文 張雪峰 王友寧 馬春生

利用甚低頻（VLF）信號開展對空間天氣的研究

文 張雪峰 王友寧 馬春生

用甚低頻（VLF）信號開展對空間天氣的研究是一個比較新的領(lǐng)域?；景l(fā)射甚低頻（VLF）信號，參加監(jiān)測的站點用VLF監(jiān)測儀接收、記錄由電離層反射的（VLF）信號的強度變化情況，進行相關(guān)研究。該研究需要國際合作和長期的觀測和數(shù)據(jù)積累。現(xiàn)就我校組織學(xué)生參加國際空間天氣研究項目的做法和取得的部分成果進行介紹。

一、研究背景

太陽上出現(xiàn)的耀斑和日面物質(zhì)的拋射等劇烈活動，給地球磁層、電離層和中高層大氣造成擾動和破壞，嚴(yán)重時會危害衛(wèi)星運行和安全，影響人類的健康。這種由太陽活動引起的短時間尺度的變化，稱之為空間天氣。相對于地面天氣而言，空間天氣發(fā)生在距離地面30公里以上?？臻g天氣的研究對于人類來講還是一個比較新的領(lǐng)域，對于空間天氣的研究需要大量的觀測數(shù)據(jù)。美國斯坦福大學(xué)太陽中心“太陽耀斑活動影響地球的規(guī)律” 研究項目得到聯(lián)合國教科文組織的資助。但此資助的前提是必須要有科普項目，為此該中心在全球建立了空間天氣信息監(jiān)測收集系統(tǒng)，組織八十多個國家一百多所學(xué)校參加監(jiān)測研究。

基站發(fā)射甚低頻（VLF）信號，各參加監(jiān)測的學(xué)校用VLF監(jiān)測儀收集由電離層反射的甚低頻（VLF）信號，記錄反射信號的強度變化情況，將記錄數(shù)據(jù)傳送到太陽中心，參加該項目的學(xué)?？山M織學(xué)生進行空間天氣的課題研究，并得到美國斯坦福大學(xué)太陽中心和所在國天文臺的支持和幫助。

中國參加空間天氣監(jiān)測項目的學(xué)校有2所，我校是被南京紫金山天文臺推薦為實施監(jiān)測項目的學(xué)校之一，在多年的監(jiān)測中，我校是中國唯一持續(xù)監(jiān)測并一直和斯坦福大學(xué)太陽中心在研究上保持聯(lián)系的中學(xué)。

通過開展空間天氣觀察和電離層監(jiān)測活動，我校開設(shè)了校本課程《空間天氣預(yù)測》，組織學(xué)生學(xué)習(xí)空間天氣方面的知識，在學(xué)生中普及空間天氣知識，在監(jiān)測活動中探索空間天氣的奧秘。

二、VLF監(jiān)測儀的調(diào)試和數(shù)據(jù)采集

1.VLF監(jiān)測儀工作原理

斯坦福大學(xué)的太陽研究中心同電子工程系的甚低頻研究組和當(dāng)?shù)氐慕逃覀冮_發(fā)了費用較低的空間天氣監(jiān)測儀。在學(xué)校就能夠安裝和使用這種監(jiān)測儀。該監(jiān)測儀能監(jiān)測太陽耀斑和其他干擾引起的地球電離層變化。學(xué)生只要花10～40美元就可買到天線組件，完成安裝也只需幾個小時。數(shù)據(jù)的收集和分析均可用計算機完成，對計算機的運算速度并無很高要求。

圖1和圖2分別為監(jiān)測儀的正、反面，正面主要有一個天線輸入端，接受來自天線的信號。背面有一個數(shù)據(jù)輸出口，將放大后的信號傳輸?shù)綌?shù)模轉(zhuǎn)換器，再將數(shù)字信號輸入電腦。

圖1

圖2

2.設(shè)備調(diào)試與使用

將監(jiān)測儀與計算機、天線連接起來就構(gòu)成了一個甚低頻信號接收系統(tǒng)，如圖3所示。天線使用直徑0.4 mm左右的普通銅線繞制，可以繞城圓形或方形，如果繞在邊長為1 m的方框上（如圖4所示），建議圈數(shù)不少于25圈。一般來講，天線越大、圈數(shù)越多信號越強。選擇合適的位置擺放天線，發(fā)射點與接受點的連線應(yīng)處于天線構(gòu)成的平面上?？梢杂枚鷻C或者揚聲器接在音頻插口監(jiān)聽信號，好的信號聽起來音調(diào)低沉。如果信號不理想，可以調(diào)節(jié)Amp旋鈕和無線電頻率接受旋鈕，直至得到穩(wěn)定的信號。

