X射线耀斑期间电离层VTEC的时变率

管　斌，孙中苗，朱永兴，刘晓刚

1.信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州，450052；2.地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054；3.西安测绘研究所，陕西 西安，710054



X射线耀斑期间电离层VTEC的时变率

管斌1,2,3，孙中苗2,3，朱永兴2,3，刘晓刚2,3

1.信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州，450052；2.地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054；3.西安测绘研究所，陕西 西安，710054

利用通过GEO卫星双频载波相位观测量计算电离层垂直总电子含量时变率(RVTEC)的方法，研究了RVTEC对太阳X射线耀斑的响应。根据载波相位观测方程，得到了RVTEC的计算公式。选取3个MGEX测站对2013～2015年间9次X级耀斑的观测数据进行了计算分析，主要结果包括：①X级耀斑期间RVTEC不一定发生明显的增大；②RVTEC与耀斑的级别、太阳天顶角没有绝对的对应关系；③所有X3.2级以下耀斑观测结果中RVTEC最大不超过0.03TECu/s。

X射线耀斑；垂直总电子含量变化率；地球静止轨道；载波相位；电离层

1　引　言

地球高层大气在太阳X射线和极紫外辐射的作用下被加热、解离，还被部分电离形成了电离层。太阳耀斑爆发期间向外界辐射多种频段的电磁辐射，其中的紫外辐射和X射线会造成电离层电子密度的增加，引起多种电离层扰动现象[1]，这些现象包括突然频率偏移、突然相位异常、突然频率吸收、耀斑的地磁效应及突然总电子含量增加等。

根据观测手段的不同，耀斑主要分为光学耀斑、X射线耀斑等。电离层总电子含量(total electron content, TEC)对X射线耀斑的响应广受关注，近年来许多学者通过GPS观测数据对其进行了研究。文献[2]研究了耀斑位置与TEC突增的关系，认为TEC增加不仅与耀斑级别有关系，而且与耀斑日面位置也有关系。文献[3]认为耀斑引起的TEC变化率与耀斑的辐射能量成正比，与Chapman函数(约等于sec(χ)，χ为太阳天顶角)成反比，即天顶角越大，TEC变化率越小。文献[4]认为耀斑期间向日面电离层出现了总电子含量突增事件，并得到“太阳天顶角越大，TEC增幅越小”的结论。文献[5]利用中低纬度的GPS跟踪站在太阳耀斑发生期间均监测到了总电子含量的突增现象，且与X射线辐射通量具有很好的一致性。文献[6]利用多个测站多条视线方向GPS观测数据的平均值，得到较为明显的TEC对X级耀斑的响应。文献[7,8]等也进行了相关的研究，在此不再赘述。

上述研究对TEC变化量进行了系统的分析，但对TEC变化率仅描述了现象，没有定性分析。然而TEC变化率是反映电离层动态变化的重要参数之一，同时垂直总电子含量(vertical TEC, VTEC)的时变率(rate of change of VTEC, RVTEC)对X射线耀斑的最大响应值得探究，因此，本文研究了RVTEC对太阳耀斑的响应。由于在太阳耀斑中电离层主要受X射线耀斑的影响，因而本文仅研究RVTEC对X射线耀斑的响应(后文中耀斑均特指X射线太阳耀斑)。

耀斑期间TEC响应的研究大都通过GPS观测数据来实现[1-8]，所得结果包含了时变部分与空间变化部分。北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)中包含了5颗地球静止轨道(GEO)卫星，由于GEO卫星的相对静止特性，利用对GEO的观测数据可以直接得到VTEC的时变率而排除空间变化部分的影响。另外，现有文献通过GPS观测数据分析TEC的变化率通常采用1 min或30 s采样间隔的载波相位观测数据，然而耀斑的持续时间由几分钟到几十分钟不等，利用以上采样间隔的数据无法得到VTEC的小尺度变化细节。本文采用1s采样间隔的观测数据，可以得到RVTEC更加细致的变化结果。

