分布圖。圖中的紅色圓圈表示地理軸北極的位置, 陰影部分表示無太陽光照范圍。同南極的情況(圖5), 在北極, 地理軸極點最靠近太陽的~5UT時電離層TEC最小, 在地理軸遠離太陽的~18UT時電離層TEC最大。這也是由于在極區, 粒子沉降對電離層的影響基本不隨UT變化, 而太陽光致電離區域隨UT變化, 并導致光致電離及水平輸運過程對極區電子密度的貢獻也隨著UT變化, 在它們的綜合作用下使得極區電離層mPEC出現了明顯的UT變化。

圖5 南極冬季地磁坐標系下4UT(左)和16UT(右)的電離層TEC地圖

Fig.5. The TEC map at 4UT and 16UT in winter in the Antarctic

圖6 北極冬季地磁坐標系下5UT(左)和18UT(右)的電離層TEC地圖

Fig.6. The TEC map at 4UT and 16UT in winter in the Arctic

3.2 南北極UT變化差異的原因

由3.1可知, 因為太陽光致電離范圍在隨UT變化, 同時在輸運過程的調制下, 進一步擴大了太陽光致電離對極區電離層電子密度(mPEC)的貢獻, 從而導致了南北極區電離層具有明顯的UT變化特征。但是, 對比圖4及表1中南極和北極電離層UT變化的趨勢及相關的數據結果可以發現, 南北極區電離層的UT變化特征還存在一些差異。

首先, mPEC表征的南北極電離層UT變化雖然都呈現出類似三角函數的形態, 但是存在約12 h的“相位差”, 即: 南極mPEC取得最大值時, 北極mPEC取得最小值; 南極取得最小值時, 北極取得最大值。這一現象主要是因為地理軸與地磁軸分離, 當一個半球的極區電離層受到最多的太陽光照而產生更多電子的時候, 在另一半球必然會出現該半球的極區受到一天中最少的太陽光照, 從而使得該時刻的極區電離層電子密度最小。因為地理軸與地磁軸兩者是異面的, 再加上輸運過程的調制, 因此, 兩者的相位差不是絕對的12 h (如表1所示)。

其次, 南極的UT變化強度大于北極。從上述的分析可以看出, 極區電離層電子密度UT變化的本質原因是地理軸與地磁軸的分離, 使得地磁坐標系下極區電離層的光致電離范圍隨著UT變化。而地理軸與地磁軸的分離在南極約為15°, 在北極約為7°。很明顯兩個軸在南極的夾角大于北極。這樣就使得南極的電離層電子密度變化更大。從圖2—圖6中都能看到, 在同一個季節, 南極電子密度的最大值要大于北極電子密度的最大值, 南極電子密度的最小值要小于北極電子密度的最小值, 南極的UT變化強度要大于北極。特別是對比圖5和圖6, 可以明顯看出太陽光照范圍隨UT的變化范圍在南極更大, 導致電離層TEC和mPEC為代表的電離層電子含量參數的更大變化。

最后, mPEC的季節均值, 南極在夏秋季大于北極, 北極是在冬春季略大于南極。這一觀測特征可能主要與電離層年度異常有關[15], 但是也可能與中性成分等其他因素有關。這與電離層UT變化無本質關系, 后續會針對這一問題進行進一步探討。

3.3 與地理坐標系下極區UT變化的對比

基于地理坐標系下計算的mPEC, Wu等[15]也研究了極區電離層的UT變化。與之比較, 可以發現, 地理與地磁坐標系下的UT變化都一致地反應出南極的UT變化強度要大于北極的UT變化強度, 這與地理與地磁軸在南極的夾角更大有關; 兩者的相對變化強度, 都是冬季較大, 這與冬季電離層背景值較小、更容易被調制有關。

