电离层O+83.4 nm日辉辐射传输特性研究

王大鑫，付利平，江 芳，贾 楠，3，4，窦双团

1. 中国科学院国家空间科学中心，北京 100190 2. 中国科学院大学，北京 100049 3. 天基空间环境探测北京市重点实验室, 北京 100190 4. 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室, 北京 100190

引 言

地球电离层是空间大气的重要组成部分，它的活动特性直接影响无线电波的传播[1]。对地球大气极远紫外气辉辐射进行测量是研究地球电离层和热层的重要天基遥感手段。对于电离层F层(100～500 km)区域，氧离子占离子浓度的95%，并认为其浓度可以近似等同于该高度范围内的总等离子体密度[2]，因此测量O+相关的气辉辐射可以获得电子密度的分布情况。

利用对白天电离层F层83.4 nm气辉辐射进行临边探测，获得电离层电子密度扩线最初是由McCoy[3]等提出的，这项工作为以后一系列通过临边扫描和临边成像来进行遥感探测的卫星任务奠定了理论基础。国际上进行83.4 nm波段遥感探测任务主要包括空间站的大气层电离层遥感探测系统RAIDS[4-5]，ARGOS卫星上的低分辨率气辉极光光谱仪LORAAS[2, 5]，国防气象卫星计划DMSP上搭载的紫外临边成像仪SSULI[2, 5]以及安装在国际空间站(ISS)上的临边成像电离层热层极紫外光谱仪LITES[6]。此外，2019年发射的ICON卫星计划将对电离层几大因素进行综合探测，包括中性风、大气成分、大气温度、等离子体速度等。卫星上配置的载荷极紫外光谱成像仪(EUV Spectrograph)，可以通过对日侧83.4和61.7 nm波段进行临边探测，获得白天电离层扩线及峰值电子密度信息[7-8]。

目前，国内对83.4 nm日辉发射机理及探测技术的研究处于起步阶段，本文重点研究了极紫外83.4 nm日气辉的产生机制及辐射传输原理，并用AURIC 模型计算了O+83.4 nm初始体发射率、共振散射作用下的总体发射率和临边柱辐射强度等分布情况，并给出83.4 nm日辉辐射强度与太阳活动、地磁活动间的关系。

1 O+83.4 nm气辉辐射传输原理

O+83.4 nm辐射的主要来源是太阳EUV气辉辐射(λ<43.6nm)[2]对低热层氧原子内壳电子的光电离，电离后O+处于激发态，然后发生能级跃迁(2s2p44p→2s22p34s0)[3]返回基态，并发出83.4 nm的光辐射。该辐射是一个三重态83.4 nm(83.275，83.333，83.446 nm)[3]的辐射光谱，是紫外日气辉能被观测到的最明显的OⅡ特性[3]，其光电离方程可表示为[9]

(1)

O+83.4 nm辐射的次要来源是低热层原子氧的光电子碰撞电离，同样碰撞激发电离产生激发态的O+，然后内部辐射跃迁返回基态，并产生O+83.4 nm气辉辐射，碰撞电离可表示为[10]

O+e→O++2e+83.4 nm

(2)

碰撞电离对总的柱发射率贡献约为10%[2]。由氧原子的极紫外光电离和光电子碰撞激发两个主要过程产生的83.4 nm光子峰值高度主要在200 km以下的低热层。然后，两个过程电离产生的O+进入电离层F层内，与主要离子O+发生多次共振散射[2-3]，这个过程可以使O+83.4 nm的体发射率在F层附近显著增强，因此，不同的O+分布将导致不同的F层临边强度剖面[3]。

此外，83.4 nm日气辉辐射的来源还包括O+的电子碰撞激发和太阳83.4 nm光子的直接散射。因为O+柱密度比原子O低几个数量级，所以O+的直接电子碰撞激发看作一个小贡献，可以忽略不计。但太阳83.4 nm光子的直接散射很难与O+83.4 nm辐射区分测量，Feldman等对太阳通量进行合理评估后，认为其对83.4 nm总辐射率的贡献很小[11]，且仅对约400 km以上的辐射剖面有微小贡献，因此这两个辐射源均可忽略不计。

假设在平面水平大气中，若满足各向同性、守恒散射以及完全频率重分布的条件，则正演模型可给出体发射率，可表示为[3, 7]

(3)

