JJI甚低频台站信号对太阳耀斑事件的响应特性

顾旭东， 罗凡， 彭锐， 李光剑， 陈欢， 王市委， 易娟， 李志鹏， 倪彬彬， 赵正予， 王琛， 袁丁

1 武汉大学电子信息学院， 武汉 430072 2 武汉纺织大学电子与电气工程学院， 武汉 430200 3 哈尔滨工业大学(深圳)空间科学与应用技术研究院， 深圳 150001

0 引言

依据观测手段的不同，太阳耀斑主要分为光学耀斑、X射线耀斑、质子耀斑和白光耀斑几类，其中X射线耀斑会对电离层产生最直接、最大的影响.国际上大多采用X射线的辐射强度对耀斑进行分级：A级、B级、C级、M级和X级(郭策等，2012)，其中，A级耀斑最小，对应的射线通量量级为10-8W·m-2，每增加一个等级，相应的射线通量增加一个数量级.甚低频(VLF)信号是指源于自然界或者人工台站的频率在3～30 kHz的电磁波信号，该频段的信号广泛用于潜艇通信(史伟等，2011)、电离层探测与遥感、地球物理勘探和近地空间环境的监测(Cohen et al., 2010).VLF信号主要在由低电离层和地球表面构成的波导内传播(Wait, 1968; 易娟等, 2019)，其传播效应除了受地球表面的影响外，还受电离层D层的影响(Thomson and Clilverd, 2001).在太阳耀斑爆发时，一般X射线通量会比平静时的数值大一个数量级以上，增强后的X射线以光速传到地球表面时会使得电离层D层的电离大大增强，电子浓度急剧增加(黄江等，2013).受电离层D层扰动的影响，VLF信号的传播就会出现异常，主要体现在信号的振幅和相位上(Thomson, 2010; Thomson et al., 2011).由于夜间电离层D层消失(Chakrabarti et al., 2010)，太阳耀斑发生时，通常只有传播路径在向日面的VLF台站信号有明显的响应(Nicolet and Aikin, 1960; McRae and Thomson, 2000).

对太阳耀斑引起的VLF信号异常事件的研究，除了上述的观测分析之外，还有部分学者结合模拟工作对这些现象背后可能的物理机制进行了研究.Palit等(2014)用LWPC(Ferguson, 1995)和GPI模型(Glukhov et al., 1992)模拟了VLF信号在不同等级太阳耀斑下的电离效应，并与实际观测做对比.该研究所用的数据来自印度空间物理中心的VLF接收机所接收到的NWC台站信号，选取了X级耀斑和M级耀斑对应的VLF信号扰动事件，通过模拟得到的VLF振幅扰动与实际信号大致吻合.Bouderba等(2016)用LWPC研究了NRK-ALG路径上太阳耀斑对VLF信号传播的影响.该研究利用了2007年到2013年间ALG接收站(36.7°N, 03.13°E，阿根廷)接收到的NRK(37.5 kHz，63.85°N, 22.45°W，冰岛)台站信号的数据，通过LWPC模拟该路径上接收距离不同时X射线耀斑导致的VLF信号扰动，结果表明VLF信号的振幅和相位的扰动正负号，即振幅和相位数值的增大或减小，主要取决于发射机与接收机之间的距离.

地基观测VLF信号振幅和相位的变化可以作为监测太阳耀斑的一种简便有效的方法，具有成本低、长期稳定等特点(赵协中和王小京，1990; 苏艳芳等, 2019).目前，尽管已经开展了一些相关研究，但是VLF信号的扰动与太阳耀斑之间的关系还不十分明晰，特别是中国中低纬度地区的甚低频信号的响应研究相对较少.本文利用武汉大学自主研发的VLF接收机观测的高质量数据分析了JJI台站-武汉和JJI台站-随州两条近似沿纬度方向传播路径上由太阳耀斑引起的JJI台站信号振幅异常现象，并对振幅异常事件进行统计分析与研究.所得结果不仅揭示了中国中低纬度、短传播路径的VLF信号对太阳耀斑的响应特性，而且还展示了两条大致相同传播路径对同一太阳耀斑的响应异同.

