JJI甚低頻臺站信號對太陽耀斑事件的響應特性

顧旭東， 羅凡， 彭銳， 李光劍， 陳歡， 王市委， 易娟， 李志鵬， 倪彬彬， 趙正予， 王琛， 袁丁

1 武漢大學電子信息學院， 武漢 430072 2 武漢紡織大學電子與電氣工程學院， 武漢 430200 3 哈爾濱工業大學(深圳)空間科學與應用技術研究院， 深圳 150001

0 引言

依據觀測手段的不同，太陽耀斑主要分為光學耀斑、X射線耀斑、質子耀斑和白光耀斑幾類，其中X射線耀斑會對電離層產生最直接、最大的影響.國際上大多采用X射線的輻射強度對耀斑進行分級：A級、B級、C級、M級和X級(郭策等，2012)，其中，A級耀斑最小，對應的射線通量量級為10-8W·m-2，每增加一個等級，相應的射線通量增加一個數量級.甚低頻(VLF)信號是指源于自然界或者人工臺站的頻率在3～30 kHz的電磁波信號，該頻段的信號廣泛用于潛艇通信(史偉等，2011)、電離層探測與遙感、地球物理勘探和近地空間環境的監測(Cohen et al., 2010).VLF信號主要在由低電離層和地球表面構成的波導內傳播(Wait, 1968; 易娟等, 2019)，其傳播效應除了受地球表面的影響外，還受電離層D層的影響(Thomson and Clilverd, 2001).在太陽耀斑爆發時，一般X射線通量會比平靜時的數值大一個數量級以上，增強后的X射線以光速傳到地球表面時會使得電離層D層的電離大大增強，電子濃度急劇增加(黃江等，2013).受電離層D層擾動的影響，VLF信號的傳播就會出現異常，主要體現在信號的振幅和相位上(Thomson, 2010; Thomson et al., 2011).由于夜間電離層D層消失(Chakrabarti et al., 2010)，太陽耀斑發生時，通常只有傳播路徑在向日面的VLF臺站信號有明顯的響應(Nicolet and Aikin, 1960; McRae and Thomson, 2000).

對太陽耀斑引起的VLF信號異常事件的研究，除了上述的觀測分析之外，還有部分學者結合模擬工作對這些現象背后可能的物理機制進行了研究.Palit等(2014)用LWPC(Ferguson, 1995)和GPI模型(Glukhov et al., 1992)模擬了VLF信號在不同等級太陽耀斑下的電離效應，并與實際觀測做對比.該研究所用的數據來自印度空間物理中心的VLF接收機所接收到的NWC臺站信號，選取了X級耀斑和M級耀斑對應的VLF信號擾動事件，通過模擬得到的VLF振幅擾動與實際信號大致吻合.Bouderba等(2016)用LWPC研究了NRK-ALG路徑上太陽耀斑對VLF信號傳播的影響.該研究利用了2007年到2013年間ALG接收站(36.7°N, 03.13°E，阿根廷)接收到的NRK(37.5 kHz，63.85°N, 22.45°W，冰島)臺站信號的數據，通過LWPC模擬該路徑上接收距離不同時X射線耀斑導致的VLF信號擾動，結果表明VLF信號的振幅和相位的擾動正負號，即振幅和相位數值的增大或減小，主要取決于發射機與接收機之間的距離.

地基觀測VLF信號振幅和相位的變化可以作為監測太陽耀斑的一種簡便有效的方法，具有成本低、長期穩定等特點(趙協中和王小京，1990; 蘇艷芳等, 2019).目前，盡管已經開展了一些相關研究，但是VLF信號的擾動與太陽耀斑之間的關系還不十分明晰，特別是中國中低緯度地區的甚低頻信號的響應研究相對較少.本文利用武漢大學自主研發的VLF接收機觀測的高質量數據分析了JJI臺站-武漢和JJI臺站-隨州兩條近似沿緯度方向傳播路徑上由太陽耀斑引起的JJI臺站信號振幅異常現象，并對振幅異常事件進行統計分析與研究.所得結果不僅揭示了中國中低緯度、短傳播路徑的VLF信號對太陽耀斑的響應特性，而且還展示了兩條大致相同傳播路徑對同一太陽耀斑的響應異同.

