基于张衡一号卫星波动观测的人工甚低频台站信号特征统计分析

王亚璐, 项正, 泽仁志玛, 倪彬彬*, 刘阳希子, 张学民, 欧阳新艳, 吴迎燕, 申旭辉

1 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036 2 武汉大学电子信息学院空间物理系, 武汉 430072 3 应急管理部国家自然灾害防治研究院, 北京 100085 4 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190

0 引言

地基人工甚低频台站发射的窄带电波信号可以被地球表面和电离层底界面来回反射,在地球-电离层波导中进行远距离传播,最早被应用于国防对潜通讯.20世纪中叶,学者们研究发现,人工甚低频台站信号可以穿透电离层,以右旋极化哨声波模在地球磁层中进行传播(如: Storey, 1953; Helliwell, 1965),并与能量为几十到几百keV的电子发生波粒共振,引起电子的沉降(如: Inan et al., 1984; Abel and Thorne, 1998a,b; Ni et al., 2022).近年来的理论与观测研究结果表明,人工甚低频台站信号不仅对内辐射带中能量电子的损失有重要影响(如: Sauvaud et al., 2006, 2008; Gamble et al., 2008; Kulkarni et al., 2008; Graf et al., 2009; Selesnick et al., 2013; 刘阳希子等, 2021, Liu et al., 2022),而且直接导致了内辐射带能量电子的径向分叉现象(如: Claudepierre et al., 2020; Hua et al., 2020, 2021).

人工甚低频台站信号的全球分布模型对量化辐射带电子受到的散射效应至关重要(如: Abel and Thorne, 1998a; Inan et al., 1984; Ma et al., 2017; Meredith et al., 2019; Ni et al., 2022).早期,由于缺乏原位卫星观测数据,关于电离层对人工甚低频台站信号吸收衰减的研究,更多的集中于理论方面,如早在1965年,Helliwell(1965)就展开了理论研究,基于一个简化的电离层电子密度模型计算了不同频率电波信号在穿透电离层后,其幅值衰减度随纬度的变化曲线(下文称Helliwell曲线),为后人在甚低频台站信号电离层衰减方面的研究工作奠定了基础.Inan等(1984)基于Helliwell曲线计算了地基甚低频台站在磁层中产生的信号强度,并与DE-1卫星的观测数据进行了比对分析.Starks等(2008)在计算过程中考虑了甚低频电波的非导管传播模式,指出在中纬地区,日侧地基甚低频台站信号的衰减度模拟结果会偏高10 dB,而夜侧的衰减度模拟结果会偏高20 dB,但在赤道地区会偏低15 dB.Tao等(2010)在理论模拟与实测结果的比对分析过程中,发现如果采用国际电离层参考模型(International Reference Ionosphere Model, IRI)的电子密度值,Helliwell曲线的计算结果误差会达到100 dB.这些研究提供了对人工甚低频波分布的基本认知,但同时理论模型与观测结果的差异也表明随空间位置、时间以及地磁活动动态变化的等离子体结构对甚低频信号的传播有重要影响(Gu et al., 2022, 2023).为获取更精确的人工甚低频台站信号全球分布模型,近20年来,学者们基于卫星实测数据,对空间甚低频台站信号的分布特征展开了大量分析研究.如Cohen和Inan(2012)基于DEMETER卫星6年的观测数据,统计分析了NWC、DHO、NPM等16个人工甚低频台站信号在电离层中的功率分布特性.Ma等(2017)基于范艾伦A星数据统计分析了10～60 kHz的甚低频台站信号在L=1～3(L代表相应磁力线在磁赤道处距离地心的距离,以地球半径为单位)的分布模型,Meredith等(2019)同样使用范艾伦A星数据统计了20多个人工甚低频台站信号随L的分布模型,项正等(2021)基于范艾伦A、B双星数据,分析了NWC和NAA台站信号在内磁层中的空间分布、与季节和地磁活动等的依赖关系及其统计幅值的大小.

