高纬地区电离层扩展F发生时间研究

陶 伟 史建魁 王国军 ZHEREBTSOV G POTEKHIN A ROMANOVA E RATOVSKY K STEPANOV A

(1.中国科学院空间天气学国家重点实验室，北京 100190；2.Institute of Solar-Terrestrial Physics，RAS，Irkutsk，Russia；3.Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy，RAS，Yakutsk，Russia)

引 言

高纬地区是电离层扩展F(Spread-F, SF)现象频繁出现的区域之一[1].Shimazaki利用北半球15个台站的电离层测高仪观测数据发现高纬地区的SF现象主要发生在夜间[2]，这与低纬和赤道地区相同[3].Singleton通过分析位于美洲和远东地区31个台站的电离层测高仪观测数据，进一步指出在磁纬50°和55°之间的高纬地区，SF发生率的峰值大约出现在02∶00LT附近[4].Penndorf利用磁纬大于50°N的加拿大北极群岛附近34个台站在1957年7月至1958年12月的电离层测高仪观测数据对高纬地区SF的出现时间进行了统计，其研究结果也表明高纬地区夜间SF发生率较高，并指出地磁纬度60°N附近的Fairbanks(GML 64.5°N，102.2°W)和Anchorage(GML 60.8°N，101.6°W)两个台站在冬季期间SF发生率的最大值出现在后半夜的05：00LT附近[5-6]，这与纬度相近的西伯利亚Tiksi台站(GML 60°N，168°W)的观测结果相似(Besprozvannaya and Lovcova，1956)[7].Shimazaki通过分析处于磁纬50.1°至88.1°的15个台站在1958年1月的电离层频高图，也对高纬地区SF的出现时间进行了研究.他指出在地磁纬度50°至60°地区，冬季的SF发生率在地面日出后迅速降低，最小值大约出现在日出后3至5小时[8].

图1 四种类型SF的频高图实例

从目前高纬电离层SF发生时间的研究现状可以看出，虽然已经取得了一些研究结果，但还缺乏系统性的研究，并且自1957—1958国际地球物理年以后，未看到有新的关于东亚高纬地区SF发生时间的论文发表.由于不同类型SF的物理产生机制不同，因此需要对SF进行分类研究[9-10].而之前的研究都未对SF进行分类.本文利用Zhigansk和Yakutsk两个东亚高纬电离层台站在2006年的测高仪频高图数据，对两台站各类型SF的发生时间进行统计分析，并对其物理机制进行了讨论.

1 数据来源及分类

本研究所用数据来源于俄罗斯Zhigansk和Yakutsk两个高纬台站的DPS-4电离层测高仪在2006年探测所获取的频高图，两台站的地理坐标以及地磁纬度如表1所示.

表1 Zhigansk和Yakutsk两台站的位置

根据电离层测高仪实际观测的频高图，SF现象可以被分为不同的类型.本文按照《电离图解释与度量手册》建议的标准把SF现象分为四类进行分析研究[11]，它们分别是频率型扩展F(Frequency Spread-F，FSF)、区域型扩展F(Range Spread-F，RSF)、混合型扩展F(Mixed Spread-F，MSF)和分叉型扩展F(Branch Spread-F，BSF).图1给出了这四种类型SF的频高图观测实例，图中探测时间为世界时.

按照电离层研究中的常规，本文取各季节分别为：5—8月为夏季，3—4月以及9—10月为分季，11—12月以及1—2月为冬季.

2 结果分析

对SF的出现率进行定义.在所讨论的月份，把每天0—24 h各小时时段内各类型SF的持续时间分别进行累加，求得每个小时时段各类型SF总持续时间占整个月份期间该时段的总有效观测时长的百分比，即为该类型SF的发生率.

2.1 Zhigansk台站不同类型SF的季节变化

图2给出了2006年1—12月Zhigansk台站FSF出现率的地方时变化情况，图中横坐标表示地方时，纵坐标是各时段FSF的发生率.

图2 2006年Zhigansk台站1—12月FSF发生率的地方时分布

可以看出在Zhigansk站，FSF不仅在各季的夜间都出现，也可在白天被观测到.