1 設備和數據

本工作所用的VLF數據來自武漢大學自主研發的甚低頻信號探測系統，該系統由四部分組成：磁環接收天線、前端放大器、音頻采集系統、PC端數據處理系統(Chen et al., 2016, 2017; Zhou et al., 2020; Yi et al., 2020; 陳隆等, 2020; 王市委等, 2020).磁環接收天線分為南北(N/S)、東西(E/W)兩個通道，由兩個正交的底邊長為5.4 m的等腰直角三角形線圈組成，線圈匝數7圈，繞線直徑為1.44 mm，天線阻抗為1 Ω-1 mH.天線將感應到的磁信號轉化為電信號后傳入接收前端，經由電流電壓轉換器、低噪聲放大器和濾波模塊，濾除噪聲信號并放大微弱的有效信號.放大后的信號經過長電纜傳入室內的主要由USB模塊、AD轉換模塊、FPGA模塊和GPA模塊組成的采集系統，將模擬信號轉化為數字信號，并提供標準世界時和經緯度.之后將量化后的數字信號傳入PC端數據處理系統，通過處理軟件提取VLF臺站信號信息.

圖1 JJI發射臺站和VLF接收站的地理位置圖Fig.1 The map of the locations of JJI transmitter and the VLF receiver

本文使用了湖北武漢(114°37′E,30°54′N)和隨州(113°32′E,31°57′N)兩接收站2017—2019年的日間(7∶ 00—18∶ 00)JJI甚低頻觀測數據.JJI發射站位于日本宮崎縣(130°49′E,32°04′N)，頻率為22.2 kHz，功率為200 kW.圖1展示了JJI發射臺站和兩接收站的地理位置關系，圖中，星標表示JJI發射機地理位置，圓點表示兩個接收機地理位置.從圖中可以看到，JJI臺站和兩接收站緯度相近，臺站信號的傳播方向與VLF接收系統的E/W通道方向相近，因此VLF接收機E/W方向的磁環天線可以接收到清晰的JJI信號.JJI臺站到隨州和武漢接收機的路徑距離分別為1650.563 km和1568.287 km，因此屬于短路徑傳播.由于夜間電離層D層的消失，夜間VLF信號的傳播具有不確定性，接收到的VLF信號不穩定，所以本文對于夜間發生的太陽耀斑不做分析.

本文使用的耀斑數據來自GOES-15衛星記錄的波長從0.1到0.8 nm的典型X射線輻射強度IX[W·m-2](https:∥satdat.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/full/).

2 觀測結果

太陽耀斑會對VLF信號的傳播造成影響，主要體現在接收到的VLF信號的振幅發生異常.圖2為隨州和武漢的接收系統在2017年9月8日監測到的JJI信號振幅異常擾動現象.紅色線、黃色線分別代表武漢觀測站與隨州觀測站信號的振幅隨時間的變化，藍色線代表GOES衛星記錄的當日的X射線強度隨時間的變化.太陽耀斑發生時，X射線通量快速增大，隨州觀測站和武漢觀測站的JJI信號振幅都有不同的擾動.可以看到，兩接收站點對于同一個耀斑事件的振幅響應并非完全相同，比如兩地在13∶ 40前后的振幅變化，隨州表現為振幅大幅度減小，武漢表現為振幅小幅度增大.

圖2 2017年9月8日武漢和隨州觀測的VLF信號對耀斑的響應對比Fig.2 Comparison of the responses of the VLF signals observed at Wuhan and Suizhou to flares on 8 September 2017