1 数据简介

张衡一号卫星于2018年2月发射升空,旨在监测与岩石圈地震活动有关的电离层扰动.卫星飞行轨道高度约507 km,接近太阳同步圆形轨道,升/降节点为本地凌晨2点和下午2点,每个轨道周期大概为94.6 min,重访周期为5天(Shen et al., 2018).它携带8种科学载荷,可获取全球地磁场、电磁场、等离子体参数和高能粒子等数据.因此,张衡一号卫星观测数据也可以用于空间物理相关研究(例如,空间天气、电离层不规则性和等离子体环境).科学载荷有巡查和详查两种工作模式,巡查模式的时间和频率分辨率较低,全轨道以巡查模式记录数据,而详查模式,时间和频率分辨率较高,只在中国区域和全球主地震带上空启动(Zhima et al., 2022).本文主要使用巡查模式下,由电场探测仪(Electric Field Detector, EFD)记录的三分量电场功率谱数据,采样率为50 kHz,时间分辨率为2 s,频率分辨率为24.4 Hz(Huang et al., 2018).

在张衡一号卫星电场时频谱图上,人工甚低频台站信号呈现明显高于背景的水平谱线特征(如韩莹等, 2021,2022).本文基于张衡一号卫星2019—2022年电场观测数据对人工甚低频台站信号进行统计分析.根据张衡一号卫星的重访周期将地理经度以5°的步长均匀划分,0°～180°代表东半球,180°～360°或-180°～0°代表西半球,将地理纬度以2°的步长均匀划分,形成5°×2°的二维经纬度网格单元.时间以1个月为步长,根据经纬度和时间步长,将4年观测数据网格化到91×73×48的元胞数组中,每个元胞数组中有100个左右的观测数据点.在绘制总电场功率谱全球分布图时,将以上网格化数据进行插值得到全球1°×1°的二维分布图.

目前,全球分布有十几个人工甚低频台站,频率范围主要涵盖18～25kHz,表1给出了本文所研究的10个人工甚低频台站,表中最后一列是台站的发射功率,上标①代表引自文献Meredith等(2019),上标②代表引自文献Zhang等(2018),两个文献中部分台站功率不同,甚至差别较大,后文将根据张衡一号卫星的观测结果进行讨论.由于NML台站信号频率(25.2 kHz)高于张衡一号卫星的电场采样率(50 kHz)的一半,根据混叠效应,本文将分析NML台站上空24.8 kHz的信号特征.

表1 本文研究的人工甚低频台站列表Table 1 VLF transmitter stations studied in this paper

2 统计分析

针对表1中的10个人工甚低频台站,基于张衡一号卫星2019—2022共计4年的三分量电场观测数据,本节对各台站信号的空间分布,及其随昼夜、季节和地磁活动水平的变化规律进行统计研究,并分析台站共轭区域的甚低频信号特征.

(1) 人工甚低频台站信号随昼夜和季节的变化规律

根据第一节的数据处理方法,将张衡一号卫星2019—2022年的总电场功率谱密度数据进行网格化处理,图1左侧(a1—j1)给出了夜侧甚低频台站上空人工信号对应频段(±200 Hz)的总电场功率谱密度平均值的平面分布图,横纵坐标分别是地理经纬度,图中黑色五角星为甚低频台站的地理位置,白色圆点为台站上空80 km高度处的磁力线在张衡一号卫星高度的穿刺点,黑色曲线是以穿刺点为中心的距离等值线.穿刺点相较于甚低频台站的地理位置更靠近赤道,两者的距离与甚低频台站所处纬度有关,纬度越低两者的距离越远,这与磁力线曲率特征相符.对于NWC站(图1c1),穿刺点在台站北部约500 km处,这与Cohen和Inan(2012)基于DEMETER卫星的观测结果相近.从图1左侧(a1—j1)可以看出,在人工甚低频台站上空有明显的电场增强现象,增强区域的中心更靠近穿刺点(白色圆点),呈现近圆形分布.信号辐射范围最大的是NWC台站,辐射半径超过1000 km,其次为NAA台站和NPM台站,结合表1,人工甚低频台站信号的辐射范围与其发射功率呈现显著的正相关关系.值得注意的是ICV台站,图1d1显示该台站的信号辐射半径近2000 km,与NWC台站相当,但根据表1,ICV台站的发射功率不足以影响如此大的范围,后文将进一步讨论.