其中，jk(z)为高度z处的体发射率，j0k(z)为高度z处的初始体发射率，包含太阳83.4 nm共振散射源[3]。第二项为O+多次共振散射源项，其中，σ0k为共振散射截面，NO+(z)为高度z处的氧离子数密度，z0为初始光子产生源高度，τk为与共振散射相关的光学厚度，tk为与吸收相关的光学厚度，包括N2, O以及O2的吸收[3]。H即Holstein概率函数，表示一个光子从区域(z′,z′+dz)传输到(z,z+dz)过程中，在某一点经历共振散射的概率[12]。

体发射率沿着视线方向积分即得到柱辐射强度I[3, 7]，即[7]

(4)

图1 O+83.4 nm辐射传输示意图Fig.1 Schematic diagram of the O+83.4 nm radiation transfer

2 O+83.4 nm气辉辐射模式计算结果分析及验证

大气紫外辐射积分代码AURIC(Atmospheric Ultraviolet Radiance Integrated Code)是美国计算物理公司CPI(Computational Physics, Inc.)和空军Phillips实验室联合开发的用于研究热层80～1 000 nm辐射光谱的大气辐射传输模型，可以用于计算光电子通量、体发射率和辐射强度等[13]，是目前可用于极远紫外波段辐射模拟研究的通用模型。本文利用AURIC v1.2对电离层O+83.4 nm日气辉辐射模拟，获得卫星高度以下电离层体发射率、柱辐射强度等参量，并研究83.4 nm气辉强度在赤道异常区以及其随太阳活动、地磁活动等不同条件影响下的变化规律。

2.1 O+83.4 nm气辉辐射随高度变化

83.4 nm气辉辐射强度与氧原子分布有关，并随高度变化。分别选取一个太阳活动周期内太阳活动低年(1986年)、太阳活动峰年(1989年)、太阳活动高年(1992年)中同一天，位置为地磁赤道附近，利用AURIC模式对O+83.4 nm辐射体发射率随高度的分布进行仿真计算，模拟高度为0～850 km(文中假设卫星为太阳同步轨道卫星，轨道高度850 km)，观测角为90°～118°，模拟仿真选用参数如表1所示。

表1中Year和Day表示日期，UT为世界时，F10.7为太阳活动指数以及81天太阳活动指数平均值〈F10.7〉。

仿真结果如图2所示。

图2为一个太阳活动周期内不同年份中同一天的体发射

表1 AURIC模型参数Table 1 The parameters of AURIC

率随高度变化的扩线图，实线表示考虑多次共振散射的体发射率，虚线是光电子碰撞电离的体发射率，点划线是光电离激发的体发射率。随着高度的增加，体发射率先增大后减小，在200～300 km高度达到峰值，此时光电离激发过程为主要过程。不考虑多次共振散射时，83.4 nm气辉辐射的初始体发射率峰值高度在大约200 km高度处，这是因为氧原子主要分布在200 km以下的低热层，通过光电离激发过程和光电子碰撞过程产生的83.4 nm辐射强度在大约200 km处达到峰值。而考虑多次共振散射后，O+向上扩散进入电离层F层过程中，与O+发生多次共振散射，使O+83.4 nm的体发射率在F层附近明显增强，因此各个高度的体发射率不仅考虑该高度处的初始体发射率，还应考虑来自其他高度散射过来的辐射贡献[14]。

图2 体发射率随高度的分布Fig.2 The distribution of volume emission rates with height

2.2 O+83.4 nm气辉辐射与太阳活动、地磁活动的关系

从图2可以看出，83.4 nm气辉辐射强度与太阳活动有关，太阳活动高年的辐射体发射率明显大于太阳活动低年，且峰值高度也要高于太阳活动低年。这是由于不同太阳活动条件下，低热层O原子的光电离速率不同。太阳活动越剧烈，光电离产生的O+和电子浓度越大，产生的83.4 nm气辉辐射强度就越强，因此太阳活动高年83.4 nm气辉辐射体发射率越大。而O+浓度越大，向F2层扩散越剧烈，共振散射现象越明显，因此太阳活动高年，O+83.4 nm辐射体发射率的峰值高度升高，这与电离层电子密度的变化趋势一致，进一步说明83.4 nm辐射的扩线分布与电离层电子密度扩线分布有着很好的相关性。

