1、基于630nm气辉观测数据的电离层等离子体泡共轭特性统计分析戴祖康1,余涛1*,杨娜1,王锦1,傅頔2,冯向朋2,冯玉涛21.中国地质大学地球物理与空间信息学院地球内部多尺度成像湖北省重点实验室,武汉 430074;2.中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室,西安 710119*通讯作者,E-mail:收稿日期:2021-12-31;收修改稿日期:2022-09-06;接受日期:2022-09-26;网络版发表日期:2023-01-13国家自然科学基金项目(批准号:41874185、41574147、41904142、42104165)和中国科学院西部之光交叉创新团队项目(编号
2、:E1294301)资助摘要文章利用美洲地区两台地磁共轭的全天空气辉成像仪20142017年630nm波段的观测数据,提取了电离层等离子体泡信息,统计分析了两站等离子体泡出现的共轭特性和规律,包括共轭等离子体泡出现频次和时间分布、条带宽度和中心位置、漂移速度等特征.研究结果表明:共轭对称的视野窗口内同时观测到的等离子体泡事件的发生率约84%;共轭等离子体泡条带宽度都集中在100km左右,且南北半球宽度差主要在30km以内;共轭等离子体泡中心位置距离在50km以内;共轭等离子体泡的漂移速度相当一致,但北半球较南半球快约10%.文章研究结果证实了等离子体泡共轭现象的一般性,并有少量的不对称现象出现
3、,且认为是半球间背景电离层环境差异导致的.文章还给出了IGRF模型下等离子体泡共轭存在的可能误差范围,为等离子体泡共轭区域预报提供支持.关键词630nm气辉,等离子体泡,地磁共轭1背景介绍赤道电离层不规则体是经常发生在地磁赤道以及低纬地区的一种电离层现象.该现象具体表现为电离层部分区域电子密度相对低于周围区域,并且会影响无线电信号的传播,因此是电离层研究的热点话题.当使用电离层测高仪或全天空气辉成像仪(All-SkyImager,ASI)观测到该现象时也被称为赤道扩展F现象或赤道电离层等离子体泡现象(Kelley,2009).目前普遍认为瑞利泰勒不稳定性是导致等离子体泡产生的物理机制(Dung
4、ey,1956).在日落后,太阳辐射作用减弱,电离层电子产生率减弱,E层由于电离复合作用电子密度迅速衰减,而F层由于高度较高电离复合作用较弱所以电子密度衰减较慢,这就导致了E层和F层的垂直电子密度梯度增加,上层是电子密度较高的F层,下层是电子密度较低的E层,这种状态极不稳定,称为瑞利泰勒不稳定状态.在这个状态下等离子体泡容易在F层底产生并在EB的力作用下向上漂移(Mendillo等,中文引用格式:戴祖康,余涛,杨娜,王锦,傅頔,冯向朋,冯玉涛.2023.基于630nm气辉观测数据的电离层等离子体泡共轭特性统计分析.中国科学:地球科学,53(3):656666,doi:10.1360/SSTe-
5、2021-0406英文引用格式:Dai Z,Yu T,Yang N,Wang J,Fu D,Feng X,Feng Y.2023.A statistical analysis of conjugate equatorial plasma bubbles based on 630 nm airglowobservations.Science China Earth Sciences,66(3):675684,https:/doi.org/10.1007/s11430-021-1013-4 2023 中国科学杂志社中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期:656 666SCIENTIA
