吳褀， 余濤， 林兆祥， 夏醇亮， 左小敏， 王霄

1 中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 武漢　430074 2 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院，地球內(nèi)部多尺度成像湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢　430074 3 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心， 北京　100081 4 中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心， 北京　100081

?

海南電離層F區(qū)不規(guī)則體的氣輝觀測(cè)

吳褀1，2， 余濤2，3*， 林兆祥1， 夏醇亮2， 左小敏2， 王霄4

1 中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 武漢430074 2 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院，地球內(nèi)部多尺度成像湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢430074 3 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心， 北京100081 4 中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心， 北京100081

摘要本文利用子午工程海南富克站(19.5°N，109.2°E)全天空氣輝成像儀630 nm波段的氣輝圖像，通過對(duì)氣輝原始觀測(cè)資料進(jìn)行圖像增強(qiáng)、方位校正和圖像投影等預(yù)處理，得到可清晰識(shí)別電離層等離子體泡的圖像產(chǎn)品，獲得了我國(guó)海南地區(qū)首次電離層等離子體泡的光學(xué)觀測(cè)結(jié)果.在此基礎(chǔ)上，分析了等離子體泡的形狀、結(jié)構(gòu)、變化、空間尺度和運(yùn)動(dòng)速度這些基本特征.研究顯示：典型的等離子體泡形狀為南北分布的條狀，常出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，大部分情況整體向西傾斜；東西方向的尺寸為幾十到幾百公里；典型漂移速度為50～150 m·s-1.統(tǒng)計(jì)了2013年9月至2014年5月等離子體泡觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其出現(xiàn)的典型季節(jié)為9—10月和2—4月、典型時(shí)間為日落后1～2個(gè)小時(shí)并持續(xù)1～4個(gè)小時(shí)左右.

關(guān)鍵詞電離層等離子體不規(guī)則結(jié)構(gòu)； 等離子體泡； 氣輝成像儀

1引言

1.1等離子體泡的研究意義

日落之后，由于瑞利-泰勒不穩(wěn)定性(Rayleigh-Taylor Instability)，F(xiàn)區(qū)底部產(chǎn)生大尺度的等離子體耗空并向上抬升，這種大范圍的等離子體耗空在電場(chǎng)的作用下，垂直于地球磁力線向上抬升，一直延伸到頂部電離層.等離子體耗空區(qū)域在抬升的過程中，會(huì)沿磁力線擴(kuò)展到磁赤道附近的低緯度地區(qū)，并形成各種空間尺度的等離子體耗空區(qū).這種多尺度的等離子體耗空區(qū)在無線電雷達(dá)探測(cè)的高度-時(shí)間-強(qiáng)度圖中呈現(xiàn)出羽狀不規(guī)則結(jié)構(gòu)(plume irregulatities)(Woodman and La Hoz, 1976)，在電離層氣輝的光學(xué)成像圖中則可看到大塊的光學(xué)暗區(qū)(dark band)，即等離子體泡(plasma bubble)(Kelley, 1989; Haerendel, 1973; Makela, 2006).

無線電波信號(hào)經(jīng)過這些包含各種尺度電離層不規(guī)則體的等離子體泡區(qū)域時(shí)，特定頻率的電磁波就會(huì)形成幅度和相位的閃爍現(xiàn)象，因此等離子體泡通常會(huì)對(duì)高頻(HF)通信、星地通信、GPS導(dǎo)航定位產(chǎn)生嚴(yán)重影響，觀測(cè)和研究等離子體泡的規(guī)律，不僅有重要的科學(xué)意義，也有重要的應(yīng)用價(jià)值.

