利用甚低频（VLF）信号开展对空间天气的研究

文 张雪峰 王友宁 马春生

利用甚低频（VLF）信号开展对空间天气的研究

文 张雪峰 王友宁 马春生

用甚低频（VLF）信号开展对空间天气的研究是一个比较新的领域。基站发射甚低频（VLF）信号，参加监测的站点用VLF监测仪接收、记录由电离层反射的（VLF）信号的强度变化情况，进行相关研究。该研究需要国际合作和长期的观测和数据积累。现就我校组织学生参加国际空间天气研究项目的做法和取得的部分成果进行介绍。

一、研究背景

太阳上出现的耀斑和日面物质的抛射等剧烈活动，给地球磁层、电离层和中高层大气造成扰动和破坏，严重时会危害卫星运行和安全，影响人类的健康。这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化，称之为空间天气。相对于地面天气而言，空间天气发生在距离地面30公里以上。空间天气的研究对于人类来讲还是一个比较新的领域，对于空间天气的研究需要大量的观测数据。美国斯坦福大学太阳中心“太阳耀斑活动影响地球的规律” 研究项目得到联合国教科文组织的资助。但此资助的前提是必须要有科普项目，为此该中心在全球建立了空间天气信息监测收集系统，组织八十多个国家一百多所学校参加监测研究。

基站发射甚低频（VLF）信号，各参加监测的学校用VLF监测仪收集由电离层反射的甚低频（VLF）信号，记录反射信号的强度变化情况，将记录数据传送到太阳中心，参加该项目的学校可组织学生进行空间天气的课题研究，并得到美国斯坦福大学太阳中心和所在国天文台的支持和帮助。

中国参加空间天气监测项目的学校有2所，我校是被南京紫金山天文台推荐为实施监测项目的学校之一，在多年的监测中，我校是中国唯一持续监测并一直和斯坦福大学太阳中心在研究上保持联系的中学。

通过开展空间天气观察和电离层监测活动，我校开设了校本课程《空间天气预测》，组织学生学习空间天气方面的知识，在学生中普及空间天气知识，在监测活动中探索空间天气的奥秘。

二、VLF监测仪的调试和数据采集

1.VLF监测仪工作原理

斯坦福大学的太阳研究中心同电子工程系的甚低频研究组和当地的教育家们开发了费用较低的空间天气监测仪。在学校就能够安装和使用这种监测仪。该监测仪能监测太阳耀斑和其他干扰引起的地球电离层变化。学生只要花10～40美元就可买到天线组件，完成安装也只需几个小时。数据的收集和分析均可用计算机完成，对计算机的运算速度并无很高要求。

图1和图2分别为监测仪的正、反面，正面主要有一个天线输入端，接受来自天线的信号。背面有一个数据输出口，将放大后的信号传输到数模转换器，再将数字信号输入电脑。

图1

图2

2.设备调试与使用

将监测仪与计算机、天线连接起来就构成了一个甚低频信号接收系统，如图3所示。天线使用直径0.4 mm左右的普通铜线绕制，可以绕城圆形或方形，如果绕在边长为1 m的方框上（如图4所示），建议圈数不少于25圈。一般来讲，天线越大、圈数越多信号越强。选择合适的位置摆放天线，发射点与接受点的连线应处于天线构成的平面上。可以用耳机或者扬声器接在音频插口监听信号，好的信号听起来音调低沉。如果信号不理想，可以调节Amp旋钮和无线电频率接受旋钮，直至得到稳定的信号。

图3

图4

3.数据的采集和上传

我校接收的是由澳大利亚西北角站点发射的经电离层反射的VLF甚低频信号。接收到稳定的信号后，就要对信号进行长时间的不间断采集，以观察不同空间天气影响带来的信号异常。数据通过Excel表单保存，每分钟记录12组数据。再使用Excel的制图功能，将一天内的数据绘制成图，就可以看出一天内甚低频信号的强弱变化，如图5所示：

图5

当确认监测器安装成功并且数据可以准确地被记录时，就可以将数据文件传至斯坦福大学的太阳中心数据库，那里可以共享全世界范围内的记录，可以根据时间或者站点名来搜索下载数据，进行空间天气的研究活动。数据库地址为：http://sid.stanford.edu/databasebrowser/ 。

三、空间天气监测研究

在多年的空间天气科普和监测活动中，我们利用该监测仪器进行了多个小课题的研究。这些课题的提出有些来自于斯坦福指导用书，有些来自于恰逢难得的自然天象，有些则来自于学生活动中发现的难题。下面举两个研究活动实例。

1.日全食监测

（1）问题的提出

2009年7月的日全食在南京可以观察到，日全食带恰好又扫过南京城市的南边缘，与信号传播路线垂直交叉。日全食发生的过程中VLF信号强度有无不同的程度变化呢？

（2）监测过程

这是一个难得的观测日全食对空间天气影响的机会。日食前，日全食监测小组的学生做了大量关于电离层和日全食知识方面的准备。7月22日当天，学生一到学校，就按分工进行监测跟踪。有的学生负责计算机监测数据的管理、有的学生进行日全食发生各环节时间的记录、有的学生监听日全食发生时收音机信号的变化。教师在监测现场，随时解答学生提出的问题。7月22日南京的天气不好，有雷雨，肉眼根本看不见太阳，但这却没有影响日全食监测小组对甚低频电磁波的监测，在整个日全食过程中，数据收集没有受到干扰。学生在监测中发现，在日全食发生的各个环节中，由澳大利亚发射的VLF信号在接收时，其反射强度都有不同程度的变化。