图1 夜侧人工甚低频台站上空总电场功率谱密度平面图及其随时间的变化曲线Fig.1 The averaged radiation pattern and time series curve of total electric field power spectral density from the VLF transmitters, as detected by CSES on the night-side

与图1类似,图2是表1中10个甚低频台站上空日侧的总电场功率谱密度平面图及其随时间的变化曲线.由于日侧张衡一号卫星的电场探测仪在赤道区域受到严重污染(Zhima et al., 2022),日侧赤道附近观测的电场非常大,完全掩盖了NPM台站信号(图2a1),对纬度较低的JJI、NWC及ICV台站(图2b1—d1)也造成了一定的影响.而对于纬度较高的台站(如FTA2、DHO38、GQD、NAA、NLK和NML台站),可以明显看到在台站上空存在独立的电场增强区域.对比图1,图2中台站上空电场增强区域明显减小,而且总电场功率谱密度幅度明显降低.

Zhang等(2018)将人工甚低频台站信号强度降低至峰值1/e时的纬度范围作为输入参数开展射线追踪数值模拟,本文在数据处理过程中发现,如果使用信号强度衰减到峰值1/e时的阈值确定甚低频台站信号的有效辐射范围,所得的信号辐射范围会偏小,不能如实地反映甚低频台站信号的影响范围.结合张衡一号卫星总电场功率谱密度平面图,本文基于逆向试错法通过不断调整信号衰减阈值以绘制信号的辐射范围,最终确定表1中各台站有效辐射范围的信号阈值分别为峰值的1/2e、1/2e、1/3e、1/0.8e、1/1.5e、1/3e、1/2e、1/4.5e、1/2e、1/1.5e.以此确定的各甚低频台站信号辐射半径及有效辐射范围内的总电场功率谱密度中位值范围的统计结果列于表2.表2显示,与夜侧相比,日侧的信号辐射半径减小了近70%,而总电场功率谱密度降低约1个数量级,这种昼夜差异是因为日侧太阳辐射较强,导致大气电离程度较高,电离层的电子密度较大,从地-电离层波导中上传的人工甚低频台站信号在穿越电离层时吸收衰减作用更强,从而导致卫星观测的人工甚低频台站信号更弱.

表2 人工甚低频台站信号的辐射半径及总电场功率谱密度统计结果Table 2 The statistical result of radiation radius and total electric field power spectral density for the VLF transmitters

此外,与夜侧相比,日侧总电场功率谱密度呈现明显的季节变化规律.如NWC台站,夜侧观测数据较为离散(图1c2),虽然从总电场功率谱密度时序曲线的极小值包络线可以看出,NWC台站信号在北半球夏季前后达到最大,而在北半球冬季达到最小,但中位值不存在明显的季变规律,而图2c2显示,无论是总电场功率谱密度时序曲线的极值包络线,还是中位值都呈现明显的季变规律,即在北半球夏季达到最大值.图2右侧(a2—j2)显示位于北半球的甚低频台站(如JJI和GQD台站),台站上空的总电场功率谱密度在夏季最小而在冬季最大.受日侧赤道区域噪声污染影响,日侧NPM信号没有明显的季节变化规律.日间人工甚低频信号幅度的季节变化规律更明显,是因为季节变化反映了日照条件的不同,当地夏季日照更强,电离层电子密度大,从而导致人工甚低频台站信号的衰减增强.

对比图1右侧(a2—j2)和图2右侧(a2—j2),夜侧的总电场功率谱密度更离散,日侧总电场功率谱密度更集中.这是因为电离层电子密度对电波信号的传播、吸收和衰减有重要影响,电场功率谱密度的离散分布与电离层电子密度的离散分布相关.国际电离层参考模型(IRI2016)的计算结果显示,夜侧的电离层电子密度值较日侧分布更离散,从而导致夜侧电波信号幅值更离散.