6、 SINICA T论 文1997;Kelley,2009).在1938年,赤道电离层等离子体泡首次被电离层测高仪观测到(Booker和Wells,1938).之后,多种手段如雷达、光学成像、卫星、火箭等被用来观测和研究等离子体泡(Farley等,1970;Woodman和La Hoz,1976;Weber等,1978;Rastogi等,1981;Abdu等,1983;TulasiRam等,2008),至今已对等离子体泡的许多特性进行了广泛而深入的研究(Abdu等,2014;Carter等,2016;Karan等,2020;Tulasi Ram等,2020).一些研究表明等离子体泡存在沿磁力线分
7、布并向更高纬度发展的行为(Weber等,1982;Mendillo等,1997).Weber等(1978)利用近赤道地区的630nm气辉观测数据发现了沿磁力线南北向延伸的等离子体泡结构,Sultan(1996)和Keski-nen等(1998)基于数值计算也证实了等离子体泡容易沿磁力线发展.地磁坐标共轭的ASI能够同时观测到地磁共轭区域的等离子体泡及其形态,为研究等离子体泡沿磁力线的共轭现象提供很好的观测数据.Otsu-ka等(2002)首次利用位于日本Sata(31.0N,130.7E;地磁纬度:24.0N)和澳大利亚Darwin(12.4N,131.0E;地磁纬度:22.0S)的一对共轭A
8、SI研究等离子体泡的共轭现象,他们对比了2001年11月12日该对共轭站观测到的一次等离子体泡事件,结果表明Sata站观测到的等离子体泡与Darwin站观测到的沿地磁力线映射到北半球的等离子体泡结构基本一致.随后,Shiokawa等(2004)同样利用这对共轭台站的观测数据分析了共轭等离子体泡的演化过程,进一步证实了等离子体泡的地磁共轭特性.Martinis和Mendillo(2007)利用美洲地区的一对共轭ASI(Arecibo,Puerto Rico,18.3N,66.7W,地磁纬度:28N;EL leoncito,Argentina,31.8S,69.3W,地磁纬度:18S)也观测到了类
9、似的现象.2018年地球同步轨道卫星搭载Global-scale Observations of theLimb和Disk(GOLD)成像仪升空,专门针对美洲地区开展观测任务,GOLD 135.6nm气辉辐射观测数据可以明显看到赤道电离异常(equatorial ionization anom-aly,EIA)沿地磁赤道两侧对称分布,并且其中的等离子体泡跨地磁赤道对称分布(Eastes等,2019).上述研究结果都表明了赤道以及低纬度地区的等离子体泡具有明显的地磁共轭特征.单次共轭行为观测不乏事例,但长期统计研究并不多.Luo等(2019)利用两年的非洲地区共轭的GPS闪烁数据统计分析了等离子
10、体泡的共轭特征,结果表明共轭区域由等离子体泡引起的闪烁起始时间相差约10min,进一步结合亚洲地区共轭的GPS数据分析得出该差异与太阳活动高年的本地日落时间有关.Mendil-lo等(2018)利用美洲地区共轭的ASI统计分析等离子体泡共轭现象,结果表明等离子体泡共轭现象发生非常频繁,并提出了利用共轭现象开展共轭区域等离子体泡临近预报的可能性.迄今为止进行的研究表明,等离子体泡的地磁共轭是一种普遍现象.但大多数研究只重点关注了共轭等离子体泡的发生率以及共轭形态的定性分析,而对这一现象定量分析的研究则比较少.因此,本文使用ASI观测数据并在IGRF(International Geomagnet
11、ic Re-ference Field)模型下定量分析等离子体泡的共轭现象,从共轭等离子体泡的发生时间、形态尺度、漂移速度和出现位置等方面入手进行量化统计分析,并根据量化统计结果讨论使用IGRF模型以及等离子体泡共轭特性进行共轭区域的等离子体泡临近预报的可行性.2数据处理本文中使用的数据来自位于美洲赤道及低纬地区的630nm波段的两台ASI,位置如图1所示.ASI观测数据在http:/sirius.bu.edu/网站上获取,由The Boston Uni-versity Imaging Science Team收集并公开发表.图1中十字标记为位于V.Leyva(5.6N,73.52W)和El