1.2等離子體泡的無線電觀測(cè)手段

目前對(duì)電離層等離子體泡的研究，主要有無線電和光學(xué)兩大類方法.在地面利用電離層測(cè)高儀、非相干散射雷達(dá)以及GNSS(Global Navigation Satellite System)衛(wèi)星等信號(hào)反射或穿過不規(guī)則結(jié)構(gòu)區(qū)域后的回波信號(hào)變化，可間接反映等離子體泡的區(qū)域大小以及運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律.在探測(cè)到等離子體泡的時(shí)候，電離層測(cè)高儀的頻高圖上F區(qū)回波的描記不是一條線，而是彌散的一片，表明在該高度范圍內(nèi)的電離層不是穩(wěn)定的層狀.根據(jù)這種特征，Booker和Wells(1938)首次通過分析測(cè)高儀頻高圖資料，研究了低緯地區(qū)的電離層等離子體泡.非相干散射雷達(dá)通過發(fā)送頻率范圍由幾十兆到數(shù)百兆的電磁波，可以探測(cè)各種尺度的不規(guī)則體.Woodman和La Hoz(1976)通過秘魯Jicamarca非相干散射雷達(dá)觀測(cè)到在夜間有密度極低的空腔結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)如氣泡一般由F層底部逐漸向上，進(jìn)入頂部，同時(shí)在空腔周圍逐漸發(fā)展出羽毛狀的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被稱為上升的等離子體泡(也稱羽毛結(jié)構(gòu)).利用地面密集的GNSS站網(wǎng)或者單站GNSS接收機(jī)短基線陣，通過監(jiān)測(cè)GNSS信號(hào)閃爍的出現(xiàn)和持續(xù)的時(shí)間，以及區(qū)域內(nèi)各GNSS接收機(jī)閃爍信號(hào)的時(shí)間規(guī)律，可以反演和推算出引起GNSS信號(hào)閃爍的電離層等離子體泡的尺度和漂移速度(徐繼生等，2006; Li et al., 2007, 2010; 陳艷紅等, 2008; Liu et al., 2015).除了地面的探測(cè)手段之外，還有通過衛(wèi)星和火箭手段對(duì)電離層等離子體不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)的方法.該方法是通過在衛(wèi)星上安裝專用的儀器進(jìn)行電離層等離子體參數(shù)測(cè)量，如質(zhì)譜儀、等離子體朗繆爾探針等，獲取電離層等離子體密度、溫度和運(yùn)動(dòng)速度等信息(Huang et al., 2001; Burke et al., 2004).

在我國(guó)低緯地區(qū)，我國(guó)學(xué)者利用無線電手段對(duì)等離子體泡做了大量的研究.王國(guó)軍等(2007)利用海南電離層測(cè)高儀研究了擴(kuò)展F的出現(xiàn)率，Zhu等(2015)研究了擴(kuò)展F和F層底部擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系；酈洪柯等(2013)結(jié)合三亞VHF雷達(dá)和GNSS短基線陣觀測(cè)給出了不同尺度F層不規(guī)則體具有類似的東西向運(yùn)動(dòng)特征；Li 等(2012, 2011a, 2011b)，Ning 等(2012) 利用三亞VHF雷達(dá)對(duì)電離層不規(guī)則體開展多波束掃描探測(cè)實(shí)驗(yàn)，獲得了我國(guó)低緯電離層F區(qū)羽毛結(jié)構(gòu)(plume)隨時(shí)間的演變的規(guī)律，并追蹤了羽毛結(jié)構(gòu)初始發(fā)生地，發(fā)現(xiàn)電離層F區(qū)羽毛結(jié)構(gòu)沿經(jīng)度以幾百公里甚至幾十公里的間距周期分布；胡連歡等(2013, 2014)綜合利用三亞站多種手段研究了不同季節(jié)和不同地磁活動(dòng)條件下F層不規(guī)則體特征和機(jī)理.