比較不同坐標系下mPEC的UT變化強度(表1后兩列, 下劃線數字是地理坐標系下的結果), 還可以清楚地看到, 地磁坐標系下的極區電離層UT變化強度明顯大于地理坐標系下的UT變化強度。地理坐標系下的UT變化, 主要是水平電場位置的變化引起輸運進高緯地區的等離子體數量的變化; 而地磁坐標系下的結果則是太陽光致電離范圍的直接變化引起的電子密度的變化, 同時也間接地影響了水平電場輸運進高緯地區等離子數量的變化。雖然兩種坐標系下輸運進極區的等離子體數量變化不一致, 但是近似的可以認為地磁坐標系下的UT變化是兩種物理過程的疊加, 因此就大于了地理坐標系下的UT變化強度。

4 結論

本文基于COSMIC在2007—2010年觀測的電離層電子密度數據, 計算獲得了修正地磁緯度-磁地方時標系下的極區電離層平均電子含量mPEC, 然后基于mPEC研究了南北極區電離層的UT變化特征, 具體如下。

1. 南北極電離層的UT變化明顯, 均呈現出正余弦函數的變化趨勢, 不過兩者相差約12 h。在南極, mPEC取得最大值約在5UT, 最小值約在16UT; 在北極則分別是~18UT和~5UT。

2.南極電離層的UT變化強度大于北極。南極電離層UT變化強度(標準差)在春冬兩季UT變化的標準差約為1 TECu, 在夏秋兩季則接近2 TECu, 約是北極電離層UT變化強度的2~3倍。以變異系數表征的電離層UT變化的相對強度也表明, 南極UT變化相對強度約是北極的2倍。

3. 地磁坐標系下的極區電離層UT變化的原因主要是地理軸與地磁軸分離, 引起太陽光致電離范圍在隨UT變化, 間接地調整了水平輸運的貢獻; 同時, 導致了南北極UT變化相差約12 h, 且分離角度大的南半球, 其UT變化強度更強。

致謝:感謝兩位審稿人審閱論文并提供很有價值的修改建議。本文所用的COSMIC掩星數據由COSMIC Data Analysis and Archive Center提供(http://cosmic-io.cosmic.ucar.edu/cdaac/index.html),和 F107 指數從CelesTrak 網站(http://cele-strak.com/SpaceData/)下載, 在此表示感謝!

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THE CHARACTERIsTICS OF THE POLAR IONOSPHERE IN THE GEOMAGNETIC COORDINATES SYSTEM

Wu Yewen1, Liu Ruiyuan2, Zhang Beichen2, Hu Hongqiao2, Ci Ying3, Jiang Mingbo4, Lv Jianyong1

(1Institute of Space Weather, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;2SOA Key Laboratory for Polar Science, Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China;3Beijing Institute of Tracking and Communication Technology, Beijing 100089, China;4Beijing Institute of Applied Meteorology, Beijing 100000, China)

The mean Polar Electron Content (mPEC) over the low solar activity years 2007–2010 in Corrected Geomagnetic Latitude and Magnetic Local Time Coordinates (CGLMLT) is calculated to investigate the Universal Time (UT) variations of the polar ionosphere based on the observation of Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate satellite (COSMIC). The results show clear UT variations on mPEC both in the Arctic and Antarctic when seen in the geomagnetic coordinate system. The UT variation of the mPEC changed in a sinusoidal way, with the phase difference about 12 hours between the Arctic and Antarctica. In addition, the UT variation is about 2~3 times larger in the Antarctic than in the Arctic. These features should result from the separation between the geographic pole and the geomagnetic pole. Actually in geographic coordinate system, the UT variation of the mPEC is rather small. The reason should be that the UT variations of mPEC come from solar radiation as well as horizontal transportation in geomagnetic coordinates but only horizontal transportation in geographic coordinate systems.

polar ionosphere, total electron content, universal time variations, horizontal transportation

2020年9月收到來稿, 2020年9月收到修改稿

國家重點研發項目(2018YFC1407304, 2018YFF01013706)、基礎性科研院所穩定支持項目(A131901W14,A131902W03)、電波環境特性及模化技術重點實驗室專項資金(201801003)資助

武業文, 男, 1983年生。博士, 主要從事電離層物理及預報研究。E-mail: ywwu@nuist.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20200064