经纬向传播的甚低频台站信号对太阳耀斑响应特征的差异性分析

陈 欢，苗家友，顾旭东*，卢仔龙，王市委，李光剑，程 雯，倪彬彬，赵正予，孙 雷

（1. 武汉大学 电子信息学院 空间物理系，武汉 430072； 2. 火箭军研究院，北京 100094；3. 北京微电子技术研究所，北京 100076）

0 引言

甚低频（VLF）波主要指频率在3～30 kHz、波长范围为100～10 km 的电磁波，具有波长较长、传播距离远的特点，因此可以在地球–电离层波导内进行远距离传播。它可以用来监测地震、日食、X 射线与γ 射线爆发等引起的电离层扰动。

太阳耀斑是剧烈的太阳爆发活动之一，可在短时间内释放大量能量，引起局部区域瞬时加热，向外发射各种电磁辐射，有可能伴随粒子辐射突然增强；它会对地球的空间环境造成很大影响，从而影响到航天器飞行、广播通信与导航等。目前对一些具体的太阳耀斑事件的研究分析了太阳耀斑对地球磁层和电离层的影响以及太阳耀斑与地磁活动和地面增强事件的关系等。太阳耀斑爆发期间X 射线会显著增强，而且与物质喷发的日冕层联系密切。近年来，国际上大多采用波长1～8 Å的X 射线通量对太阳耀斑进行分级。太阳耀斑分为A、B、C、M 和X 共5 类，分别对应于[10,10)、[10,10)、[10,10)、[10,10)和[10,∞) W∙m的峰值通量区间。太阳耀斑爆发时，X 射线通量的增加会引起电离层的扰动，进一步影响VLF 信号的传播。来自太阳耀斑的强X 射线辐射可以显著提高低电离层的电子密度，电离层D 层受到扰动，经由波导传播的VLF 信号就会呈现出振幅与相位上的异常变化：太阳耀斑期间，VLF 信号扰动幅度随X 射线通量单调增加，当耀斑等级在X5 时，VLF 信号幅度可增强近10 dB；短路径传播的VLF 信号幅度扰动值比长路径传播的大，并且响应类型与耀斑强度及发生时间存在一定关系。VLF 信号相位变化除了与耀斑等级有关之外，还与地理位置和当地时间有关：面向太阳的站点的扰动程度比远离太阳的站点的明显，在耀斑等级在X5 时，能使VLF 相位延迟大约52 μs。不同的耀斑事件对台站信号幅度和相位延迟的影响取决于太阳耀斑的级别以及地球–电离层波导中电子密度和高度分布，也与发射机和接收机之间的距离相关。而在太阳耀斑发生期间，对于沿经向和沿纬向传播的VLF 信号对太阳耀斑的响应差异对比的研究还较少。

本文基于地基甚低频观测，选取耀斑日和平静日各一天的数据，利用MSK 解调算法提取台站信号的幅度；对比分析了太阳耀斑发生期间NWC 台站和JJI 台站信号幅度对太阳耀斑响应变化的异同点。本文研究旨在增强对于VLF 波对太阳耀斑响应的理解，也可为地基甚低频信号监测太阳耀斑的应用提供参考。

1 设备与数据

本文所用VLF 数据均来自武汉大学自主研发的数字甚低频探测系统。该系统主要由接收天线、低噪声接收前端、数字接收机和计算机4 部分组成，其中：接收天线由南北（NS）、东西（EW）两路正交的等腰三角形磁环天线构成；低噪接收前端包含电流电压转换器、低噪声放大器和滤波模块三部分。低噪声接收前端将天线接收的信号转换为电压信号后，滤除噪声信号并放大有效信号；数字接收机将处理后的模拟信号转化为数字信号后，通过上位机软件将数据保存，其中所需的经纬度与标准世界时等信息由数字接收机中的GPS 模块提供。