12、Leonci-to(31.8S,69.3W)的一对共轭ASI的台站位置,实线圈为对应ASI的160视野范围(由于地图投影产生的畸变,视野可能不为规则的圆形),假设630nm气辉观测到的等离子体泡高度为300km(Martinis和Mendillo,2007);星号标记为南半球El leoncito的ASI依据IGRF磁力线投影到北半球的位置,虚线圈为南半球ASI的160视野范围依据IGRF磁力线在北半球的投影.ASI数据的处理和等离子体泡共轭特征分析主要包括以下几个步骤.(1)图像畸变矫正处理.由于ASI使用鱼眼镜头成像,会造成图像畸变,对量化分析等离子体泡不利,因此,需要对气辉图像进行图像畸
13、变校正等预处理,还原观察到的等离子体泡形态,畸变校正方法参考Yu等(2018).主要步骤包括:记录气辉图像观测到的星星在图像上的坐标以及星星对应的仰角和方位角信息;通过星星位置和仰角与方位角信息计算观测图中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期657像天顶坐标;计算星星位置与天顶的距离;通过拟合得到星星与天顶距离和星星仰角的函数关系;对于辐射高度在300km的一点可以得到其对应于台站位置的仰角和方位角,根据仰角可以得到该点在观测图像上与天顶位置的距离,根据方位角可以得到该点相对于天顶的方位,以此可以确定该点在观测图像上对应的位置,由此可以得到地理经纬度坐标上的点与观测图像上的点的映
14、射关系,据此关系便可以进行观测图像的畸变校正.经过图像畸变矫正后的图像如图2a所示.(2)地磁共轭观测窗口截取.由图1可以看出共轭台站及其视野范围并非完全地地磁对称(蓝色圆圈和红色虚线圈并没有完全重合),因此在进行时间分辨率更高的共轭特征时间分布规律统计分析前,我们根据IGRF模型截取并投影(南半球El Leoncito台站观测窗口投影到北半球)了共轭台站观测视野中完全地磁对称的观测窗口,如图2a所示.图2a中北半球的红框表示在北半球V.Leyva台站的视野范围中截取1.69.6N以及69.5277.52W的视野范围,南半球的红框表示北半球视野窗口依据IGRF磁力线模型在南半球的映射视野窗口,
15、可以认为在IGRF模型下两个半球的视野窗口是完全地磁对称的.图2b为北半球V.Leyva台站截取的观测窗口图像,图2c为南半球El Leoncito台站截取的观测窗口图像依据IGRF模型映射到北半球的图像.经过窗口截取和映射处理后,能够方便的对比观测到的共轭等离子体泡的形态等特征.(3)共轭观测事件筛选.基于截取的共轭观测窗口,我们根据等离子体泡时间分布来筛选共轭的观测事件.首先,按天为单位筛选出共轭站观测到图像清晰的等离子体泡观测数据.然后,以北半球台站数据为基础,筛选出南半球与北半球图像对应观测时间间隔最小的观测数据.本文用到的ASI数据观测时间间隔大约为510min,因此只统计南北半球图
16、像观测时间间隔小于5min的数据,这样的每一对观测数据称为一次观测事件.由此我们可以得到时间分辨率在510min左右的共轭等离子体泡时间分布的统计结果.(4)共轭等离子体泡特征提取.根据筛选的观测窗口中图像清晰的气辉数据,可以获取等离子体泡的形态信息.图2b和2c中两张图为清晰的气辉观测图像,我们可以在纬向截取观测数据获得经向的气辉强度变化曲线(Sobral和Abdu,1990;Sobral等,2009).由于等离子体泡是电子密度局部下降的现象,因此气辉辐射强度相对较低的区域一定程度上就代表了等离子体泡出现的区域.图2b和2c中两幅气辉观测图像中的红框表示截取的5个像素宽的纬向条带数据范围,对其取平均去除星光等噪声污染后,再做13点平滑得到图2d和2e曲线图中的蓝色曲线,曲线的谷区对应了等离子体泡条带的位置.为了准备获取等离子体泡位置信息,对蓝色曲线做8阶傅里叶拟合得到可导的黑色曲线,而由负到正的一阶导数零点就代表了曲线的谷区,增加一些约束条件(主要约束条件为峰谷比,气辉观测到的等离子体泡现象暗条带与背景辐射对比明显,因此需要峰谷比足够大才能代表等离子体泡)后可以代表等离子体泡的位置,
