微粒E层事件判读及分析

何绍红 徐 彤

（中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室，山东 青岛266107）

引 言

电离层垂直探测是目前电离层探测中最早、最常用的探测方法.垂直探测所获得的垂测电离图（频高图）包含了F2层峰值高度以下电离层临频、虚高等多种参数信息，是获取电离层状态特征的重要数据来源.

电离图度量是对电离层探测数据进行正确分析的基础.1972年出版的国际无线电科学联盟（URSI）电离图解释和度量手册［1］是度量人员广泛应用的一本最好的入门书籍.1986年7月日本无线电研究所Wakai等人以电离层参数为线索，编写了《电离层图度量手册（修正版）》.2008年中国电波传播研究所焦培南等人在Wakai等人工作的基础上编写了《电波传播基础知识电离图度量与解读观测技术与设备》，较为系统地介绍了电离层电波传播理论与度量规则.然而，电离层变化复杂，实际度量过程中常遇到某些疑难电离图，以致度量人员漏度或误度.

出现微粒E层（或称夜间E层）现象的电离图是最具代表性的疑难电离图之一.通常，E层受光化学过程控制，随太阳天顶角变化.日落后，由于太阳极紫外（EUV）辐射消失，加上电子的复合作用，致使E层消失［2］.然而，某些时刻，我国多站能观测到微粒E层.何友文［3］曾对微粒E层事件的特征进行了初步分析，之后我国地区微粒E层研究鲜有报道.由于目前微粒E层度量规则论述较少，度量人员对该现象认识不深，以致度量不统一，月报表数据不能正确体现该现象，研究人员无法有效利用数据开展微粒E层特征及机理研究.

2012年2月16日夜间，我国地区多个电波观测站垂测电离图出现微粒E层.本文借助该次典型的微粒E层事件，结合自身多年垂测电离图度量经验，对发生微粒E层事件判据及电离图微粒E层判读方法进行了讨论.希望藉此形成典型微粒E层判读方法，便于度量人员参考.同时，利用多站电离图数据，对该次事件进行分析，给出微粒E层变化特征，并对其成因进行了初步讨论.

1 数据来源

覆盖我国的电离图数据源自中国电波传播研究所14个电离层电波观测站（见图1），各电波观测站地理及地磁位置信息见文献［4］.地磁Dst、ap指数及行星际磁场Bz数据源自日本京都世界数据中心（WDC）（http：//swdcbd.kugi.kyoto-u.ac.jp）及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的空间天气预测中心（http：//swpc.noaa.gov）.

图1 14个电波观测站分布

2 微粒E层电离图判读

2.1 微粒E层事件判据

日前微粒层的判据不统一，文献［1］、［3］、［5］认为夜间垂测电离图中，出现下述四种情况之一时，就可认为存在微粒E层：

1）出现微粒E层的寻常波或非常波描迹，或两描迹同时出现；

2）F层寻常波描迹的低频端出现明显时延；

3）至少三个国内站，同一夜间在F层非常波描迹的低频端出现明显时延，并且其最低频率对应的等离子体频率高于0.95MHz；

4）出现Es-h和Es-c的寻常波描迹或非常波描迹，或两描迹同时出现.

发生微粒E层事件，最直观的特征就是夜间垂测图上出现E层回波（如图2新乡站电离图），即判据1）情况；图2中兰州站电离图F层寻常波描迹出现明显时延，满足判据2）；满洲里站电离图虽然没有出现E层回波，但是此时非常波低频端出现明显时延.反射回波时间延迟决定于反射点以下电子浓度的高度分布.当F层寻常波或非常波低端出现明显时延，说明此时在F层之下存在一个类似于白天E层的一个厚层，即微粒E层.F层回波低频端描迹的明显延迟是由微粒E层电子密度峰值附近高度梯度小造成的.此外，乌鲁木齐与北京站非常波低端亦出现明显的延迟，满足判据3）.Es-c即尖角型Es，特点是适用于白天.Es-h即高型Es，特点是尖角不对称，h′Es高度明显大于h′E，亦仅用于白天.而微粒E层即k型Es，其特点是夜间可观测到的E层，所以判据4）并不合适.