由于夜间和日出日落时间段的电离层不稳定，导致VLF 信号波动大，且与太阳耀斑对VLF 信号造成影响叠加，无法准确判断太阳耀斑对VLF 信号的扰动，故本文使用湖北随州站（31.57°N，113.32°E）2017 年9 月8 日和10 月1 日接收的来自NWC 和JJI 两个发射台站的日间甚低频观测数据。NWC 发射台站位于澳大利亚西北角（21.82°S，114.17°E），发射信号的中心频率为19.8 kHz，功率为1000 kW。JJI 发射台站位于日本宫崎县（32.04°N，130.81°E），发射信号的中心频率为22.2 kHz，功率为200 kW。从各站的经纬度可以看出，NWC 发射站与随州站近似处于同一经度，JJI 发射站与随州站近似处于同一纬度。太阳耀斑数据来自GOES-15卫星记录的波长为0.1～0.8 nm 的典型X 射线辐射强度（W∙m）。

2 观测结果

提取VLF 信号的幅度，观察太阳耀斑发生期间信号幅度对太阳耀斑的响应。图1 给出了VLF 信号随X 射线通量的变化，其中：蓝色线表示2017 年9 月8 日耀斑日；红色线表示2017 年10 月1 日平静日，选取的时间段为7:30—16:30。为便于对比分析，本文所有图表及文字叙述中的时间均为接收点的本地时间，即随州观测站对应的北京时间（UTC+8）。图1(a)为X 射线通量，绿色虚线框为选取的耀斑事件，并标注太阳耀斑的等级。相对于平静日，当太阳耀斑发生时，X 射线通量有明显的上升，且耀斑的等级越大，X 射线通量变化的越明显。图1(b)为沿经向传播的NWC 台站信号的幅度，耀斑日信号的幅度相对于平静日呈现出明显的扰动，表现均为幅度上升，且扰动出现的时间可大致与太阳耀斑发生时间相对应。图1(c)为沿纬向传播的JJI 台站信号的幅度：与平静日对比，耀斑日的幅度曲线也出现了明显的扰动变化，但是表现不一致。从整体上对比NWC 与JJI 两个台站信号对同一太阳耀斑事件的响应，可以看到：

图1 NWC 和JJI 台站的甚低频信号幅度随X 射线通量的变化Fig. 1 Amplitude variations of the VLF transmitter signals obtained from NWC and JJI according to X-ray flux

1）NWC 信号幅度对太阳耀斑的响应均表现为幅度先上升再缓慢恢复。

2）JJI 信号幅度对太阳耀斑的响应更加丰富，对等级为M3.9 与M8.1 的太阳耀斑，JJI 的响应为先快速上升后快速下降再缓慢恢复；对等级为M1.3、M1.2 和C8.6 的太阳耀斑，JJI 的响应为先快速下降再缓慢恢复；对太阳耀斑等级为C6.8 的太阳耀斑，JJI 的响应为先快速上升再缓慢恢复。

图2 与图3 选取了2017 年9 月8 日上午时段与下午时段各3 个太阳耀斑事件（case），更加细致地展示了太阳耀斑发生期间VLF 信号幅度的响应，其中：蓝色的实线和虚线分别为NWC 台站和JJI 台站信号的扰动幅度。扰动幅度定义为太阳耀斑事件发生期间信号幅度减去该太阳耀斑发生之前1 min 的信号均值幅度。扰动幅度为正表示该太阳耀斑发生时信号幅度上升，为负则表示信号幅度下降。

图2 2017 年9 月8 日上午时段甚低频信号对太阳耀斑事件的响应Fig. 2 Response of VLF signals to solar flare events in the morning on September 8, 2017

图3 2017 年9 月8 日下午时段甚低频信号对太阳耀斑事件的响应Fig. 3 Response of VLF signals to solar flare events in the afternoon on September 8, 2017

