高低纬地区电离层扩展F暴时特性比较研究

陶 伟 史建魁 王国军 G.Zherebtsov O.Pirog A.Stepanov

(1.中国科学院空间天气学国家重点实验室，北京 100190； 2.中国科学院研究生院，北京 100049；3.俄罗斯科学院西伯利亚分院日地物理研究所，伊尔库斯克；4.俄罗斯科学院宇宙与高层大气物理研究所，雅库斯克)

1.引 言

电离层扩展F(SF)是电离层中经常出现的一种现象[1]，SF特性及其物理机制一直是电离层物理研究中的主要问题之一。由于SF对通过电离层传播的电波信号有着强烈影响，如对信号产生折射，反射，吸收以及改变电波信号的幅度和相位，造成电波信号的时延等[2-3]，这对诸如GPS导航定位，以及星地和星间通信等无线电系统的正常运行都会带来严重的影响。因此，研究SF的特性及其发生和发展的规律等具有重要科学和应用意义。

有作者根据探测数据分析对低纬地区的扩展F进行了研究，内容包括SF发生率的日变化、季节性变化和经度差异，SF对太阳活动的响应以及SF与中性大气的关系[4-5]。对SF在磁暴条件下的特性研究也已经经历了半个多世纪，并取得了很多结果[6-7]。在高纬电离层，极区开放磁力线将高纬电离层和外磁层紧密联系起来，这使得高纬SF现象的形态更为复杂。在近磁极地区，冬季的白天和夜间SF现象经常存在；夏季里，它的出现在晚上仍保持很高频次，而在正午只有50～60%[8-9]。太阳活动对于高纬电离层SF也有重要影响[10]。

但对于有关高低纬地区电离层SF现象的对比研究，目前还未看到有论文发表。因此，本文利用三个处于不同高低纬地区台站的SF数据，对6个磁暴期间电离层SF现象进行对比分析，并得到了一些有意义的结果。

2.台站、仪器和数据选取

文中利用位于Hainan(海南)、Yakutsk、Zhigansk的DPS-4垂测仪的电离图来提取SF的类型及其发生和持续时间等信息。并根据SF描迹的特点，将其分为四类，分别是：频率型扩展F(FSF)，区域型扩展F(RSF)，混合型扩展F(MSF)，奇异型扩展F(BSF)[11]。由于在低纬度的海南区域，还观测到与赤道等离子体泡有关的强区域型扩展F(SSF)现象。这种类型扩展F的特点是其弥散回波延伸到了F2层临界频率以上，使得foF2难以判定，且持续时间超过一个小时[12-15]，因而又把SSF从RSF中提取出来作为一种独立类型进行专门分析。

我们选取了2006年的6个磁暴分别对3个台站所观测到的SF现象的特性进行了分析，并对不同台站SF特性进行了对比分析。所选取的6个磁暴分别为：1)3月6日至8日，Dst最小值为-40 nT；2)4月4日至6日，Dst最小值为-87 nT；3)4月9日至11日，Dst最小值为-80 nT；4)4月14日至16日，Dst最小值为-111 nT；5)7月27日至29日，Dst最小值为-47 nT；6)8月19日至21日，Dst最小值为-71 nT.

所选的3个台站分别位于海南(Hainan)，雅库斯克(Yakutsk)和日甘斯克(zhigansk)。它们的地理纬度、经度、地磁纬度如表1所示。

表1 文中所用到的三个台站的位置

3.特性分析与讨论

本工作对6个磁暴期间不同台站SF现象出现的起始时刻、持续时间以及其他的有关特性进行了研究。

图1给出了2006年3月4-10日期间高低纬地区电离层SF的发生情况。图中横坐标是世界时，从3月4日零时到3月10日24时止，纵坐标为Dst值，图中蓝色曲线表示Dst指数。从上往下依次分别表示Zhigansk、Yakutsk和Hainan台站发生的SF现象。不同颜色的色块表示不同类型的SF(表示方式见右侧图例)，色块左边界表示SF开始发生的时刻，右边界表示SF结束时刻，宽度对应SF的持续时间。