1 设备和数据

本工作所用的VLF数据来自武汉大学自主研发的甚低频信号探测系统，该系统由四部分组成：磁环接收天线、前端放大器、音频采集系统、PC端数据处理系统(Chen et al., 2016, 2017; Zhou et al., 2020; Yi et al., 2020; 陈隆等, 2020; 王市委等, 2020).磁环接收天线分为南北(N/S)、东西(E/W)两个通道，由两个正交的底边长为5.4 m的等腰直角三角形线圈组成，线圈匝数7圈，绕线直径为1.44 mm，天线阻抗为1 Ω-1 mH.天线将感应到的磁信号转化为电信号后传入接收前端，经由电流电压转换器、低噪声放大器和滤波模块，滤除噪声信号并放大微弱的有效信号.放大后的信号经过长电缆传入室内的主要由USB模块、AD转换模块、FPGA模块和GPA模块组成的采集系统，将模拟信号转化为数字信号，并提供标准世界时和经纬度.之后将量化后的数字信号传入PC端数据处理系统，通过处理软件提取VLF台站信号信息.

图1 JJI发射台站和VLF接收站的地理位置图Fig.1 The map of the locations of JJI transmitter and the VLF receiver

本文使用了湖北武汉(114°37′E,30°54′N)和随州(113°32′E,31°57′N)两接收站2017—2019年的日间(7∶ 00—18∶ 00)JJI甚低频观测数据.JJI发射站位于日本宫崎县(130°49′E,32°04′N)，频率为22.2 kHz，功率为200 kW.图1展示了JJI发射台站和两接收站的地理位置关系，图中，星标表示JJI发射机地理位置，圆点表示两个接收机地理位置.从图中可以看到，JJI台站和两接收站纬度相近，台站信号的传播方向与VLF接收系统的E/W通道方向相近，因此VLF接收机E/W方向的磁环天线可以接收到清晰的JJI信号.JJI台站到随州和武汉接收机的路径距离分别为1650.563 km和1568.287 km，因此属于短路径传播.由于夜间电离层D层的消失，夜间VLF信号的传播具有不确定性，接收到的VLF信号不稳定，所以本文对于夜间发生的太阳耀斑不做分析.

本文使用的耀斑数据来自GOES-15卫星记录的波长从0.1到0.8 nm的典型X射线辐射强度IX[W·m-2](https:∥satdat.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/full/).

2 观测结果

太阳耀斑会对VLF信号的传播造成影响，主要体现在接收到的VLF信号的振幅发生异常.图2为随州和武汉的接收系统在2017年9月8日监测到的JJI信号振幅异常扰动现象.红色线、黄色线分别代表武汉观测站与随州观测站信号的振幅随时间的变化，蓝色线代表GOES卫星记录的当日的X射线强度随时间的变化.太阳耀斑发生时，X射线通量快速增大，随州观测站和武汉观测站的JJI信号振幅都有不同的扰动.可以看到，两接收站点对于同一个耀斑事件的振幅响应并非完全相同，比如两地在13∶ 40前后的振幅变化，随州表现为振幅大幅度减小，武汉表现为振幅小幅度增大.

图2 2017年9月8日武汉和随州观测的VLF信号对耀斑的响应对比Fig.2 Comparison of the responses of the VLF signals observed at Wuhan and Suizhou to flares on 8 September 2017