还可看出，冬季期间Zhigansk站的FSF主要出现在09∶00—18∶00LT时段，并且其发生率表现出双峰结构：FSF发生率在09∶00—11∶00LT附近出现首个峰值后开始下降，直到正午附近达到最低，随后发生率又开始上升，并在15∶00—18∶00LT附近达到第二个峰值，其大小高于前一个峰值；11月至12月FSF发生率的最大峰值从60%增长至80%左右，而从1月至2月其峰值则由80%下降至60%附近.

在春季和秋季期间，Zhigansk站的FSF出现时间范围相对冬季没有太大变化，但发生率却大幅降低，并且最大发生率的出现时间推迟至21：00LT附近.夏季期间FSF主要出现在18∶00—05∶00LT时段，其他时段基本没有FSF现象发生.

数据分析结果还表明，MSF也经常在Zhigansk站被观测到.图3给出了2006年1至12月Zhigansk站MSF发生率的地方时变化.图3与图2的表示方法一致.

图3 2006年Zhigansk台站1—12月MSF发生率的地方时分布

可以看到，在各个季节期间Zhigansk台站MSF的出现时间都主要在18∶00—06∶00LT时段.其出现率最低是在冬季，分季和夏季期间发生率最大，其最大值约为20%.

本文还对Zhigansk站RSF和BSF进行了统计研究.结果表明：RSF和BSF发生率都低于10%，这比FSF和MSF的小得多；RSF主要出现在冬季和分季某些日子的日出和日落附近；BSF只在分季、冬末以及初夏的一些夜间出现.

2.2 Yakutsk台站不同类型SF的季节变化

图4给出了2006年1至12月Yakutsk台站FSF发生率的地方时变化，其表示方法与图2和图3完全一致.

可以看出，Yakutsk站的FSF发生率在冬季最高，分季次之，夏季最低.FSF在各季夜间都有出现，白天也可被观测到，其中冬季正午前后其发生率在10%以上.

冬季期间Yakutsk站FSF主要出现在03∶00—21∶00LT，其发生率也表现出双峰结构：首个峰值大约出现在09∶00LT，随后发生率有所下降，在14∶00LT附近又开始上升，并在18∶00LT附近达到第二个峰值.

春季期间FSF的出现时间范围和出现率都大幅减小，4月份白天的正午已经没有FSF出现.夏季期间FSF的出现时间范围最小，主要为18∶00-03∶00LT.进入秋季后，其出现的时间范围又逐渐变大，在一些日子的正午附近时段又可观测到FSF.

统计结果表明，MSF也是Yakutsk地区经常观测到的一类SF.图5给出了2006年1—12月Yakutsk台站MSF出现率的地方时变化.

从图5可以看出，Yakutsk站MSF的出现率在夏季最高.其在各季节都主要出现在18∶00—06∶00LT，并且在8—12月的09∶00—18∶00LT也有发生.

本文也对Yakutsk台站RSF和BSF的出现率进行了统计分析，结果表明，RSF和BSF的出现率比FSF和MSF都小得多，一般都低于10%.RSF在各个季节主要都出现在18∶00—03∶00LT，BSF主要出现在21∶00—06∶00LT.

2.3 两台站结果对比分析

从以上分析可以得出，在出现时间范围和出现率大小两方面，高纬Zhigansk和Yakutsk台站在各季节都是FSF的发生最为活跃，这与熊年禄等人给出的高纬地区最常观测到频率型扩展的结论相同.统计分析结果还表明，MSF也是这两个高纬台站经常观测到的一类SF现象.各季节期间在两台站出现率最低的是 RSF和BSF.

不仅在各季的夜间，两台站在白天也可观测到FSF的发生，统计结果表明白天FSF的发生率具有季节变化：冬季最高，分季大幅减小，夏季几乎为零，表现出随着白天时间变长而降低的特点.两台站MSF在各季节均主要出现在18∶00—06∶00LT时段.RSF和BSF在两个台站出现时间范围最小，发生率最低；Zhigansk站RSF只在冬季和分季某些日子的日出和日落附近出现，而Yakutsk台站RSF则主要出现在夜间的18∶00—03∶00LT，并且几乎在各季节都能观测到；两台站BSF都只在分季、冬末以及初夏某些日子的午夜前后出现.