同一个太阳活动周期，选取模拟年份与表1相同，日期为春分点附近，此时太阳直射点经过赤道，继续向北移动。固定经度25°不变，观测高度为500 km，观测角为90°～118°，世界时为12点，对临边柱辐射强度随切点高度变化进行模拟仿真，结果如图3所示。

图3为同一太阳活动周期内三个年份中同一天的临边辐射强度随切点高度的变化，色度表示O+83.4 nm的临边柱辐射强度(R)，由图可知太阳活动的剧烈程度直接影响O+83.4 nm气辉临边柱辐射强度，在南北半球低纬处出现两个极大值，说明O+83.4 nm辐射强度与电离层赤道异常现象有很好的对应关系，且太阳活动高年赤道异常现象更加明显，因此O+83.4 nm日辉辐射与电离层电子密度有非常好的相关性。

选择表1前两组数据中的日期、时间，太阳活动指数F10.7分别取70，120，170，230，270和300，画出O+83.4 nm气辉柱辐射强度随切点高度变化的曲线图，如图4所示。

图4为表1内前两组数据中的年份日期下仿真得到的临边柱辐射强度随太阳活动分布的扩线图。由图可知，当F10.7的值越大时，83.4 nm气辉临边柱辐射强度也越强，即随着太阳活动的增强，83.4 nm气辉临边柱辐射强度也会呈现不同程度的增加，其原因是太阳活动增强会导致低热层O原子的光电离速率增强，进而导致83.4 nm气辉辐射增强[15]，尤其是短波辐射增强会导致极紫外波段气辉增强。两图相比，也会看出太阳活动高年，柱辐射强度变化速率更快。太阳活动除影响辐射强度外，柱辐射强度的峰值高度也会相应变化，即太阳活动越剧烈，83.4 nm辐射强度峰值高度越高。

图3 临边柱辐射强度随切点高度、纬度的分布(春分点附近)(a): 1986年(太阳活动低年)； (b): 1989年(太阳活动峰年)；(c): 1992年(太阳活动高年)

Fig.3 The distribution of limb column emission intensity with altitude and latitude (near the vernal equinox)

(a): 1986 (Low solar activity); (b): 1989 (Peak year of solar activity); (c): 1992 (High solar activity)

选择表1前两组数据中的日期、时间，地磁活动指数Ap分别取3，70，110，160，200和250，画出O+83.4 nm气辉柱辐射强度随切点高度变化的曲线图，如图5所示。

图4 临边柱辐射强度随太阳活动的分布磁赤道附近，SZA为73°Fig.4 The distribution of limb column emission intensity with solar activity Near the geomagnetic equator, SZA=73°

图5 临边柱辐射强度随地磁活动的分布地磁赤道附近，SZA为73°Fig.5 The distribution of limb column emission intensity with solar activity Near the geomagnetic equator, SZA=73°

图5为表1前两组数据中的年份日期下仿真得到的临边柱辐射强度随地磁活动分布的扩线图。由图5可知，当Ap的值增大时，O+83.4 nm气辉临边柱辐射强度随之增强，并且太阳活动高年的临边柱辐射强度值明显高于太阳活动低年，即O+83.4 nm气辉辐射强度与地磁活动指数Ap主要呈现正相关的关系，因此地磁活动的变化会引起大气主要离子成分的变化，进而影响其柱辐射强度变化。

3 结 论

基于极紫外日辉辐射算法，提出了氧离子83.4 nm日辉辐射的计算方法。并用AURIC v1.2模拟了O+83.4 nm日辉辐射与高度、纬度、太阳活动、地磁活动等电离层参量的相关性。气辉辐射随纬度的变化主要呈现出赤道异常现象，且太阳活动越剧烈，赤道异常现象也越明显，与电离层电子密度变化趋势一致。气辉辐射强度及分布特性受太阳活动、地磁活动的影响，并均呈现正相关的关系。

太阳活动、地磁活动越剧烈，会导致低热层O原子的光电离速率增强，则光电离产生的O+和电子浓度就越大，即太阳活动、地磁活动均会影响大气成分的变化，进而影响气辉辐射强度的变化。氧离子83.4 nm日辉辐射与电离层电子密度分布有着非常好的相关性，是对日间电离层进行光学遥感监测的最佳手段之一，对于反演获得白天电离层F层电子密度扩线等电离层参量具有重要意义。