从图1可以看到：在3月6日至8日磁暴期间，高纬的两个台站(Zhigansk和Yakutsk)均观测到了SF现象。从SF出现和持续时间上看，这两个台站的SF主要在夜间发生，Yakutsk观测到了更多的SF现象。Zhigansk出现SF现象的时间段开始出现分散：不仅在夜间，在3月7日的下午17：30至18：15LT和3月8日的上午08：15至12：00LT也有SF现象出现(图1中十字星型所示时间段)。

磁暴发生前，即3月4日至5日，三个台站也都观测到了SF现象。从整体上来看，三个台站的SF也都主要发生在夜间，高纬台站SF的发生率要高于Hainan站。而Hainan在3月4日21：30LT至22：30LT出现了SSF。

磁暴后的3月9日至10日，高纬两个台站的SF现象仍然主要发生在夜间，而Hainan没有出现SF现象。

可以看出：高纬地区SF现象也主要在夜间发生，其中Yakutsk台站SF现象的出现比Zhigansk和Hainan更为活跃。另外从三个台站SF现象出现的起始时间来看，台站纬度越低，SF现象的起始时刻越晚。

图2给出了2006年4月1-8日期间高低纬地区电离层SF现象的出现情况。图2与图1的表示方法完全一致。

从图2中，仍然可以看出：在这次磁暴期间相比更高纬度的Zhigansk和低纬的Hainan站，在SF现象发生率和持续时间方面，Yakutsk依然是最活跃的；无论在高纬还是低纬台站，SF现象发生的时间范围依然主要是在夜间，并且台站纬度越低，SF现象的起始时刻越晚。

从图2中还可以看到，在4月5日的夜晚，Yakutsk和Hainan都出现了SF现象，而相比纬度较高的Zhigansk当天却没有SF现象发生。由于Zhigansk在这之前和之后几天均有SF现象发生，且当晚频高图上的回波描迹非常微弱有时甚至没有描迹，因此可以推测4月5日Zhigansk没有观测到SF现象，其原因在于这次磁暴使得该区域电离层吸收率上升致使电波被完全吸收，而并不是没有SF现象发生。Hainan站在4月5日午夜前后出现了持续约6小时的与赤道等离子体泡有关的SSF现象。暴后的4月7日午夜，Hainan再次出现了短时的SSF现象。

对其他4个磁暴期间的SF现象也进行了分析，得出的结果与上面2个磁暴期间分析所得结果一致，因而在此不再赘述。

在高纬台站，虽然未在这几次磁暴期间观测到奇异型扩展F(BSF)现象，但在对高纬台站非磁暴期间的数据分析中，我们找到了奇异型扩展F现象。

通过长期探测，发现在Hainan站，SF现象通常出现在夜间，主要出现在20：00LT-04：00LT，而白天很少观测到SF现象。但是，通过对这6个磁暴期间SF现象出现的时间分析，我们发现：在Zhigansk，不仅夜间，白天也可以产生SF现象。图3给出了这六次磁暴期间Zhigansk所观测到的SF现象时间分布图。

图3中横坐标是当地时1时至24时，纵坐标为出现SF现象的累计时间，即表示6次磁暴期间(共46天)在每个时段内观测到的SF现象的累计时长。从上往下依次是初相、主相以及恢复相期间Zhigansk台站观测到SF现象的时间分布情况。

图3 六次磁暴期间Zhigansk台站扩展F时间分布图

从图3中可以看出：在初相期间白天没有观测到SF现象(图中竖线之间时段为白天)，而在这6次磁暴的主相和恢复相期间，白天都有SF现象出现。主相期间白天出现的SF现象多于恢复相期间。这说明了这几次磁暴对Zhigansk台站白天SF现象的发生有激励作用。

在磁暴期间，扰动的太阳风压缩了磁层，强大的电场沿着磁力线映射到高纬电离层，继而向低纬电离层渗透。由于粒子沉降产生的极光加热所导致的热层风会改变全球环流图案，结果通过电离层发电机作用驱动中低纬地区产生附加电场[16-17]。这两种不同时间尺度的电场机制与赤道向传播的电离层扰动综合起来对电离层等离子体稳定性增长以及SF现象的发生产生影响，因此，最终可能导致了高低纬度电离层SF起始时刻的延迟。

为了更加清楚地分析高低纬台站观测到的SF现象起始时刻的时延，对这6个磁暴期间三个台站每天观测到的SF现象起始时刻进行了分析。在不同台站之间对比SF现象起始时刻时，若在该日多个时间段都有SF现象出现，则只对两台站出现的同类SF进行分析；若没有同类SF现象，则提取纬度较低台站最先出现的SF进行分析。我们关心的是扰动沿经线的赤道向传播，定义SF的时延Δt=较低纬度台站的起始时刻-较高纬度台站起始时刻。

图4给出了不同台站的SF现象起始时刻时延分析图，其中A对应于0h<Δt≤1h，B对应于1h<Δt≤2h，C对应于2h<Δt≤3h，D对应于Δt>3h.