(2) 人工甚低频台站信号随地磁活动水平的变化

为分析人工甚低频台站信号对地磁活动水平的依赖性,本文收集了2019—2022年间的AE指数(https:∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/wdc/Sec3.html),以20 nT的AE指数步长对观测数据进行网格化,绘制得到表1中10个人工甚低频台站信号的总电场功率谱密度随AE指数的变化曲线,如图3所示,左侧(a1—j1)是夜侧结果,右侧(a2—j2)是日侧结果.与图1和图2类似,图3中的黑色散点为穿刺点所在网格的观测数据点,红色圆点代表这些观测数据点的中位值.同样,在数据处理过程中只使用了甚低频台站完整工作月份的数据.

第25个太阳周期从2019年12月开始,2019—2022年整体太阳活动处于较低的水平,地磁活动较弱,但图3显示当AE>300 nT时仍有足够的观测数据以评估人工甚低频台站信号与地磁活动水平的关系.从图3左侧(a1—j1)可以看出,在夜侧,人工甚低频台站信号的总电场功率谱密度并无随地磁活动水平的增加而出现增大或减小的趋势,对地磁活动水平的依赖性较弱.图3右侧(a2—j2)显示,在日侧,人工甚低频台站信号的强度同样与地磁活动水平无明显关系.Meredith等(2019)和项正等(2021)基于范艾伦卫星数据的研究结果也显示,人工甚低频台站信号的幅度与AE指数的相关性很小.Cohen和Inan(2012)在分析DEMETER卫星数据时,使用Kp指数表征地磁活动水平,其研究结果显示无论是在甚低频台站上空还是其共轭区,人工甚低频台站信号的强弱对地磁活动水平的依赖性很小.由于DEMETER卫星采样率较低,无法分析NAA、NLK和NML台站的信号特征,这些甚低频台站的纬度较高,因此Cohen和Inan(2012)指出,他们的研究结论仅适用于中低纬度的甚低频台站.对于纬度较高的台站,本文基于张衡一号卫星的分析结果显示,其在电离层激发的信号强弱与地磁活动水平同样无明显关系(图3h1—j1、图3h2—j2).

(3) 人工甚低频台站共轭区信号分布特征

人工甚低频台站信号沿着磁力线穿透电离层后,会以导管或者非导管模式传播到共轭半球.学者们根据共轭半球的信号特征判断人工甚低频台站信号的传播模式,如Clilverd等(2008)根据DEMETER卫星观测到的人工甚低频信号共轭增强区域与1/2赤道电子回旋频率(fce)对应L值的位置关系来判断信号的传播模式.而Bortnik等(2006a,b)的理论模拟指出,非导管模式传播的波在向共轭半球传播过程中会发生极向漂移.本节基于张衡一号卫星的观测结果,分析台站共轭区人工甚低频信号特征.

由于日侧赤道区域数据被污染,影响低纬度台站的分析,这里只分析夜侧数据.根据表2中台站信号的辐射半径,以辐射半径内总电场功率谱密度的最小值作为阈值,确定共轭区电场增强区域,结果如图4所示,黑色虚线包围的区域为台站上空及共轭半球的电场增强区域.图中横纵坐标分别是地理经度和地理纬度,黑色五角星为甚低频台站及其共轭点的位置,白色圆点为台站及其共轭点所在磁力线在张衡一号卫星高度上的穿刺点.黑色实线为L=1.5等值线,蓝色和玫红色实线分别为人工甚低频信号频率等于1/3fce和1/2fce时所对应的L等值线.