图2(a)～(c)从上到下分别对应M3.9（case 1）、M1.3（case 2）和M1.2（case 3）3 个耀斑等级。图3(a)中，X 射线通量对太阳耀斑的响应开始时间为7:50，NWC 与JJI 台站信号的响应开始时间也是同一时间。可以看到：1）NWC 信号的持续时间短于X 射线通量的持续时间，JJI 信号的持续时间最长；2）NWC 信号的扰动极大值为3.764 dB，它的时间较X 射线通量峰值时间提前了1 min；3）JJI 信号的响应为先上升后下降再恢复，因此它会出现一个极大值与一个极小值，极大值为0.992 dB，出现时间在X 射线通量峰值时间之前4 min；极小值为-0.833 9 dB，出现时间落后X 射线通量峰值时间3 min。图3(b)中，NWC 与JJI 信号响应的开始时间均较X 射线通量响应的开始时间晚，它们的极值时间也都落后X 射线通量峰值时间3 min，其中：NWC 信号的扰动极大值为1.605 dB，JJI 信号的扰动极小值为-1.543 dB；响应持续时间同样是NWC信号短于X 射线通量小于JJI 信号。图3(c)中两个台站信号的响应开始时间较X 射线通量响应的开始时间晚，峰值时间也都比X 射线通量峰值时间落后1 min，但持续时间都比X 射线通量的持续时间要长，NWC 信号的扰动极大值为1.197 dB，JJI 信号的扰动极小值为-0.9383 dB。

图3(a)～(c)从上到下分别对应C8.6（case4）、C6.8（case5）和M8.2（case6）3 个耀斑等级。图3(a)中X 射线通量对太阳耀斑的响应开始时间为13：20，比NWC 和JJI 的台站信号对太阳耀斑响应的开始时间都要早；NWC 信号的极大值为0.993 1 dB，出现时间比X 射线通量峰值时间提前了7 min；JJI 信号的极小值为-0.970 9 dB，出现时间比X 射线通量峰值时间提前了6 min。可以看出X 射线通量的持续时间比NWC 与JJI 台站信号的响应持续时间都要长。图3(b)中NWC 与JJI 台站信号的响应开始时间相同，且较X 射线通量的响应开始时间晚3 min，极值时间也均落后X 射线通量峰值时间1 min，NWC 信号的极大值为1.068 dB，JJI 信号的极大值为0.403 8 dB，JJI 信号的响应持续时间比NWC 信号和X 射线通量的持续时间都要长。图3(c)中X 射线通量的响应开始时间与两台站信号的开始时间相同，NWC 信号的极值时间也与X 射线通量峰值时间相同，极大值为1.987 dB；而JJI 信号存在一个极大值与一个极小值，极大值出现在X 射线通量峰值之前3 min，为0.522 1 dB，极小值则出现在X 射线通量峰值之后1 min，为-1.766 dB。

将选取的6 个太阳耀斑事件的各个参数整理成表1，其中：为响应开始时刻；为响应持续时间；为X 射线通量的峰值时刻；class 为太阳耀斑等级；为信号的扰动极大值的时刻；为JJI信号的扰动极小值时刻；为信号的最大扰动量，即信号扰动幅度最大值与最小值之间的差值，dB。

表1 2017 年9 月8 日太阳耀斑事件参数列表Table 1 Parameters for solar flare events on September 8, 2017