图2 微粒E层事件期间垂测图回波描迹

本文认为微粒E层判读条件1）～4）是正确的，但4）值得商榷.通过对大量实例分析，作者认为是否存在微粒E层主要判据为1）～3），即满足其中一条便认为发生微粒E层事件，同时可增加如下3点作为参考，为便于描述，接续排号：

4）微粒E层出现前后或同时，经常出现Es-r（迟延型）、平型、a型Es，偶尔迭加在微粒E描迹上（图3（b）就是r、平型Es迭加在微粒E描迹上的实例.）

5）微粒E层显示出有比正规E层更高的虚高可在100～200km高度上出现，经常出现在120～180km之间；

6）微粒E层的临界频率foE要高于正规E层.

2.2 微粒E层电离图判读

出现微粒E层时用符号K表示.其中fmin、foEs的判读精度是0.1MHz，foE的判读精度是0.05MHz，判读时最后给出的值以省去小数点的表示给出，且foE度量值的末位数字总是零或5.如foEs 1.6MHz，foEs＝16；foE 1.2MHz，foE＝120.根据微粒E层六条判据对下面几个电离图实例判读.

实例1：出现微粒E层的寻常波或非常波描迹，或两描迹同时出现（图3（a））.此图是2012年2月16日01∶20（地方时）西安站（34.130°N，108.827°E）频高图，约在130km的高度观测到E层的非常波描迹，F层X波描迹低频出现明显时延，夜间常规Es类型Es-f一般高度在120km以下，并且粗而平，没有时延.而微粒E层显示出有比正规E层更高的虚高；且有比正规E层更高的临界频率（一般夜间E层频率小于1MHz）.因此，推断认为这描迹在E区必然是微粒E层的非常波分量.foE＝（fxE-fB/2）JK＝120JK.由于干扰，观测不到1.1MHz以下的描迹.值得注意是，度量foE参数时，当说明符号K（微粒E层）与说明符号S（干扰）两个符号都适用时，K优先于S.

实例2：F层寻常波描迹的低频端出现明显时延（图3（b））.此图是2012年2月16日04∶30（地方时）昆明站（25.637°N，103.718°E）频高图，当 E区描迹的穿透频率超过F层描迹的最低频率即foEs＞foE（微粒E）时，可以解释为微粒E层被r型Es所遮蔽，E区描迹应是r型Es.Es的型别放在K之前，接近fminF的时延代替了微粒E层基础部分的存在.foE＝（fminF）UK＝120UK，h’E＝A.foEs＝18JA.当夜间微粒E层出现时，则可像白天一样把平型Es列为l型，所以Es类型为r2k2l.

实例3：有事件发生但没有类型出现的频率图及参数度量值（见图3（c））.此图是2012年2月16日01∶45（地方时）北京站（40.110°N，116.276°E）频高图，虽然微粒E层存在的主要迹象是夜间电离图较高层描迹的低频端出现群时延，但是由于没有观测到Es类型，度量时可认为Es描迹短缺是干扰原因引起的.所以foEs＝fbEs＝fmin＝（fmin）Es，Es类型无.

图3 微粒E层事件电离图及判读

3 微粒E层事件分析及讨论

通过详细判读各站电离图，发现2012年2月16日微粒E层事件主要发生在当地时间16日00∶00-05∶00.中纬度台站夜间微粒E层回波明显，容易判读.图4给出了西安、兰州、拉萨、苏州、重庆五站微粒E层临频及高度分布.其中，西安站微粒E层临频foEs-k在1.1～1.3MHz之间，高度在130～195km之间变化.04∶35及04∶55，微粒E层高度达到195km；兰州站微粒E层出现时间为00∶10-04∶40，foEs-k范围与西安站相近，高度稳定在120～130km；拉萨站微粒E层主要发生在00∶00-02∶00之间，其临频在1.1～1.3MHz之间变化，中值为1.2MHz，高度变化范围为125～140km；01∶00-02∶30，苏州站出现类似于北京站情况，非常波低频端出现明显时延，但是没有E层回波，即有事件无类型.E层回波主要出现在04∶0-05∶30之间，其临频为1.2～1.4MHz，高度范围为150～195km；重庆站微粒E层相对集中在04∶00-05∶00，微粒E层临频在1.1～1.7MHz之间变化，高度相对较高，大部分时间约160km.

纬度相对高的满洲里、乌鲁木齐及北京站，F层非常波低频端出现明显时延，但是没有出现E层回波，即有事件无类型；纬度较低的昆明、广州及海口站微粒E层回波出现时间段约为04∶00至日出前，持续时间较短，其中海口站微粒E层出现时间、临频及高度分布如图4所示.04∶45，有事件无类型.05∶15及05∶30，微粒E层临频为1.4MHz，高度分别为140km、130km.何友文［3］对1986年2月7日微粒E层事件分析发现，我国低纬度广州及海口站出现微粒E层现象，与本次事件较为吻合.