1.3等離子體泡的光學(xué)觀測(cè)手段

上述無線電探測(cè)手段對(duì)電離層不規(guī)則體的觀測(cè)有全天候、連續(xù)性好的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，但是除了快速掃描的相控陣?yán)走_(dá)，大部分無線電手段主要是不規(guī)則體的單點(diǎn)探測(cè)，無法很好地獲得不規(guī)則體的整體結(jié)構(gòu).光學(xué)觀測(cè)手段是大范圍、低成本觀測(cè)電離層等離子體泡的有效手段，其主要通過對(duì)電離層高度上某特定波長(zhǎng)的氣輝進(jìn)行成像觀測(cè)，得到與氣輝發(fā)射強(qiáng)度相關(guān)的等離子體密度和等離子體運(yùn)動(dòng)等信息，可以反映電離層等離子體泡的位置、結(jié)構(gòu)、大小和運(yùn)動(dòng)速度等多種信息，但是觀測(cè)容易受天氣(明月，多云)影響，并且不能很好地獲得大范圍不規(guī)則體的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu).利用光學(xué)手段與無線電手段相結(jié)合，能夠更好地監(jiān)測(cè)和研究電離層等離子體泡.

光學(xué)手段最早是利用光度計(jì)和法布里-珀羅干涉儀來對(duì)氣輝進(jìn)行觀測(cè)，它們都只能獲得氣輝一個(gè)點(diǎn)的強(qiáng)度信息.為了獲得二維的信息，要通過這些儀器的掃描來完成，這種方式使觀測(cè)通常難以分辨空間和時(shí)間的變化信息，并且無法給出等離子體泡的整體信息.后來出現(xiàn)了高敏相機(jī)(Peterson and Kieffaber, 1973)，但是它需要的積分時(shí)間太長(zhǎng)(10 min)，得到的數(shù)據(jù)沒有很好的時(shí)間分辨率.微光攝像機(jī)也被用于氣輝的觀測(cè)(Mende and Eather, 1976)，它有很好的時(shí)間分辨率，但是它只能用于比較亮的輝光(如極光和OH波段的輝光)，不能很好地用于等離子體泡的觀測(cè)上.當(dāng)高靈敏CCD被應(yīng)用到全天空氣輝成像系統(tǒng)中(Baumgardner et al., 1993)，全天空氣輝成像儀具有了很寬的視場(chǎng)，可以連續(xù)進(jìn)行多波段的拍照，并形成數(shù)字化的圖像，等離子體泡的光學(xué)觀測(cè)得到了很大的推進(jìn).Weber等(1978)最早觀測(cè)到了等離子體泡的光學(xué)圖像，接著各國(guó)學(xué)者都通過光學(xué)手段對(duì)等離子體泡進(jìn)行了大量的研究工作，包括分析了等離子體泡的空間尺度、形態(tài)特征、漂移速度，以及和其他觀測(cè)手段的對(duì)比等研究工作.

在這些研究中有一些有代表性的研究成果如下：Mukherje等(1998)的研究表明244 MHz衛(wèi)星閃爍與等離子體泡有直接關(guān)系；Otsuka等(2002, 2004)通過等離子體泡的光學(xué)圖像發(fā)現(xiàn)了它在共軛的南北半球特征相似，并且分析了等離子體泡的雷達(dá)數(shù)據(jù)和光學(xué)數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；Haase等(2011)通過等離子體泡的光學(xué)圖像與GPS數(shù)據(jù)的比對(duì)，分析了它對(duì)GPS信號(hào)產(chǎn)生的影響；Kelley等(2002, 2003)的研究中除了垂直地面向上的拍攝手段，還有一種是沿著磁力線切線指向赤道的拍攝方式，這樣得到的是單個(gè)磁通管的等離子體泡信息，可以獲得更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)，還用地面拍攝的光學(xué)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星拍攝的光學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)它們有好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，Makela等(2004)通過兩年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了等離子體泡的季節(jié)變化規(guī)律.

在海南地區(qū)，F(xiàn)層不規(guī)則體已有很多重要研究，但是對(duì)于不規(guī)則體的形態(tài)學(xué)研究較少.如在春秋季，三亞VHF雷達(dá)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在F層不規(guī)則體出現(xiàn)時(shí)，E層不規(guī)則體強(qiáng)度減弱甚至消失，同時(shí)電離層谷區(qū)不規(guī)則體發(fā)生.Li等(2011a, 2011b) 認(rèn)為低緯E層和谷區(qū)不均勻體的發(fā)生與F層不規(guī)則體的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)密切相關(guān)，赤道F層不規(guī)則體分裂成東向/西向傾斜的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生極化電場(chǎng)map到低緯觸發(fā)(抑制)了谷區(qū)(E層)不規(guī)則體.然而，他們?nèi)鄙倭硗獾难芯渴侄蝸慝@取同時(shí)的F層不規(guī)則體時(shí)空分布特征證實(shí)這一推斷.光學(xué)觀測(cè)手段可以很好地獲得等離子體泡的邊界及整體行為，用來分析等離子體泡的形態(tài)、漂移等特征.