结合图2 和图3 可以看到，幅度的极值点时间通常出现在X 射线通量峰值时间附近。当JJI 信号的幅度响应为先上升后下降再恢复时，信号幅度的极大值出现时间往往比X 射线通量峰值的时间早，而极小值出现时间往往比X 射线通量峰值时间晚，但两个极值的中间时间点与NWC 信号的极大值时间相近；当JJI 信号幅度响应为先上升再恢复或先下降再恢复时，它的极值时间与NWC 信号幅度的极大值出现时间基本一致，但或提前或落后于X 射线通量的峰值时间，无明显规律。M 级耀斑对NWC信号的最大扰动量的范围为1～4 dB，而对JJI 信号则为1～3 dB；C 级太阳耀斑对NWC 信号的最大扰动量则小于1 dB，对JJI 信号同样小于1 dB。在响应开始时间上，NWC 与JJI 信号的响应开始时间只有与X 射线通量的响应开始时间同时或者较晚的情况，没有比X 射线通量响应开始时间早的情况出现，且NWC 信号与JJI 信号对太阳耀斑的响应开始时间大体保持一致。在响应的持续时间上，整体上NWC 信号的持续时间较X 射线通量的持续时间短，JJI 信号的持续时间较X 射线通量的持续时间长。从表1 中NWC 与JJI 信号的最大扰动量与太阳耀斑等级3 个参数可以看出，当太阳耀斑等级逐渐上升时，NWC 信号与JJI 信号的最大扰动量也呈上升趋势，且NWC 信号的最大扰动量在数值上整体比JJI 信号的最大扰动量大。另外，当太阳耀斑持续时间增加时，信号的最大扰动量也大致呈增强趋势。

为了更加直观地呈现出信号扰动幅度与X 射线通量的关系，分别计算X 射线通量和信号扰动幅度对时间的积分，分析积分扰动幅度对X 射线积分通量的依赖性，结果如图4 所示，其中：(a)(b)两图分别为NWC 和JJI 台站信号；蓝色的点为太阳耀斑的数据点，红色直线为拟合结果。可以看到大部分的点都在拟合直线附近，X 射线通量积分与NWC和JJI 信号的幅度扰动积分基本呈线性相关。主要原因是：当X 射线通量增大时，太阳耀斑事件注入电离层的能量增多，低电离层电子密度增加，电离层反射高度下降，从而使电离层对VLF 信号的传播路径发生变化，对VLF 信号造成的扰动也就增大；并且耀斑等级越高，低电离层的恢复时间越长。然而，NWC 信号拟合直线较JJI 信号的更加陡峭，即NWC 信号积分扰动幅度与X 射线积分通量的拟合直线斜率比JJI 的大，表明经向长距离传播的VLF 信号更容易受到太阳耀斑事件的影响。

图4 积分扰动幅度与X-ray 积分通量的关系Fig. 4 The relation between the integral perturbation amplitude and the integrated X-ray flux

3 总结与讨论

本文利用2017 年9 月8 日随州站接收到的NWC 与JJI 两个台站的信号数据与GOES-15 卫星上记录的X 射线通量数据，对比分析了太阳耀斑发生期间，沿经向传播的NWC 信号与沿纬向传播的JJI 信号的幅度对太阳耀斑的响应差异性。

NWC–随州和JJI–随州这两条路径，一条是长距离的经向传播路径，一条是短距离的纬向传播路径。两条路径上的地球‒电离层波导特性不同，太阳耀斑导致的电离层参数的变化也不同，且在不同时间这些参数的改变也不相同，这可能是NWC 信号对太阳耀斑只有先快速上升再缓慢恢复这1 种响应形式，而JJI 信号对同样的太阳耀斑会有先快速上升再缓慢恢复、先快速下降再缓慢恢复与先快速上升后快速下降再缓慢恢复这3 种响应形式的可能原因。响应的不同除了传播路径的影响，也有传播距离长短的影响，具体差异的原因需要结合传播模型进行详细研究。NWC 信号与JJI 信号对太阳耀斑的响应开始时间与极值时间基本不受传播路径的影响，即两条路径的响应开始时间与极值时间基本保持一致；但目前观测的太阳耀斑事件较少，若要进一步确定，则需要对更多的太阳耀斑事件进行统计分析。另外，长距离传播的NWC 信号受太阳耀斑影响的扰动幅度整体比短距离传播的JJI 信号受太阳耀斑影响的扰动幅度要大，但JJI 台站信号的响应持续时间比NWC 信号的长，这可能是传播方向与传播距离不同共同导致的。

致谢

本工作所用的X 射线通量数据来自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/。