图4 2006年Yakutsk台站1—12月FSF发生率的地方时分布

图5 2006年Yakutsk台站1—12月MSF出现率的地方时分布

3 讨 论

Bowman等人提出电离层F层电子密度出现较大梯度时可能会导致FSF的发生[12-14].大量探测资料表明，通常在夜间高纬电离层中存在着电子密度谷区(称为主电离槽).在冬季和分季的黄昏一直到日出前，主电离槽的出现率都较高，夏季期间主电离槽则主要出现在午夜附近[15-16].有关主电离槽的研究结果表明其边界具有较大的电子密度梯度[17-18].Nichol对位于南半球电离槽附近的Hobart 和Canberra两个台站的SF数据进行分析后指出，这两个地区SF的发生率在电离槽出现时都较高，他认为高纬电离层SF的产生与电离槽密切相关[19].Pirog等人根据北半球8个台站(包括 Zhigank和Yakutsk)的电离层测高仪观测数据也发现了电离槽现象[20].本文对Zhigank和Yakutsk两台站FSF发生时间统计的结果表明：两台站FSF都主要发生在夜间，并且冬季FSF的发生率大于夏季，这与高纬电离槽出现时间及出现率的季节特点相似，因此本文认为两台站的FSF也可能主要与电离槽密切相关.当电离槽区域扫过台站时，台站上空电离层增大的电子密度梯度引起了电离层FSF现象.而从图2和图4还可看到Zhigansk和Yakutsk两个台站FSF的出现率在冬季的白天也较高，说明电离层FSF的产生不只与电离槽有关，还可能受到其他因素的作用.一个重要的因素可能来源于磁层和高纬电离层之间复杂的相互作用[21]，在这些作用下，磁层发电机和电离层扰动发电机输出的电场可通过等离子体E×B不稳定性在高纬电离层中产生电子密度不规则体[22]，继而导致FSF的发生.

在各个季节，Zhigansk和Yakutsk两台站的MSF主要都出现在夜间的18∶00—06∶00LT.这可能与高纬夜侧电离层的粒子沉降有关.Akasofu指出太阳风能量输入的一部分储存在地球磁尾，在磁层亚暴期间爆发性的释放，最终耗散在地球的电离层和大气中.亚暴耗散的能量会导致夜侧高纬电离层局部地区粒子沉降和焦耳加热[23-24]，使得电离层电导率显著增大，引发高纬电离层电场的变化.焦耳加热对高纬尤其是极光带区域的电离层也将产生强烈的扰动，这些变化和扰动可能也是引起MSF发生的主要原因，这些都还需要进一步的深入研究.另外，AE-C卫星对主电离槽观测统计分析结果表明各季节主电离层槽主要出现在夜侧，因此电离层槽也是引起Zhigansk和Yakutsk两台站MSF的因素，但非主要因素.

Rastogi 和 Woodman指出RSF的产生是由于电离层F层底部出现大尺度的不规则体所造成的[25].因此在高纬地区，RSF出现率非常小可能是由于高纬地区电离层扰动主要源自顶部，而来自底部的扰动相对较少.

高纬两台站BSF的出现时常伴随着电离图空缺现象，这说明此时电离层对电波的吸收作用非常强烈.有文献报道高纬空缺现象可能与极光椭圆带有密切关系[26]，因此BSF的发生可能也与极光椭圆带有关.

4 结 论

本文根据高纬地区Zhigansk和Yakutsk两台站DPS-4电离层垂直测高仪在2006年的频高图观测数据，分析研究了这两个地区各类型扩展F的发生时间以及季节变化特性.研究结果表明：FSF是两个台站经常观测到的SF类型，其不仅出现在各季的夜间，在冬季和分季的白天也可被观测到，并且白天FSF的出现率随着白天变长而降低；MSF是两个台站经常观测到的另一种SF类型，两台站MSF出现的时间范围大致都在18∶00—06∶00LT；RSF和BSF在两个高纬台站的出现率最低.

通过分析讨论，本文认为Zhigansk和Yakutsk台站FSF的发生主要与电离槽有关，等离子体E×B不稳定性也是导致FSF的发生的可能因素；两台站MSF的发生可能主要是来自磁尾的粒子沉降和焦耳加热引起的；BSF的出现常伴随着电离图空缺现象，其发生可能与极光椭圆带有关.这些都需要更多的观测和理论研究来验证.

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