为了清晰的展示随州观测站和武汉观测站观测到的振幅异常现象，本文对比了耀斑发生时和平静时，即没有强耀斑，接收机接收的台站信号幅度.图3展示了随州观测站和武汉观测站在耀斑日和平静日接收到的JJI台站信号幅度一天的变化，其中红色线、蓝色线分别代表2017年9月8日耀斑日、2017年9月15日平静日的JJI信号振幅随时间的变化.结合GOES卫星的数据得知，在2017年9月15日的X射线通量都较小，没有C级及以上的太阳耀斑, 而2017年9月8日出现频繁发生的耀斑事件，相应的耀斑等级均标注在图3中.可以看到，对于没有耀斑发生的平静日，白天的VLF信号的振幅在相对较小的范围内平缓变化，没有明显的突然上升或下降.在耀斑日，对应有耀斑发生的时候，台站信号振幅都有一定程度的突然变化.结合图2和图3可得，在有耀斑发生的白天时段里，不同等级的太阳耀斑均会导致VLF信号振幅扰动，扰动类型和扰动大小不尽相同.如图3a, 随州接收到的JJI信号，对于日出之后发生的第一个M3.9级的耀斑是先上升后下降的响应，对之后发生的C5.7级的耀斑是上升的响应；对于在正午前后发生的M1.3、M1.2、C8.6级的耀斑是下降的响应，对之后发生的C6.8级耀斑是上升的响应；而对日落前的最后一个M8.2级的耀斑响应表现为快速的先上升后下降接着慢速的上升再下降.图2更直观的展示了两接收站对同一个耀斑事件的响应：对于8∶ 00前后的耀斑响应，随州和武汉的VLF振幅扰动都是先上升后下降；对于9∶ 40前后的耀斑响应，随州和武汉的VLF振幅扰动都是上升，但是武汉的扰动幅度明显比随州的扰动幅度大；对于10∶ 30前后的耀斑响应，随州接收到的VLF信号的振幅扰动是下降，武汉接收到的VLF信号的振幅扰动是先上升后下降；对于11∶ 40前后的耀斑响应，随州的振幅扰动是下降，武汉的振幅扰动是上升，且武汉的扰动幅度较小；对于13∶ 40前后的耀斑响应，随州的振幅扰动是下降，武汉的振幅扰动是上升，且武汉扰动幅度较小；对于15∶ 10前后的耀斑响应，随州和武汉的振幅扰动都是上升；对于15∶ 50前后的耀斑响应，随州和武汉的振幅扰动都是快速的先上升后下降接着再次缓慢的上升后下降.在这一天的VLF信号对耀斑的响应现象中，出现了三个两地响应不同的事件：10∶ 30前后的耀斑、11∶ 40前后的耀斑、13∶ 40前后的耀斑.这三个耀斑大小相差不大，分别为M1.3、M1.2、C8.6，发生时间都在正午前后两小时内，且随州的响应都是显著的振幅下降，但是武汉接收到的JJI台站信号的响应却截然不同，不仅响应形态不同，振幅的扰动幅度也很小.

图3 耀斑日与平静日VLF信号对比，其中(a)为随州，(b)为武汉Fig.3 Comparison of the VLF signal on flare day and quiet day at (a) Suizhou and (b) Wuhan，respectively

从地理位置上看，随州和武汉两个接收站之间相距不到200 km，并且JJI台站到接收站的距离分别为1650.563 km和1568.287 km，两传播路径长度差距小于100 km，但是在两个相近的接收地却出现了JJI信号对于同一太阳耀斑的不同响应.

结合X射线通量观测数据，我们对2017—2019年间在随州和武汉两地接收到的日间JJI甚低频台站数据进行分析筛选，挑选出与太阳耀斑相关的JJI台站信号振幅异常事件，分别列在了表1和表2中.由于2018年耀斑发生时，JJI发射台站处于关闭状态，则未观测到与耀斑相关的振幅扰动事件，因此主要记录了2017年和2019年的有效观测事件，总数分别为24个和20个.表格的第2～4列分别代表振幅异常事件发生时的日期、信号振幅扰动的开始时间、以及该事件所对应的太阳耀斑的等级.通过分析所有振幅异常事件，我们将JJI信号的振幅对于耀斑的响应分为四类：(1)先上升后下降型，即台站信号振幅的扰动会经历一个显著的快速增大然后快速减小，最后慢慢恢复正常水平的过程，在图像上体现为出现一个极大值点和一个极小值点.(2)两次上升下降型，即VLF振幅的扰动会经历一个显著的快速增大然后快速减小，再缓慢增大然后缓慢减小的过程，在图像上体现为出现两个极大值点和一个极小值点.(3)上升型，即台站信号振幅的扰动会经历一个显著的快速增大，然后慢慢恢复正常水平的过程，在图像上体现为出现一个极大值点.(4)下降型，即台站信号振幅的扰动会经历一个显著的快速减小，然后慢慢恢复正常水平的过程，在图像上体现为出现一个极小值点.