（3）数据分析及结论

用Excel将日全食当天和前后几天的VLF信号演化曲线绘制出来，以天为时间单位进行分析比较，如图6所示。再具体分析日全食发生过程中包括初亏、食甚、复圆等几个阶段的信号变化以及日全食前后时间段VLF信号的变化，讨论这些变化对应的电离层变化。

图6

（4）研究分析

教师引导小组学生思考和分析问题：

①我们接收的信号传播路径与日全食带的位置有什么关系？对数据的接受有什么影响？

②日全食期间VLF信号有什么异常变化，这意味着电离层有什么样的变化？

③历史上对日全食期间VLF信号的研究有什么样的结论？与我们有相同的结果吗？

小组学生结合本次监测数据和近几年来能够查阅的相关研究论文，分析比较后给出自己的答案：监测仪恰好处于日全食带边缘，接收到的信号是从日全食带反射回来的。将日全食期间的信号与前后几天相同时间段进行比较，信号明显变强，这意味着电离层的高度可能发生了变化，而且这种变化还存在提前和延后效应。和以往的日全食监测论文对比发现我们的数据与它们有相似的结论，可以彼此验证日全食效应。

此后学生还提出了新的问题，既然在日全食发生之前就有影响，那是不是意味着在一些重大自然现象比如地震发生之前，电离层会提前产生变化，也就是说也许人们能够发现一种预报自然灾难的方法。目前这个课题还在研究中。

2.VLF甚低频信号昼夜差反常的研究

（1）问题的提出

我们在收听短波广播时，一般晚上的信号质量要比白天好，但有学生发现南京站点接收的甚低频信号在白天的强度却要比晚上好，这是甚低频信号特有的现象，还是我们的仪器出了问题？ 带着这个问题，我们请教了相关专家。

（2）研究过程

在请教专家和查阅相关文件后这些疑问都没有得到合理的解释。

于是大家提出了研究的方案：首先监测本地数据，观察是不是天气或季节的原因。再从数据库中下载其他站点的数据加以比较，观察是否有和我们的问题相一致的数据，如果有再寻找共同点，观察是否能找出产生这种现象的原因。

通过长时间收集南京地区甚低频信号，反复比较昼夜信号强度差值，在长达半年的数据采集中，可以看出我们收集的澳大利亚站点发射的甚低频信号强度总是出现白天强于晚上的现象。

从斯坦福大学数据库中查看其他站点数据，在比较后发现，有些站点跟我们观察一致，信号昼强夜弱，有些站点信号强度恰好相反。

（3）研究分析

在分析比较中，活动小组的学生发现了规律：甚低频信号的传播路径经过赤道时，会出现昼强夜弱现象（图7中，左半幅为夜晚信号，右半幅为白天信号）。

图7

而甚低频传播路径传播路径只在南半球或北半球时，则昼弱夜强（图8中，左半幅为夜晚信号，右半幅为白天信号）。

图8

小组学生进一步猜测：这种现象的出现可能是赤道上空的电离层电子浓度不同引起，就此猜想请教了很多专家，但还没有得到定量的数据支持，也还没有能被相关的理论进行合理的解释。目前兴趣小组的学生依然在持续研究。

四、研究意义

1.空间天气研究搭建了科技活动国际交流平台

该活动是斯坦福大学组织，全球范围内八十多个国家参与，活动中能够共享全球各站点的数据，经常与斯坦福大学的指导人员保持联系，获得最新资讯，学生得到国内、国外的科技人员的指导，我们也把自己收集的数据上传的数据库以共享。该活动让我校的科技教育走出了国门，走向世界。

2.填补了学生空间知识的不足

学生从小学到中学，均没有接触过空间知识。在当今世界空间科技日益发展的形势下，学生对科技知识越发渴求。我校开设的空间天气预测校本课程满足了学生了解更多空间知识的学习愿望，弥补了学科课程的不足。

3.发现空间天气低频监测数据的规律和异常现象

在研究过程中，研究小组通过观察日全食期间信号的变化，发现空间信号异常，为研究地球重大自然变化的发生提供了预测的可能性。通过全球数据共享系统，研究与发现空间信号在不同区域的异常规律。

4.提升了学生的科学素养

我们成立了天文兴趣小组，开展系列的天文实践活动，培养了一批对空间和天文感兴趣的学生，丰富了学生的空间知识；培养了他们的动手动脑积极探究能力和科学论文的写作能力，提升了学生的科学素养。“空间天气监测研究”获得第28届全国青少年科技创新大赛青少年科技实践活动一等奖，学生撰写的论文“2009年7月22日日全食中甚低频信号的异常研究”发表在“天文学报”上。

作者信息

张雪峰，本科，中学一级。王友宁，本科，中学高级。马春生，本科，中学教授级高级。南京市田家炳高级中学，210037