目前在我國(guó)尚未開展利用光學(xué)成像手段對(duì)電離層等離子體泡進(jìn)行研究的工作.隨著子午工程的順利實(shí)施和運(yùn)行，我國(guó)地基空間物理觀測(cè)能力得到顯著的提升.子午工程觀測(cè)站中的全天空氣輝成像儀可以對(duì)高空大氣夜氣輝進(jìn)行多波段觀測(cè)，利用該數(shù)據(jù)研究中高層大氣的重力波活動(dòng)，并取得了豐碩的成果(Li et al., 2011b, 2013b).我國(guó)南方地區(qū)是電離層不規(guī)則體和閃爍高發(fā)區(qū)，由于海南站的地理位置特殊，是我國(guó)靠近磁赤道的低緯臺(tái)站，且有多種觀測(cè)設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行，非常有利于電離層等離子體泡的光學(xué)觀測(cè)及多手段對(duì)比研究，綜上所述利用海南站的氣輝成像儀來觀測(cè)等離子體泡是很有必要的.

2觀測(cè)與預(yù)處理

2.1光學(xué)觀測(cè)原理

氣輝是大氣層中一種微弱發(fā)光現(xiàn)象，全球全時(shí)段都存在天空中，夜間出現(xiàn)的相對(duì)明顯，稱為夜氣輝.夜氣輝的形成源于一些原子(O, Na, OH等)，它們?cè)诎滋煳樟颂?yáng)輻射能量，在夜晚通過光化反應(yīng)以輝光的形式輻射出來，等離子泡的信息主要從氧原子630 nm的輻射波段的氣輝中獲得，它的光化反應(yīng)如式(1)和(2)，

(1)

O*(1D)→O(3P)+hv.

(2)

OI630.0 nm輻射來自氧分子與電子的分解和結(jié)合過程，輻射強(qiáng)度依賴氧原子和氧分子濃度的乘積(n(O+)×n(O2))，它的最大輻射區(qū)域是F2層峰值以下的區(qū)域(250～300 km).是F2層最強(qiáng)的氣輝輻射線.

相比于天空其他光源，氣輝亮度非常低，需要用敏感的儀器才能發(fā)現(xiàn)它，現(xiàn)在用于觀測(cè)氣輝的全天空成像系統(tǒng)主要由魚眼鏡頭、遠(yuǎn)心光路系統(tǒng)、濾光片和CCD相機(jī)組成，如圖1.魚眼鏡頭有大視場(chǎng)(180°)，可以獲得全天空180°范圍的氣輝信息.濾光片可以對(duì)氣輝輻射進(jìn)行過濾，得到630 nm波段的氣輝信息，濾光片帶寬很低，通常只有1～2 nm，這樣能夠更好地濾除其他背景輻射，獲得所需630 nm波段的氣輝信息.窄帶濾光片采用干涉技術(shù)，光線的入射角度對(duì)中心波長(zhǎng)的影響很大，而系統(tǒng)前端的魚眼鏡頭會(huì)使入射光線有很大的角度，因此在魚眼鏡頭和濾光片之間需要加上遠(yuǎn)心光路系統(tǒng)，可以對(duì)光線進(jìn)行準(zhǔn)直，從而滿足濾光片的角度要求.最后，CCD相機(jī)由成像鏡頭和科學(xué)級(jí)CCD組成，全天空氣輝成像儀用來觀測(cè)等離子體泡屬于弱光成像，需要CCD有很高的靈敏度，較低的暗噪聲.由于通過窄帶濾光片得到的夜氣輝強(qiáng)度很低，成像需要長(zhǎng)時(shí)間曝光來得到等離子體泡信息，長(zhǎng)時(shí)間曝光會(huì)使CCD的溫度升高，熱噪聲也會(huì)影響成像圖像的質(zhì)量，這就需要CCD帶有制冷系統(tǒng)，來降低熱噪聲對(duì)成像的影響.通過這套系統(tǒng)可以得到二維數(shù)字化的氣輝圖像.