使用时序叠加法，进一步对JJI扰动类型和响应时间之间的关系进行分析，即通过取同一特征时刻对应的不同事件参数来研究其中蕴含的普遍规律.时序叠加的结果展示在图4和图5中，事件的序号分别对应于表1和表2.在该时序叠加法中，选取扰动事件发生时对应的太阳耀斑X射线通量IX的峰值时刻作为零时刻，将同一响应类型的事件从开始到结束的时间段叠放在一起，构成不同类型的JJI信号振幅扰动随耀斑发生时间的关系图.图4是基于时序叠加法得到的随州事件四类太阳耀斑响应的台站信号幅度随时间变化的结果.图4a为两次上升下降型事件，在记录的这类响应中，扰动的第一个极大值点均出现在X射线通量峰值时刻之前，极小值点均出现在X射线通量峰值时刻之后.图4b为先上升后下降型事件，所记录的这类响应的两个极值点对应的时刻均分布在X射线通量达到峰值时刻的两侧.图4c为下降型事件，在所记录的所有这类响应中，绝大多数事件的极小值点出现在X射线通量达到峰值时刻之后.值得注意，这里出现了一个特殊事件，黄线所示的事件的极小值出现时间比X射线达到峰值时间提前很多，其原因可能是引起该扰动的X射线通量增大到峰值的速度较慢，且持续时间较长，使得相较于其他快速响应的X射线耀斑，该耀斑事件响应时间较长.图4d为上升型事件，在所记录的所有这类响应中，极大值点都出现在X射线通量达到峰值时刻之后.可以看到，在四种响应类型中，不同耀斑产生的响应时间有着明显差异.图5是武汉事件的分类时序叠加图.在该站点数据中，上升型事件占多数.如图5d所示，绝大多数此类事件的极大值点都出现在X射线通量达到峰值时间之后，而其他响应类型的事件与随州观测站同类型的响应相似.

表1 JJI-随州耀斑响应事件列表Table 1 The list for JJI-Suizhou flare response events

表2 JJI-武汉耀斑响应事件列表Table 2 The list for JJI-Wuhan flare response events

图4 随州响应事件的时序叠加分析，其中(a)为两次上升下降型事件，(b)为先上升后下降型事件，(c)为下降型事件，(d)为上升型事件Fig.4 Analysis of response cases at Suizhou using time series superposition method for (a) twice rising and falling type, (b) first rising and then falling type, (c) falling type, and (d) rising type

图5 武汉响应事件的时序叠加分析，其中(a)为两次上升下降型事件，(b)为先上升后下降型事件，(c)为下降型事件，(d)为上升型事件Fig.5 Analysis of response cases at Wuhan using time series superposition method for (a) twice rising and falling type, (b) first rising and then falling type, (c) falling type, and (d) rising type

综合随州和武汉的时序叠加结果，可以得到，所有的扰动开始都发生在X射线通量达到峰值之前，且所有的扰动结束都发生在X射线通量达到峰值之后.对于只有一个极值点的响应类型，即上升型和下降型，绝大部分扰动的极值点出现在X射线通量达到峰值时刻之后，对于既有极大值点又有极小值点的响应类型，即两次上升下降型和先上升后下降型，第一个极大值点和极小值点分别出现在X射线通量峰值时刻前后.