图4 人工甚低频台站及其共轭区上空总电场功率谱平面图Fig.4 The electric field radiation pattern from the VLF transmitters at both the overhead and geomagnetic conjugate region

图4显示,在人工甚低频台站上空,电场增强呈现近圆形分布,且存在明显的波模干涉现象,在总电场功率谱密度平面图上,表现为在距离台站较远的地方有信号减弱带和增强带交替出现的现象,发射功率较大的NWC台站(图4c南半球)和NAA台站(图4h北半球)上空这种现象更明显.而共轭半球的电场幅度及信号辐射范围较甚低频台站上空有明显的减小,这是因为电波从台站上空向共轭区传播的过程中,会发生朗道共振,使电波能量有所减少.需要注意的是,共轭半球电场增强区域的中心并不是甚低频台站的共轭点(共轭半球黑色五角星)或者共轭穿刺点(共轭半球白色圆点).对于L值较高的DHO38、GQD、NAA、NLK和NML台站(L值分别为2.39、2.66、2.86、2.89和3.26),共轭增强区域相对共轭穿刺点存在赤道向漂移现象,而对于L值较低的NPM、JJI、NWC、ICV和FTA2台站(L值分别为1.17、1.24、1.43、1.51和1.95),共轭增强区域相对共轭穿刺点存在极向漂移现象.

Thorne和Horne(1996)的理论模拟结果表明当电波频率接近1/3fce时,电波会与电子发生回旋共振,导致电波能量衰减,因此在共轭半球L大于1/3fce磁壳的区域,电波信号较弱.参考Thorne和Horne(1996)的工作,本文将1/3fce对应的磁壳值作为一个参考阈值分析人工甚低频台站共轭区域的信号特征.图4显示,除了NAA台站,其他台站的共轭增强现象均分布在L小于1/3fce磁壳(图4中的蓝色等值线)的区域内,这与Thorne和Horne(1996)的理论分析相吻合.而对于NAA台站,虽然在L大于1/3fce磁壳(L=2.29)的区域内,仍有电场增强现象,但几乎所有的电波能量被限制在1/2fce对应的磁壳(L=2.63,图4h中的玫红色等值线)内,而且共轭半球的电波能量主要集中在L<2区域,L>2时,信号减弱,这与前人的观测结果一致(Clilverd and Horne, 1996; Clilverd et al., 2000; Saxton and Smith, 1989).

此外,图4显示,甚低频台站共轭半球增强区域中心相对共轭穿刺点有一定程度的东向或西向偏移,对于纬度较高的NAA、NLK和NML台站,其共轭半球增强区域的经度分布范围较大,电波能量被限制在较窄的L带宽内,呈现带状分布特征,这是不同台站上空,电离层电子密度梯度不同导致的,电离层电子密度梯度对于人工甚低频台站信号在共轭区的经度展布具有重要影响(Clilverd et al., 1992a,b).

3 讨论

(1) 人工甚低频台站的发射功率

表2显示,NLK台站和NML台站的信号辐射范围一致,NML台站的总电场功率谱密度低于NLK台站,结合两个台站的地理位置,NML台站的发射功率应该不大于NLK台站,由于Meredith等(2019)和Zhang等(2018)两个文献提供的NLK台站发射功率都是250 kW,基于张衡一号卫星的观测结果,NML台站的发射功率应该更接近于Meredith等(2019)提供的250 kW.此外,图4显示,DHO38台站的信号强度和信号辐射范围均大于GQD台站,由于这两个台站地理位置相近,对应的电离层背景等离子体条件相差应该不大,因此DHO38台站的发射功率应该大于GQD台站,更接近于Meredith等(2019)提供的300 kW和100 kW.虽然NWC台站和NAA台站的发射功率相同,但图4显示,两个台站在电离层中激发的信号幅度和影响范围不同,NWC台站信号强度更高、辐射范围更大,这是由于这两个台站所处地理位置不同,当地地磁场以及台站上空电离层条件不同造成的.

以上关于人工甚低频台站发射功率的估计是基于张衡一号卫星的观测数据进行的讨论,由于台站地理位置不同,各台站电离层条件不同,因此甚低频信号辐射范围和强度不能绝对反映台站的发射功率,如果想对台站的发射功率和辐射效率进行精确估计,需要结合多圈层电波耦合模型进行理论模拟,这超出了本文的研究范围.