综上，本文通过GEO卫星双频载波相位观测数据，研究VTEC时变率对太阳X射线耀斑的响应。

2　计算方法

文献[9]给出了通过GPS观测数据计算VTEC在相邻两历元穿刺点上差值的公式：

ΔVTEC=F[(λ1φ1-λ2φ2)i+1M(zi+1)-(λ1φ1-λ2φ2)iM(zi)+(λ1N1-λ2N2+R1-R2)·(M(zi+1)-M(zi))]

(1)

(2)

其中R是地球平均半径，α=0.9782，H是电离层单层模型的高度，本文选定H为350km。

式(1)同样适用于对BDS卫星的观测。由于GEO的静地特性，对GEO卫星观测结果具有特殊之处，即卫星天顶角距z在相邻两历元几乎无变化，有zi+1=zi，故式(1)可以简化为

ΔVTEC=F[(λ1φ1-λ2φ2)i+1-(λ1φ1-λ2φ2)i]M(zi)

(3)

设载波相位观测值的变化量分别为Δφ1=φ1i+1-φ1i，Δφ2=φ2i+1-φ2i，则

ΔVTEC=F[(λ1Δφ1-λ2Δφ2)]M(zi)

(4)

将ΔVTEC除以历元之间的间隔时间Δt即可得到RVTEC，如式(5)：

(5)

由式(5)，RVTEC的误差主要来源于载波相位相对变化量的测量误差，对实测数据的误差分析结果表明，RVTEC的精度约为4×10-3TECu/s。

3　数据选取

太阳耀斑按照其X射线峰值的流量可分为A、B、C、M、X五级，所释放能量依次增大。由于M级以下耀斑对电离层造成的影响不易通过对GNSS卫星进行观测的方式获取[6]，而本文注重于分析RVTEC对耀斑的最大响应，因而本文仅研究X级耀斑的影响。

采用IGS[12]的MGEX[13]项目数据进行计算分析。MGEX项目是多模多频GNSS实验项目，其测站具有对多种卫星导航系统观测的能力。该项目从2012年1月开始实施，2012年底才开始陆续有对BDS信号的观测，因而本文仅对2013年后的耀斑事件进行分析。设定30°为对卫星观测的截止仰角，选择对BDS具有观测能力并处于能够有效观测GEO卫星区域的测站，测站信息见表1。表1中“起始时间”为各测站对BDS具有观测能力的时间(自2013年始，格式为yymmdd)；LT代表当地时间，UT代表世界协调时。另有两测站PTGG与SEYG，投入观测时间较晚，虽然具备对BDS的观测能力，然而投入运行后的几次X级耀斑发生时均不在有效观测范围，故表1中未将其列入。

美国发射的一系列GOES(Geostationary Operational Environmental Satellite)卫星可持续观测太阳X射线能量[14]，根据美国空间天气预报中心(Space Weather Prediction Center, SWPC)发布的源于GOES卫星观测数据的X射线太阳耀斑记录，2013至2015年间，X级耀斑发生的次数分别为12、16、2，耀斑最强的为2014年2月25日发生的X4.9级耀斑。

表1测站信息一览表

序号测站名起始时间测站坐标30°以上的GEO卫星LT1JFNG130101114.491°E,30.515°NGEO01,GEO02,GEO03UT+8h2MAYG14012145.258°E,12.782°SGEO02,GEO05UT+3h3NKLG1403019.672°E,0.354°NGEO05UT+1h

图1　2013年至2015年期间X级耀斑发生情况

由于耀斑仅对处于向日面地区的电离层产生影响，TEC增量的大小与耀斑爆发地方时有直接关系，中午时段比晚间更大[15]，且太阳天顶角越大，TEC变化率越小，TEC增幅越小[3,4]，而本文主要研究耀斑对RVTEC的最大影响，因而仅对耀斑发生期间处于向日面并限定LT处于9:00至15:00之间(后文中称以上条件为“观测条件”)的测站进行分析。结合表1中测站信息以及GOES卫星的观测记录，可得3年间全部X级耀斑的发生情况如图1所示。