JJI信号对太阳耀斑的响应类型和X射线耀斑等级及发生时间有关，其统计分析结果如图6所示.该图分别展示了随州和武汉接收到的JJI台站信号在不同耀斑等级下的响应类型随时间的分布，图中横坐标为扰动发生的时间，纵坐标为X射线通量强度对应的耀斑等级.可以看到，在所有事件中，随州观测站占比较多的是上升型和下降型的响应，而武汉观测站占比较多的是上升型的响应，占比较多则意味着该种类型的响应更易发生，且两地记录的耀斑事件响应都和耀斑强度及发生的时间有一定的关系.对于随州观测站统计到的振幅扰动而言，两次上升下降型的响应都发生在15∶ 00之后，且耀斑强度较大；下降型的响应比较集中的分布在9∶ 00到15∶ 00之间，耀斑等级位于C6级到M3级之间；上升型的响应在时间上分布比较零散，对应的耀斑等级偏小，基本在M级以下.对于武汉观测站统计到的振幅扰动而言，两次上升下降型的响应也都发生在15∶ 00之后，耀斑强度较大；下降型的响应较少，主要分布在9∶ 00到15∶ 00时段，耀斑等级位于C6级到M3级之间；记录较多的是上升型的响应，该响应发生的时间也比较分散，对应的耀斑等级都在M1级及以下.

图6 (a)随州和(b)武汉JJI信号响应类型和太阳耀斑等级及发生时间的关系，其中Type1、Type2、Type3和Type4分别为两次上升下降型、下降型、先上升后下降型和上升型Fig.6 Relationship of JJI signal response type to solar flare grade and occurrence time at (a) Suizhou and (b) Wuhan.Type1, Type2, Type3, and Type4 are respectively twice rising and falling type, falling type, first rising and then falling type and rising type

除此之外，本文还做了JJI信号的扰动幅度和X射线积分通量之间的统计分析工作.JJI信号的扰动幅度规定如下：对于先上升后下降型和两次上升下降型的响应，扰动幅度为第一个极大值点和极小值点之间的振幅差；对于上升型的响应，扰动幅度为极大值点和扰动发生前的平静值点之间的振幅差；对于下降型的响应，扰动幅度为扰动发生前的平静值点和极小值点之间的振幅差.X射线积分通量为从太阳耀斑开始到X射线通量达到峰值时的X射线通量的积分.如图7，散点为记录的数据点，表示不同太阳耀斑事件所对应的X射线积分通量及信号振幅的扰动幅度，黑线为这些数据点的拟合结果.可见，随州和武汉JJI的振幅扰动幅度和X射线积分通量大致呈线性正相关.虽然两地的数据都可拟合成一次函数的形式，但是，图7b的拟合直线的斜率明显比图7a小，说明对于同样大小的太阳耀斑，武汉接收到的JJI信号的振幅扰动要比随州接收到的扰动小.

图7 JJI振幅扰动幅度与X-ray积分通量的关系，其中(a)为随州，(b)为武汉，黑线是数据点的拟合结果Fig.7 Relationship between the JJI disturbed amplitude and X-ray integral flux at (a) Suizhou and (b) Wuhan. The black line is the fitting of the data points

3 总结和讨论

本文统计分析了武汉和随州接收到的JJI甚低频台站信号在2017—2019年由太阳耀斑引起的振幅扰动事件，主要得到了以下的结论：

(1)在JJI台站到随州和武汉这两条传播路径上(近似纬向传播)，当C级及以上等级的太阳耀斑爆发时，会出现JJI信号振幅异常现象.

(2)JJI信号的振幅异常存在多种响应形态，其与耀斑发生的时间及耀斑等级存在一定的关联性.下降型的响应多发生在9∶ 00—15∶ 00之间，两次上升下降型的响应发生在15∶ 00之后，日落之前，且耀斑等级较大.

(3)JJI信号的振幅扰动幅度和X射线积分通量大致呈线性正相关，但是随州和武汉两站点的线性拟合斜率存在差异.

在太阳耀斑发生时，能量的注入造成电离层电子密度增大，进而改变了VLF波传播所依赖的地球-电离层波导特性，在接收到的VLF信号幅度上呈现出异常扰动.在不同时间和接收地点，电离层状态异常扰动的差异是VLF信号呈现出不同响应类型的主要潜在因素.但是，不同接收地点和观测时间段爆发的X射线对电离层的具体影响还需要进一步探究.为了进一步研究，在下一个太阳活动高年到来时还需要继续观测VLF信号异常现象，累计更多的太阳耀斑扰动事件.

致谢本文所用X射线数据来源于美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的网站：https:∥satdat.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/full/.