為了清晰的展示隨州觀測站和武漢觀測站觀測到的振幅異常現象，本文對比了耀斑發生時和平靜時，即沒有強耀斑，接收機接收的臺站信號幅度.圖3展示了隨州觀測站和武漢觀測站在耀斑日和平靜日接收到的JJI臺站信號幅度一天的變化，其中紅色線、藍色線分別代表2017年9月8日耀斑日、2017年9月15日平靜日的JJI信號振幅隨時間的變化.結合GOES衛星的數據得知，在2017年9月15日的X射線通量都較小，沒有C級及以上的太陽耀斑, 而2017年9月8日出現頻繁發生的耀斑事件，相應的耀斑等級均標注在圖3中.可以看到，對于沒有耀斑發生的平靜日，白天的VLF信號的振幅在相對較小的范圍內平緩變化，沒有明顯的突然上升或下降.在耀斑日，對應有耀斑發生的時候，臺站信號振幅都有一定程度的突然變化.結合圖2和圖3可得，在有耀斑發生的白天時段里，不同等級的太陽耀斑均會導致VLF信號振幅擾動，擾動類型和擾動大小不盡相同.如圖3a, 隨州接收到的JJI信號，對于日出之后發生的第一個M3.9級的耀斑是先上升后下降的響應，對之后發生的C5.7級的耀斑是上升的響應；對于在正午前后發生的M1.3、M1.2、C8.6級的耀斑是下降的響應，對之后發生的C6.8級耀斑是上升的響應；而對日落前的最后一個M8.2級的耀斑響應表現為快速的先上升后下降接著慢速的上升再下降.圖2更直觀的展示了兩接收站對同一個耀斑事件的響應：對于8∶ 00前后的耀斑響應，隨州和武漢的VLF振幅擾動都是先上升后下降；對于9∶ 40前后的耀斑響應，隨州和武漢的VLF振幅擾動都是上升，但是武漢的擾動幅度明顯比隨州的擾動幅度大；對于10∶ 30前后的耀斑響應，隨州接收到的VLF信號的振幅擾動是下降，武漢接收到的VLF信號的振幅擾動是先上升后下降；對于11∶ 40前后的耀斑響應，隨州的振幅擾動是下降，武漢的振幅擾動是上升，且武漢的擾動幅度較小；對于13∶ 40前后的耀斑響應，隨州的振幅擾動是下降，武漢的振幅擾動是上升，且武漢擾動幅度較小；對于15∶ 10前后的耀斑響應，隨州和武漢的振幅擾動都是上升；對于15∶ 50前后的耀斑響應，隨州和武漢的振幅擾動都是快速的先上升后下降接著再次緩慢的上升后下降.在這一天的VLF信號對耀斑的響應現象中，出現了三個兩地響應不同的事件：10∶ 30前后的耀斑、11∶ 40前后的耀斑、13∶ 40前后的耀斑.這三個耀斑大小相差不大，分別為M1.3、M1.2、C8.6，發生時間都在正午前后兩小時內，且隨州的響應都是顯著的振幅下降，但是武漢接收到的JJI臺站信號的響應卻截然不同，不僅響應形態不同，振幅的擾動幅度也很小.

圖3 耀斑日與平靜日VLF信號對比，其中(a)為隨州，(b)為武漢Fig.3 Comparison of the VLF signal on flare day and quiet day at (a) Suizhou and (b) Wuhan，respectively

從地理位置上看，隨州和武漢兩個接收站之間相距不到200 km，并且JJI臺站到接收站的距離分別為1650.563 km和1568.287 km，兩傳播路徑長度差距小于100 km，但是在兩個相近的接收地卻出現了JJI信號對于同一太陽耀斑的不同響應.

結合X射線通量觀測數據，我們對2017—2019年間在隨州和武漢兩地接收到的日間JJI甚低頻臺站數據進行分析篩選，挑選出與太陽耀斑相關的JJI臺站信號振幅異常事件，分別列在了表1和表2中.由于2018年耀斑發生時，JJI發射臺站處于關閉狀態，則未觀測到與耀斑相關的振幅擾動事件，因此主要記錄了2017年和2019年的有效觀測事件，總數分別為24個和20個.表格的第2～4列分別代表振幅異常事件發生時的日期、信號振幅擾動的開始時間、以及該事件所對應的太陽耀斑的等級.通過分析所有振幅異常事件，我們將JJI信號的振幅對于耀斑的響應分為四類：(1)先上升后下降型，即臺站信號振幅的擾動會經歷一個顯著的快速增大然后快速減小，最后慢慢恢復正常水平的過程，在圖像上體現為出現一個極大值點和一個極小值點.(2)兩次上升下降型，即VLF振幅的擾動會經歷一個顯著的快速增大然后快速減小，再緩慢增大然后緩慢減小的過程，在圖像上體現為出現兩個極大值點和一個極小值點.(3)上升型，即臺站信號振幅的擾動會經歷一個顯著的快速增大，然后慢慢恢復正常水平的過程，在圖像上體現為出現一個極大值點.(4)下降型，即臺站信號振幅的擾動會經歷一個顯著的快速減小，然后慢慢恢復正常水平的過程，在圖像上體現為出現一個極小值點.