图4 部分站微粒E层临频及高度

我们同时考察了该次微粒E层事件发生前后地磁活动条件及各站电离层foF2变化，如图5所示.该次微粒E层事件出现在一次中等强度磁暴的主相期间.磁暴开始于2月14日北京时间约23∶00，此时行星际磁场Bz转为南向，Dst持续下降，最小值为-58nT，约在16日05∶00磁暴开始进入恢复相.纬度较高的台站，如满洲里、西安等电离层foF2没有显著变化.纬度较低的昆明与海口站，16日凌晨出现明显的正扰动，相对偏差超过60%.16日正午开始，两站出现显著的负扰动，foF2下降超过50%，负暴持续超过12小时，直至17日日出.电离层负暴是由磁暴期间热层循环改变中性成分，使得电子复合率增加造成的［6-7］.

图5 2012年2月13-19日行星际磁场、地磁指数及电离层观测站foF2变化.竖间断线为磁暴开始时刻

该次微粒E层事件发生在磁暴主相期间，似乎说明微粒E层事件与磁暴有关.Hirao等［8］指出微粒E层由能量粒子沉降引起的，但是没有说明能量粒子的来源与种类.高能带电粒子沉积主要发生在磁暴（亚暴）期间的高纬地区，如极光现象.由于高能带电粒子受磁场束缚，沿地球磁力线运动，只能沉降到高纬地区.Lyons等人［9］认为微粒E层事件粒子来源于磁暴期间环电流，能量在1～100keV的中性原子.Bauske［10］在前人工作基础上，较为详细地论述了夜间微粒E层出现的原因：磁暴主相期间，大量来源于等离子体片的质子和其他带电粒子被地磁场捕获，在外辐射带形成西向环电流，地磁指数Dst持续下降.被捕获的高能粒子与H原子碰撞交换电荷，变成中性高能原子.此时这些中性高能粒子不再受磁场约束，如果运动方向指向地球，可以沉降到地球热层大气中，再次与中性成分（NO，O2等）碰撞而电离，使得E层电子产生率增大，该过程如图6所示.

图6 源于环电流中性高能粒子沉降示意图

然而，并不是每次磁暴都发生微粒E层事件.比如，三天后，即2012年2月19日发生中等磁暴，西向环电流显著增强，Dst最小值为-54nT.我国区域电离层没有出现明显扰动，各站亦没有观测到夜间微粒E层事件.电离层E层中性成分密度大，光化学过程（电离过程）是主要控制因素.因此，磁暴夜间E层电子密度显著增强，势必存在额外的电离源.大量观测表明，微粒E层事件与磁暴密切相关［11］.卫星观测资料亦表明磁暴主相期间常发生环电流中性原子事件［12-14］.但是磁暴期间中性高能粒子的注入机制（由太阳风注入磁层、内磁层注入环电流、环电流中性粒子注入热层中性大气等）复杂，需深入研究.此外，电离层暴时自身的输运等动力学过程是否对发生微粒E层有影响，还有待确认.

4 结 论

2012年2月16日凌晨，我国14个观测站观测到电离层微粒E层事件.借助该次事件，对微粒E层判据进行了讨论，结合自身判读经验，形成六条判据 .并通过图例，说明判读方法，希望为数据度量及科研人员提供参考.同时对该次事件进行了初步分析，结果表明：纬度较高的满洲里、乌鲁木齐及北京站非常波低频端时延增加显著，但没有E层回波，即有事件无类型；我国中纬度台站，如兰州、拉萨、重庆等站微粒E层回波清晰，且持续时间长；低纬海口、广州等站出现微粒E层回波，但持续时间较短.该次事件发生在磁暴主相期间.微粒E层现象与磁暴密切相关，可能是由环电流中性化的高能粒子注入热层引起，但是其注入机制需进一步研究.

需要指出的是，在判读时，观测不到1.1MHz以下回波.我们描述为是干扰造成的（说明符号S）.然而高能粒子沉降能够电离低热层大气中性成分，使电波吸收增强.Nishino等［15］利用二维成像式宇宙噪声接收机监测2000年7月15-16日强磁暴期间电离层吸收.由于粒子沉降电离低热层中性大气，巴西地区电离层吸收增加0.5dB.然而本次事件缺乏中频段电离层吸收数据，无法确定微粒E层事件期间，夜间电离层干扰与吸收谁是主要因素.

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