圖3

圖4

3.數(shù)據(jù)的采集和上傳

我校接收的是由澳大利亞西北角站點發(fā)射的經(jīng)電離層反射的VLF甚低頻信號。接收到穩(wěn)定的信號后，就要對信號進行長時間的不間斷采集，以觀察不同空間天氣影響帶來的信號異常。數(shù)據(jù)通過Excel表單保存，每分鐘記錄12組數(shù)據(jù)。再使用Excel的制圖功能，將一天內(nèi)的數(shù)據(jù)繪制成圖，就可以看出一天內(nèi)甚低頻信號的強弱變化，如圖5所示：

圖5

當(dāng)確認(rèn)監(jiān)測器安裝成功并且數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確地被記錄時，就可以將數(shù)據(jù)文件傳至斯坦福大學(xué)的太陽中心數(shù)據(jù)庫，那里可以共享全世界范圍內(nèi)的記錄，可以根據(jù)時間或者站點名來搜索下載數(shù)據(jù)，進行空間天氣的研究活動。數(shù)據(jù)庫地址為：http://sid.stanford.edu/databasebrowser/ 。

三、空間天氣監(jiān)測研究

在多年的空間天氣科普和監(jiān)測活動中，我們利用該監(jiān)測儀器進行了多個小課題的研究。這些課題的提出有些來自于斯坦福指導(dǎo)用書，有些來自于恰逢難得的自然天象，有些則來自于學(xué)生活動中發(fā)現(xiàn)的難題。下面舉兩個研究活動實例。

1.日全食監(jiān)測

（1）問題的提出

2009年7月的日全食在南京可以觀察到，日全食帶恰好又掃過南京城市的南邊緣，與信號傳播路線垂直交叉。日全食發(fā)生的過程中VLF信號強度有無不同的程度變化呢？

（2）監(jiān)測過程

這是一個難得的觀測日全食對空間天氣影響的機會。日食前，日全食監(jiān)測小組的學(xué)生做了大量關(guān)于電離層和日全食知識方面的準(zhǔn)備。7月22日當(dāng)天，學(xué)生一到學(xué)校，就按分工進行監(jiān)測跟蹤。有的學(xué)生負(fù)責(zé)計算機監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理、有的學(xué)生進行日全食發(fā)生各環(huán)節(jié)時間的記錄、有的學(xué)生監(jiān)聽日全食發(fā)生時收音機信號的變化。教師在監(jiān)測現(xiàn)場，隨時解答學(xué)生提出的問題。7月22日南京的天氣不好，有雷雨，肉眼根本看不見太陽，但這卻沒有影響日全食監(jiān)測小組對甚低頻電磁波的監(jiān)測，在整個日全食過程中，數(shù)據(jù)收集沒有受到干擾。學(xué)生在監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，在日全食發(fā)生的各個環(huán)節(jié)中，由澳大利亞發(fā)射的VLF信號在接收時，其反射強度都有不同程度的變化。

（3）數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

用Excel將日全食當(dāng)天和前后幾天的VLF信號演化曲線繪制出來，以天為時間單位進行分析比較，如圖6所示。再具體分析日全食發(fā)生過程中包括初虧、食甚、復(fù)圓等幾個階段的信號變化以及日全食前后時間段VLF信號的變化，討論這些變化對應(yīng)的電離層變化。

圖6

（4）研究分析

教師引導(dǎo)小組學(xué)生思考和分析問題：

①我們接收的信號傳播路徑與日全食帶的位置有什么關(guān)系？對數(shù)據(jù)的接受有什么影響？

②日全食期間VLF信號有什么異常變化，這意味著電離層有什么樣的變化？

③歷史上對日全食期間VLF信號的研究有什么樣的結(jié)論？與我們有相同的結(jié)果嗎？

小組學(xué)生結(jié)合本次監(jiān)測數(shù)據(jù)和近幾年來能夠查閱的相關(guān)研究論文，分析比較后給出自己的答案：監(jiān)測儀恰好處于日全食帶邊緣，接收到的信號是從日全食帶反射回來的。將日全食期間的信號與前后幾天相同時間段進行比較，信號明顯變強，這意味著電離層的高度可能發(fā)生了變化，而且這種變化還存在提前和延后效應(yīng)。和以往的日全食監(jiān)測論文對比發(fā)現(xiàn)我們的數(shù)據(jù)與它們有相似的結(jié)論，可以彼此驗證日全食效應(yīng)。

此后學(xué)生還提出了新的問題，既然在日全食發(fā)生之前就有影響，那是不是意味著在一些重大自然現(xiàn)象比如地震發(fā)生之前，電離層會提前產(chǎn)生變化，也就是說也許人們能夠發(fā)現(xiàn)一種預(yù)報自然災(zāi)難的方法。目前這個課題還在研究中。