图4 左图：Zhigansk站与Yakutsk站； 右图：Yakutsk站与Hainan站

从图4中可以看到：高纬两个台站之间的时延主要为Δt<2 小时，而Yakutsk与Hainan站的时延主要为Δt≥2小时。由于垂测仪时间分辨率为15 mins，故剔除时延小于15 mins的数据并结合三个台站的地理纬度以及电离层F层高度，计算出扰动在Yakutsk与Hainan站之间传播平均速度约为502 m/s，这与文献[18-19]中计算出的电离层扰动传播的速度范围(400～700 m/s)符合得很好。计算这六个磁暴期间从Zhigansk传播到Yakutsk的扰动传播速度范围是32～279 m/s.这与文献[18]的计算结果存在差异。在文献[18]中，400～700 m/s的电离层扰动传播速度，是在中纬度地区相距几百千米的几个地方进行观测得到，而Zhigansk与Yakutsk处于高纬度地区，因此，电离层扰动传播速度的纬度分布需要进一步地研究。

在地磁平静的夜晚期间，Zhigansk台站处于电离层槽区域[20]，而在地磁扰动条件下，电离槽逐渐向低纬地区移动，当电离槽的极向边界逼近Zhigansk时，这个区域的电离层对电波的吸收作用开始增强，相对应的是电离图上的描迹减弱甚至消失。这可能是Zhigansk在磁暴期间观测到的SF现象发生频次低于Yakutsk的原因。而主相期间Zhigansk白天的SF现象开始活跃这可能是来自极区电离层扰动的传播在这期间存在一个优势方向，传播途经Zhigansk，激发了这个区域的SF现象的发生，这将在今后的工作中结合TEC的数据分析以及其他的电离层扰动观测数据来深入分析。低纬的Hainan站存在强区域扩展F现象，这与穿透电场以及赤道区域等离子体电子密度梯度以及风场，Hainan的地磁偏角等局地参数有关。

4.结 论

本文利用Zhigansk，Yakutsk和Hainan三个台站的DPS-4电离层数字垂测仪在2006年6个磁暴期间的SF观测数据，对磁暴期间高低纬地区电离层SF现象进行了分析，主要结果如下：

1) 高纬地区SF现象也主要在夜间发生，发生的时间段基本处于20：00LT至午夜。但是对于高纬的Zhigansk，不仅在夜间，上午和下午均可以产生SF。值得注意的是，磁暴对于Zhigansk白天的SF现象发生率似乎具有促进作用，尤其是在主相期间。

2) 高纬度地区Yakutsk台站SF现象的活跃程度最高，Zhigansk站次之；低纬度地区的Hainan站最低。

3) 无论在磁暴期间还是在平静期间，三个台站SF现象出现的起始时刻随着台站纬度的降低而推迟，高纬两个台站之间的时延主要为Δt<2h，而Yakutsk与Hainan站的时延主要为Δt≥2h.

4) 在这几次磁暴期间，Hainan站观测到了与赤道等离子体泡有关的SSF现象，而高纬台站从未观测到SSF现象。另外，在高纬地区，可以观测到BSF现象，而在Hainan从未观测到BSF现象。

从高纬到低纬，SF开始出现的时间随纬度降低而推迟。这似乎说明，产生SF的电离层扰动首先从高纬地区发生，然后逐渐向低纬传播，关于其具体物理过程，需要进一步的探测和理论研究。

以上结果主要是针对东亚扇区高低纬地区电离层而言的，其意义在于通过事件的分析来探索暴时该区域电离层SF随纬度变化的特性。并且初步得到了该区域电离层SF的一些特性。电离层SF是个复杂的电离层现象，其产生和演化的过程，与很多因素有关，因此，需要进一步的深入研究来了解。

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