图1中，“不可有效观测”代表爆发期间可用测站均不满足“观测条件”的耀斑；“无IGS观测数据”代表爆发期间有测站满足“观测条件”，但由于未知因素影响(可能恰为所发生耀斑的影响)，IGS观测数据质量太差而未发布观测数据的耀斑(如图中X4.9级耀斑)，“观测数据有效”代表爆发期间有测站满足“观测条件”且观测数据有效的耀斑。现将图1中“观测数据有效”的X级耀斑信息列于表2，其中时间均为UT时间，格式为hhss，“峰值时间”指X射线通量达到最大值的时间，χ为峰值时间测站观测太阳的天顶角，其计算方法见文献[16]。

表2用于分析的2013～2015年间耀斑信息

序号发生日期开始时间结束时间峰值时间量级观测测站χ(°)a1305130153023202171.7JFNG29.9b1305140000012001113.2JFNG43.8c1305150125015801481.2JFNG23.4d1311100508051805141.1JFNG50.5e1406101136114411422.2MAYG53.7f1406101136114411422.2NKLG23.3g1406101236130312521.5NKLG31.7h1406110859091009061.0MAYG35.9i1410190417054805031.1JFNG42.8j1410221402145014281.6NKLG51.6

4　计算与分析

根据文献[3,4]，当强烈的X射线耀斑爆发时，TEC的变化与耀斑的爆发呈现良好的一致性，即伴随耀斑X射线的到达，TEC明显增加，伴随耀斑的结束，TEC开始缓慢变化，因而本文仅对耀斑发生前后一小段时间内RVTEC进行分析，对应于表2中各测站的RVTEC响应，如图2所示。为了将测站对不同GEO卫星的观测结果呈现于一张图中，图2中分别对不同卫星的RVTEC加减了相应常数以示区分。

图2 　X级耀斑期间的RVTEC响应

由表2与图2知，图2(a)、(b)、(c)、(g)、(h)、(i)所对应的耀斑发生期间，测站所观测的RVTEC并没有明显地发生变化；图2(d)、(e)、(f)、(j)所对应的耀斑发生期间有一小段时间，RVTEC发生了相对明显的增大。其中，图2(d)中所观测到的RVTEC变化是最为明显的，对三颗GEO卫星观测的RVTEC变化呈现高度一致性，并与耀斑的发生情况(见表2)相吻合，与之相对应的VTEC相对变化情况如图3(d)所示。由图3(d)知，该次耀斑发生期间JFNG测站附近区域的VTEC约增加了2TECu。图3(e)、(f)、(j)为分别对应于图2(e)、(f)、(j)的VTEC相对变化情况，图2中其它图所示耀斑发生期间VTEC的变化情况不再赘述。

图3　耀斑期间VTEC的相对变化

综合表2、图2、图3可得：

①耀斑发生期间RVTEC并不一定发生明显的增大，如图2(a)，虽然X2.8级耀斑发生期间JFNG测站观测太阳的天顶角约30°，但RVTEC并未呈现明显变化。

②即使耀斑发生期间RVTEC出现了明显的增大，但RVTEC持续高出正常水平并不贯穿于整个耀斑过程，如图2(j)所对应的X1.6级耀斑开始于14:02，结束于14:50并于14:28达到射线通量最大值，但NKLG测站观测的RVTEC仅在耀斑开始阶段有2 min高出正常水平，后回归到缓慢变化状态，在图2(d)、(e)、(f)中具有相同的体现。