2.VLF甚低頻信號晝夜差反常的研究

（1）問題的提出

我們在收聽短波廣播時，一般晚上的信號質(zhì)量要比白天好，但有學(xué)生發(fā)現(xiàn)南京站點接收的甚低頻信號在白天的強度卻要比晚上好，這是甚低頻信號特有的現(xiàn)象，還是我們的儀器出了問題？ 帶著這個問題，我們請教了相關(guān)專家。

（2）研究過程

在請教專家和查閱相關(guān)文件后這些疑問都沒有得到合理的解釋。

于是大家提出了研究的方案：首先監(jiān)測本地數(shù)據(jù)，觀察是不是天氣或季節(jié)的原因。再從數(shù)據(jù)庫中下載其他站點的數(shù)據(jù)加以比較，觀察是否有和我們的問題相一致的數(shù)據(jù)，如果有再尋找共同點，觀察是否能找出產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。

通過長時間收集南京地區(qū)甚低頻信號，反復(fù)比較晝夜信號強度差值，在長達半年的數(shù)據(jù)采集中，可以看出我們收集的澳大利亞站點發(fā)射的甚低頻信號強度總是出現(xiàn)白天強于晚上的現(xiàn)象。

從斯坦福大學(xué)數(shù)據(jù)庫中查看其他站點數(shù)據(jù)，在比較后發(fā)現(xiàn)，有些站點跟我們觀察一致，信號晝強夜弱，有些站點信號強度恰好相反。

（3）研究分析

在分析比較中，活動小組的學(xué)生發(fā)現(xiàn)了規(guī)律：甚低頻信號的傳播路徑經(jīng)過赤道時，會出現(xiàn)晝強夜弱現(xiàn)象（圖7中，左半幅為夜晚信號，右半幅為白天信號）。

圖7

而甚低頻傳播路徑傳播路徑只在南半球或北半球時，則晝?nèi)跻箯姡▓D8中，左半幅為夜晚信號，右半幅為白天信號）。

圖8

小組學(xué)生進一步猜測：這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是赤道上空的電離層電子濃度不同引起，就此猜想請教了很多專家，但還沒有得到定量的數(shù)據(jù)支持，也還沒有能被相關(guān)的理論進行合理的解釋。目前興趣小組的學(xué)生依然在持續(xù)研究。

四、研究意義

1.空間天氣研究搭建了科技活動國際交流平臺

該活動是斯坦福大學(xué)組織，全球范圍內(nèi)八十多個國家參與，活動中能夠共享全球各站點的數(shù)據(jù)，經(jīng)常與斯坦福大學(xué)的指導(dǎo)人員保持聯(lián)系，獲得最新資訊，學(xué)生得到國內(nèi)、國外的科技人員的指導(dǎo)，我們也把自己收集的數(shù)據(jù)上傳的數(shù)據(jù)庫以共享。該活動讓我校的科技教育走出了國門，走向世界。

2.填補了學(xué)生空間知識的不足

學(xué)生從小學(xué)到中學(xué)，均沒有接觸過空間知識。在當(dāng)今世界空間科技日益發(fā)展的形勢下，學(xué)生對科技知識越發(fā)渴求。我校開設(shè)的空間天氣預(yù)測校本課程滿足了學(xué)生了解更多空間知識的學(xué)習(xí)愿望，彌補了學(xué)科課程的不足。

3.發(fā)現(xiàn)空間天氣低頻監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)律和異?，F(xiàn)象

在研究過程中，研究小組通過觀察日全食期間信號的變化，發(fā)現(xiàn)空間信號異常，為研究地球重大自然變化的發(fā)生提供了預(yù)測的可能性。通過全球數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，研究與發(fā)現(xiàn)空間信號在不同區(qū)域的異常規(guī)律。

4.提升了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

我們成立了天文興趣小組，開展系列的天文實踐活動，培養(yǎng)了一批對空間和天文感興趣的學(xué)生，豐富了學(xué)生的空間知識；培養(yǎng)了他們的動手動腦積極探究能力和科學(xué)論文的寫作能力，提升了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。“空間天氣監(jiān)測研究”獲得第28屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽青少年科技實踐活動一等獎，學(xué)生撰寫的論文“2009年7月22日日全食中甚低頻信號的異常研究”發(fā)表在“天文學(xué)報”上。

作者信息

張雪峰，本科，中學(xué)一級。王友寧，本科，中學(xué)高級。馬春生，本科，中學(xué)教授級高級。南京市田家炳高級中學(xué)，210037