使用時序疊加法，進一步對JJI擾動類型和響應時間之間的關系進行分析，即通過取同一特征時刻對應的不同事件參數來研究其中蘊含的普遍規律.時序疊加的結果展示在圖4和圖5中，事件的序號分別對應于表1和表2.在該時序疊加法中，選取擾動事件發生時對應的太陽耀斑X射線通量IX的峰值時刻作為零時刻，將同一響應類型的事件從開始到結束的時間段疊放在一起，構成不同類型的JJI信號振幅擾動隨耀斑發生時間的關系圖.圖4是基于時序疊加法得到的隨州事件四類太陽耀斑響應的臺站信號幅度隨時間變化的結果.圖4a為兩次上升下降型事件，在記錄的這類響應中，擾動的第一個極大值點均出現在X射線通量峰值時刻之前，極小值點均出現在X射線通量峰值時刻之后.圖4b為先上升后下降型事件，所記錄的這類響應的兩個極值點對應的時刻均分布在X射線通量達到峰值時刻的兩側.圖4c為下降型事件，在所記錄的所有這類響應中，絕大多數事件的極小值點出現在X射線通量達到峰值時刻之后.值得注意，這里出現了一個特殊事件，黃線所示的事件的極小值出現時間比X射線達到峰值時間提前很多，其原因可能是引起該擾動的X射線通量增大到峰值的速度較慢，且持續時間較長，使得相較于其他快速響應的X射線耀斑，該耀斑事件響應時間較長.圖4d為上升型事件，在所記錄的所有這類響應中，極大值點都出現在X射線通量達到峰值時刻之后.可以看到，在四種響應類型中，不同耀斑產生的響應時間有著明顯差異.圖5是武漢事件的分類時序疊加圖.在該站點數據中，上升型事件占多數.如圖5d所示，絕大多數此類事件的極大值點都出現在X射線通量達到峰值時間之后，而其他響應類型的事件與隨州觀測站同類型的響應相似.

表1 JJI-隨州耀斑響應事件列表Table 1 The list for JJI-Suizhou flare response events

表2 JJI-武漢耀斑響應事件列表Table 2 The list for JJI-Wuhan flare response events

圖4 隨州響應事件的時序疊加分析，其中(a)為兩次上升下降型事件，(b)為先上升后下降型事件，(c)為下降型事件，(d)為上升型事件Fig.4 Analysis of response cases at Suizhou using time series superposition method for (a) twice rising and falling type, (b) first rising and then falling type, (c) falling type, and (d) rising type

圖5 武漢響應事件的時序疊加分析，其中(a)為兩次上升下降型事件，(b)為先上升后下降型事件，(c)為下降型事件，(d)為上升型事件Fig.5 Analysis of response cases at Wuhan using time series superposition method for (a) twice rising and falling type, (b) first rising and then falling type, (c) falling type, and (d) rising type

綜合隨州和武漢的時序疊加結果，可以得到，所有的擾動開始都發生在X射線通量達到峰值之前，且所有的擾動結束都發生在X射線通量達到峰值之后.對于只有一個極值點的響應類型，即上升型和下降型，絕大部分擾動的極值點出現在X射線通量達到峰值時刻之后，對于既有極大值點又有極小值點的響應類型，即兩次上升下降型和先上升后下降型，第一個極大值點和極小值點分別出現在X射線通量峰值時刻前后.