③耀斑所引起的VTEC的最快变化并不一定发生在X射线通量最大的时刻，如图2(j)，耀斑于14:28达到射线通量最大值，然而此时RVTEC已经恢复到正常变化水平。

④耀斑的发生对RVTEC的影响不可一概而论，相同级别的耀斑对于太阳天顶角相同的地区所造成的影响可以不同，强度高的耀斑可能并不会引起明显的RVTEC变化(如图2(b)所示X3.2级耀斑)。耀斑发生期间RVTEC与耀斑的级别、太阳的天顶角距没有绝对的对应关系，耀斑对RVTEC的影响势必受空间环境中其它一系列因素的影响。

⑤图2(e)与图2(f)分别为MAYG与NKLG两个测站对同一次耀斑进行观测计算得到的RVTEC变化序列，耀斑发生期间分别对应于两个测站地方时的14：30与12：30，VTEC均呈下降趋势，期间太阳天顶角分别对53.7°与23.3°，而由图3(e)与图3(f)知，VTEC分别最多增大了0.5TECu与0.7TECu。从而，对同一耀斑发生期间处于向日面不同位置2个测站的观测结果比较显示，即使当VTEC呈下降趋势时，在耀斑的影响下VTEC也可能阶段性增多，且太阳天顶角较小时VTEC增加的幅度较大。

⑥耀斑会引起RVTEC的明显变化，然而概率并不高。综合所有可用观测数据，X3.2级以下耀斑观测结果中RVTEC最大不超过0.03TECu/s。

将以上方法应用于耀斑期间RVTEC的研究，虽然能够分离开VTEC在空间上变化的影响，直观地得到耀斑发生期间VTEC的时变情况，然而也存在一些缺点。主要体现在：①由于目前长期进行BDS系统数据观测并公开数据的测站较少，因而直接获取VTEC时变率的可用观测数据较少；观测数据不足以分析VTEC时变率与耀斑的强度、太阳天顶角之间的关系。②耀斑发生期间，向日面测站的观测数据常常因为质量较差而不进行发布，在特大耀斑发生时，该方法可能因获取不到数据而无法计算RVTEC。由于可用测站有限，电离层穿刺点的分布受限，所得结果中并不完全包括耀斑发生期间RVTEC的最大变化情况，相关的分析有待通过布设更多的测站进行更全面的观测来实现。

5　小　结

X射线太阳耀斑发生时，向日面地球电离层受其影响电子密度会发生不同程度的增加，而对该问题的研究大都集中于对TEC变化量的分析，没有关于TEC变化率响应的定性研究。本文根据对BDS的GEO卫星1s采样间隔的双频载波相位观测数据，计算分析了X级X射线耀斑期间RVTEC的变化情况。筛选了3个MGEX项目测站对2013～2015年间的9次耀斑进行分析，得到了RVTEC对X射线耀斑的个例响应特性，所得结论有益于对电离层变化特性的系统研究。

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Time Variation Rate of Ionospheric Vertical Total Electron Content in X-Ray Flares

Guan Bin1,2,3, Sun Zhongmiao2,3, Zhu Yongxing2,3, Liu Xiaogang2,3

1.Institute of Geospatial Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China 2. Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China 3. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China

Time variation rate of ionospheric vertical total electron content (RVTEC) is calculated using dual-frequency carrier-phase observations of GEO satellites and its response to solar X-ray flare is studied in this paper. The formula for calculating RVTEC is deduced according to carrier-phase observation equation. Three MGEX stations are selected to calculate the observation data of nine times of X-class flares occurred during 2013 to 2015, and the results show that: (1) RVTEC does not always increase obviously during X-class flares; (2) there is no absolute relationship between RVTEC and the level of flare or solar vertex angle; (3) the maximal observation results of RVTEC is 0.03 TECu/s for flares below X3.2 level.

X-ray flare; time variation rate of vertical total electron content; geostationary orbit; carrier-phase; ionosphere

2016-02-01。

国家自然科学基金资助项目(41174017)，国家自然科学基金青年科学基金资助项目(41304022)。

管斌(1988—)，男，工程师，主要从事卫星测高与卫星导航方面的研究。

P228

A