海南富克站(19.5°N，109.2°E)是我國(guó)靠近磁赤道的臺(tái)站，有利于等離子體泡的觀測(cè).海南富克站安裝的全天空成像儀由加拿大的KEO Scientific Co. LTD制造，采用科學(xué)級(jí)CCD(分辨率1024×1024，16位深，暗電流<0.05電子/象元·秒，可以制冷到-70 ℃)，焦距f24 mm，光圈F4的魚眼鏡頭，557.7±2 nm，630±2 nm，777.4±2 nm等多個(gè)波段可自動(dòng)切換的濾光片,并且?guī)в锌刂葡到y(tǒng)，進(jìn)行人工觀測(cè)、自動(dòng)觀測(cè)或遠(yuǎn)程控制觀測(cè)，可以很好地用于我國(guó)海南等離子體泡的氣輝觀測(cè).

圖1　全天空成像儀的結(jié)構(gòu)

2.2氣輝數(shù)據(jù)預(yù)處理

科學(xué)級(jí)CCD最終記錄下曝光時(shí)間內(nèi)氣輝層的積分圖像.但這些原始數(shù)據(jù)還觀察不到等離子體泡的信息，還不能直接用于等離子體泡的分析，因?yàn)椋?1)由于通過2 nm帶寬的濾光片得到的夜氣輝圖像亮度很低，圖片的整體灰度值偏小，以及背景輻射對(duì)氣輝的影響，無法從圖片中分辨出等離子體泡，需要對(duì)圖像做增強(qiáng)處理；(2)全天空成像儀在觀測(cè)時(shí)，往往不做方位標(biāo)定，在后期圖像處理中需要做方位校正，確定出圖像“東南西北”的位置；(3)由于魚眼鏡頭會(huì)引起圖像畸變，并且拍攝的氣輝層是圓弧形狀的，需要對(duì)圖像進(jìn)行畸變校正，把圖像投影到對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)；(4)由于van Rhijn效應(yīng)(Chamberlain, 1961)，成像儀記錄的是整個(gè)視線路徑上的氣輝輻射積分的效果，不同的天頂角，氣輝層厚度不一樣，因此氣輝輻射強(qiáng)度不一樣，并且由于光學(xué)器件的暗角效應(yīng)，會(huì)造成圖像的亮度不均勻，需要對(duì)圖像做平場(chǎng)校正，使圖像的亮度分布均勻；(5)雖然濾光片會(huì)對(duì)星星有一定的抑制作用，但是在圖像中還是會(huì)存在星星的亮點(diǎn)噪聲，在處理中需要將星星亮點(diǎn)去除掉.

綜上所述需要對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，本文采用的預(yù)處理步驟，如圖2所示，主要包括：(1)圖像增強(qiáng)；(2)方位校正；(3)圖像投影.本文主要分析等離子體泡的形狀、結(jié)構(gòu)、尺度、變化和運(yùn)動(dòng)速度等基本特征，通過這三步預(yù)處理，已經(jīng)可以進(jìn)行這些分析.若要更加深入地分析等離子體泡強(qiáng)度信息時(shí)，需要加上平場(chǎng)校正和星星去除的預(yù)處理步驟，從而使圖像的處理更加完善.