JJI信號對太陽耀斑的響應類型和X射線耀斑等級及發生時間有關，其統計分析結果如圖6所示.該圖分別展示了隨州和武漢接收到的JJI臺站信號在不同耀斑等級下的響應類型隨時間的分布，圖中橫坐標為擾動發生的時間，縱坐標為X射線通量強度對應的耀斑等級.可以看到，在所有事件中，隨州觀測站占比較多的是上升型和下降型的響應，而武漢觀測站占比較多的是上升型的響應，占比較多則意味著該種類型的響應更易發生，且兩地記錄的耀斑事件響應都和耀斑強度及發生的時間有一定的關系.對于隨州觀測站統計到的振幅擾動而言，兩次上升下降型的響應都發生在15∶ 00之后，且耀斑強度較大；下降型的響應比較集中的分布在9∶ 00到15∶ 00之間，耀斑等級位于C6級到M3級之間；上升型的響應在時間上分布比較零散，對應的耀斑等級偏小，基本在M級以下.對于武漢觀測站統計到的振幅擾動而言，兩次上升下降型的響應也都發生在15∶ 00之后，耀斑強度較大；下降型的響應較少，主要分布在9∶ 00到15∶ 00時段，耀斑等級位于C6級到M3級之間；記錄較多的是上升型的響應，該響應發生的時間也比較分散，對應的耀斑等級都在M1級及以下.

圖6 (a)隨州和(b)武漢JJI信號響應類型和太陽耀斑等級及發生時間的關系，其中Type1、Type2、Type3和Type4分別為兩次上升下降型、下降型、先上升后下降型和上升型Fig.6 Relationship of JJI signal response type to solar flare grade and occurrence time at (a) Suizhou and (b) Wuhan.Type1, Type2, Type3, and Type4 are respectively twice rising and falling type, falling type, first rising and then falling type and rising type

除此之外，本文還做了JJI信號的擾動幅度和X射線積分通量之間的統計分析工作.JJI信號的擾動幅度規定如下：對于先上升后下降型和兩次上升下降型的響應，擾動幅度為第一個極大值點和極小值點之間的振幅差；對于上升型的響應，擾動幅度為極大值點和擾動發生前的平靜值點之間的振幅差；對于下降型的響應，擾動幅度為擾動發生前的平靜值點和極小值點之間的振幅差.X射線積分通量為從太陽耀斑開始到X射線通量達到峰值時的X射線通量的積分.如圖7，散點為記錄的數據點，表示不同太陽耀斑事件所對應的X射線積分通量及信號振幅的擾動幅度，黑線為這些數據點的擬合結果.可見，隨州和武漢JJI的振幅擾動幅度和X射線積分通量大致呈線性正相關.雖然兩地的數據都可擬合成一次函數的形式，但是，圖7b的擬合直線的斜率明顯比圖7a小，說明對于同樣大小的太陽耀斑，武漢接收到的JJI信號的振幅擾動要比隨州接收到的擾動小.

圖7 JJI振幅擾動幅度與X-ray積分通量的關系，其中(a)為隨州，(b)為武漢，黑線是數據點的擬合結果Fig.7 Relationship between the JJI disturbed amplitude and X-ray integral flux at (a) Suizhou and (b) Wuhan. The black line is the fitting of the data points

3 總結和討論

本文統計分析了武漢和隨州接收到的JJI甚低頻臺站信號在2017—2019年由太陽耀斑引起的振幅擾動事件，主要得到了以下的結論：

(1)在JJI臺站到隨州和武漢這兩條傳播路徑上(近似緯向傳播)，當C級及以上等級的太陽耀斑爆發時，會出現JJI信號振幅異常現象.

(2)JJI信號的振幅異常存在多種響應形態，其與耀斑發生的時間及耀斑等級存在一定的關聯性.下降型的響應多發生在9∶ 00—15∶ 00之間，兩次上升下降型的響應發生在15∶ 00之后，日落之前，且耀斑等級較大.

(3)JJI信號的振幅擾動幅度和X射線積分通量大致呈線性正相關，但是隨州和武漢兩站點的線性擬合斜率存在差異.

在太陽耀斑發生時，能量的注入造成電離層電子密度增大，進而改變了VLF波傳播所依賴的地球-電離層波導特性，在接收到的VLF信號幅度上呈現出異常擾動.在不同時間和接收地點，電離層狀態異常擾動的差異是VLF信號呈現出不同響應類型的主要潛在因素.但是，不同接收地點和觀測時間段爆發的X射線對電離層的具體影響還需要進一步探究.為了進一步研究，在下一個太陽活動高年到來時還需要繼續觀測VLF信號異常現象，累計更多的太陽耀斑擾動事件.

致謝本文所用X射線數據來源于美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的網站：https:∥satdat.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/full/.