(2) ICV台站信号的辐射范围

(3) 多卫星电场观测数据的比对分析

图5 NWC甚低频台站上空不同卫星观测的电场功率谱密度随纬度的变化曲线Fig.5 The electric power spectral density curve observed by three different satellites at the overhead region of NWC transmitter

(4) 人工甚低频台站信号的传播特性

人工甚低频台站信号的传播模式对波粒相互作用具有重要影响,导管传播的波主要与几十～几百keV的能量电子发生一阶回旋共振,而非导管传播的波则与更高赤道投掷角的电子发生朗道共振或高阶回旋共振,影响的电子能量范围也更高.关于电波的传播模式,最直观的分析手段是基于三分量波形数据进行波矢量分析(Gu et al., 2021; Němec et al., 2022),然而由于采样率太高,目前大部分卫星未提供VLF频段三分量电场波形数据,学者们通常基于电波功率谱平面分布特征讨论波的传播特性.

前人基于长期的地基观测数据指出,导管模式传播的甚低频波能量会被限制在一定磁壳范围内,下阈值是L=1.5(Andrews,1978; Thomson, 1987; Clilverd and Horne, 1996),上阈值是1/2fce对应的磁壳值(Smith et al., 1960; Smith, 1961; Strangeways, 1981).基于前人关于人工甚低频台站信号传播模式的经验推论,图4a、b显示,NPM台站和JJI台站共轭半球的信号能量都被限制在L=1.5以下,说明这两个台站的信号应该是非导管模式传播,此外对于NPM和JJI台站,在近赤道区域也存在电场增强现象,这表明低L值的甚低频电波信号传播路径和张衡一号卫星的飞行轨迹有一定的交叉,也证明了这些台站的信号是非导管模式传播.GQD、NAA、NLK和NML四个台站共轭半球的信号几乎全部分布在L=1.5和1/2fce对应的磁壳值(分别为2.45、2.29、2.27和2.27)范围内,因此,这个四个台站信号主要以导管模式进行传播.而NWC、ICV、FTA2和DHO38四个台站共轭半球的信号在L=1.5上下都有分布,说明这四个台站信号既有以导管模式传播,也有以非导管模式传播.本文的观测结果印证了低L值的人工甚低频台站信号主要是非导管模式传播,而高L值的人工甚低频台站信号主要是导管模式传播(Clilverd et al., 2008).而中纬度地区,导管和非导管传播模式并存,与Gu等(2021)和Němec等(2022)对分布于L=1.8～2.7之间的三个人工甚低频台站信号的波矢特性分析结果一致.

4 结论

本文基于张衡一号卫星2019—2022年的三分量电场观测数据,统计分析了10个分布于不同L区域的人工甚低频台站信号在电离层中的时空分布特性,获得的主要结论如下:

(1) 人工甚低频台站会在台站上空及其共轭区域激发电场增强现象,台站上空信号呈现近圆形分布,存在波模干涉效应,人工甚低频台站信号的幅度及辐射半径不仅与台站的发射功率呈现良好的正相关关系,还与台站的地理位置有关.

(2) 受电离层等离子体条件的影响,电离层人工甚低频台站信号会呈现明显的昼夜差异和季变规律.日侧电离层电子密度更大,导致日侧人工甚低频台站信号的幅度比夜侧小一个量级,信号辐射范围较夜侧减小了近70%.而当地夏季,日照更强,电离层电子密度更大,因此人工甚低频台站信号幅度在当地夏季最低,而在当地冬季最大,这种季变规律在日侧更明显.

(3) 无论甚低频台站处于低纬还是高纬地区,人工甚低频台站信号幅度与地磁活动水平相关性较弱,表明电离层中人工甚低频台站信号受地磁活动影响较弱.

(4) 人工甚低频台站信号的传播模式与台站所处位置有关,低L值(L<1.4)的台站信号主要以非导管模式传播,高L值(L>2.6)的台站信号主要以导管模式传播,而处于中间位置的台站兼有导管和非导管传播模式.