圖2　圖像預(yù)處理步驟

2.2.1圖像增強(qiáng)

(1)魚眼透鏡成像角度可達(dá)180°，圖像邊緣的數(shù)據(jù)很多都會(huì)受到本地光源的影響，因此需要將邊緣的數(shù)據(jù)去掉，這里我們按圓形提取圖像中間的部分，來去除邊緣數(shù)據(jù)；(2)然后將圖像按照一定的規(guī)則進(jìn)行亮度拉伸.夜氣輝屬于弱光成像，氣輝亮度很低，并且通過2 nm帶寬的濾光片濾光之后原始圖像的灰度值都集中在很低的范圍，我們看的圖像都是黑色，觀察不到等離子體泡的信息，而進(jìn)行亮度拉伸之后我們便可以觀察到圖像中的等離子體泡的信息；(3)為了使等離子體泡在圖像中更加明顯，需要去除背景輻射影響，把連續(xù)觀測(cè)的1個(gè)小時(shí)的圖像進(jìn)行平均，將平均后的圖像來作為背景圖像，用每張圖像都減去背景圖像(Sharma et al., 2012)；(4)再將圖像歸一化，以突出氣輝圖像中的等離子體泡信息.

2.2.2方位校正

方位校正是為了把方位不確定的圖像數(shù)據(jù)校正為“上北下南左西右東”的方位分布.通過多張圖像星星的運(yùn)動(dòng)軌跡得知，星星在圖像中是從右往左運(yùn)動(dòng)，說明圖像東西方向不需要翻轉(zhuǎn)，只需要以圖像中天頂位置為中心把北方位置旋轉(zhuǎn)到圖像上方，其步驟如下：(1)通過星圖分析得到天頂在圖像中的位置(Xo=452，Yo=452)和北極星的方位(Xnp=481，Ynp=72)，如圖3；(2)計(jì)算圖像需要旋轉(zhuǎn)的角度，如式(3)，因?yàn)楸睒O星此時(shí)的方位角為0.5°，在計(jì)算角度時(shí)要減去0.5°，算出θ= 3.86°；(3)將圖像以天頂?shù)奈恢脼橹行哪鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)3.86°，即完成圖像的方位校正.

(3)

圖3　2013年9月7日17∶08∶41UT圖像中天頂和北極星的位置

2.2.3圖像投影

由于630 nm氣輝的高度一般在250～300 km(假定氣輝高度為300 km)，所以需要將圖像投影到300 km高度對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo).本文選用2013年9月7日17∶08∶41UT的氣輝圖像及星星位置來確定投影關(guān)系.步驟如下：(1)找到圖像中分布均勻的40個(gè)星點(diǎn)的位置，記錄下它們?cè)谠紙D像中的位置，如圖4，以及圖像獲取的時(shí)間和地理經(jīng)緯度；(2)通過星圖分析得到這40個(gè)星點(diǎn)的仰角和方位角；(3)用星點(diǎn)原始像素的位置和天頂?shù)膶?shí)際位置做擬合，得到原始圖像和實(shí)際位置的關(guān)系；(4)利用得到的投影關(guān)系，將圖像投影到對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo).

圖4　2013年9月7日17∶08∶41UT星點(diǎn)位置圖像

為了確定投影方法的可行性，可以用投影后的氣輝圖像和星圖來做對(duì)比，選擇任意時(shí)間的投影圖像，把時(shí)間對(duì)應(yīng)星圖中，星星的實(shí)際位置標(biāo)注到經(jīng)過校正和投影的圖像中，對(duì)比圖像中星星位置和實(shí)際星星位置的偏差.選用2013年9月7日17∶35∶56UT的投影圖像，如圖5，白圈代表實(shí)際星星的位置，發(fā)現(xiàn)與圖像中亮點(diǎn)的位置對(duì)應(yīng)，說明投影方法是可行的.

2.2.4預(yù)處理結(jié)果

經(jīng)過預(yù)處理后的圖像如圖6所示：圖6a為原始圖像，可以發(fā)現(xiàn)圖像基本為黑色，看不出等離子體泡的信息；圖6b為增強(qiáng)圖像，已經(jīng)可以比較明顯地看到等離子體泡了，如圖中的暗條；圖6c為方位校正圖像，確定了圖像的方位，現(xiàn)在圖像為“上北下南左西右東”；圖6d為投影圖像，確定了對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)，更方便分析等離子體泡的位置、大小、速度等信息.

圖5　2013年9月7日17∶35∶56UT投影圖像

3海南地區(qū)電離層等離子體泡的主要特征

3.1主要光學(xué)形態(tài)與特征

本文利用2.2節(jié)的圖像預(yù)處理方法，處理了2013年10月25日13—16UT的氣輝圖像，得到了等離子體泡的時(shí)間序列圖像，如圖7.圖中可以看出在13∶25UT出現(xiàn)了一個(gè)等離子體泡，它的形狀為南北方向的條狀，隨著時(shí)間推移出現(xiàn)分叉，表現(xiàn)出“羽毛狀”.等離子體泡的密度比背景等離子體密度低，因此氣輝強(qiáng)度比背景要低，在光學(xué)圖像中表現(xiàn)為暗區(qū).

3.1.1等離子體泡的尺寸

在時(shí)間序列中，可以先后看到3個(gè)明顯的等離子體泡出現(xiàn)在視野中，圖7a—7p中灰色虛線表示海南站天頂?shù)?9.5°N，通過等離子體泡在天頂19.5°N橫跨的經(jīng)度來分析它們的東西尺寸，這里經(jīng)度為假設(shè)氣輝高度為300 km得到的經(jīng)度，實(shí)際的尺寸會(huì)有小的偏差.

圖6　2013年9月7日17∶08∶41UT預(yù)處理圖像

圖7　2013年10月25日13—16UT的氣輝圖像序列

第一個(gè)等離子體泡在13∶35UT時(shí)，如圖7a，橫跨經(jīng)度2.24°，為260 km，隨著時(shí)間推移它的東西尺寸增大，經(jīng)過一個(gè)小時(shí)到達(dá)14∶38UT時(shí)，如圖7i，東西尺寸為400 km.在圖7m中15∶14UT時(shí)，另外兩個(gè)等離子體泡的東西尺度為200 km和290 km.在同一時(shí)刻，多個(gè)等離子體泡可以同時(shí)存在，如序列中圖7k 14∶56UT的圖像，3個(gè)等離子體泡都可以觀測(cè)到，它們之間的間距分別為300 km和100 km, 這與Li等(2012)利用三亞VHF雷達(dá)觀測(cè)F層不規(guī)則體羽狀結(jié)構(gòu)的空間分布特征(東西尺度為150～770 km)一致.Pimenta等(2003)指出在典型的擴(kuò)展F季節(jié)，東西方向尺度為150～450 km，在與擴(kuò)展F季節(jié)相鄰的月份，尺度為40～250 km，他們認(rèn)為這與季節(jié)和太陽(yáng)周期相關(guān).

圖中3個(gè)等離子體泡的南北尺度都大于1000 km，南北方向的尺度與磁赤道上方等離子體泡的頂點(diǎn)上升高度直接相關(guān)，受太陽(yáng)周期的影響(Sahai et al., 2000)，磁赤道上方等離子體泡的頂點(diǎn)上升高度一般為1000～2500 km.根據(jù)等離子體泡的邊界，如圖7c和7g中，統(tǒng)計(jì)邊界內(nèi)包含的像素，從而計(jì)算出等離子體泡的面積，在圖7c中13∶44UT時(shí)，等離子泡的面積約為1.9×105km2，隨著時(shí)間推移，等離子體泡的面積變大，到圖7g中14∶20UT時(shí)，它的面積增大為2.3×105km2.

3.1.2向西傾斜和分叉

等離子體泡有著明顯的向西傾斜的特征，用散射雷達(dá)得到的數(shù)據(jù)也可以看到這種傾斜的現(xiàn)象.Zalesak等(1982)認(rèn)為是等離子體漂移剪切造成，Sinha和Raizada(2000)曾觀測(cè)到等離子體泡東向傾斜，他們認(rèn)為是異常的風(fēng)場(chǎng)造成的，文中的氣輝數(shù)據(jù)沒有觀測(cè)到東向傾斜的情況.

另外從圖中連續(xù)的等離子體泡變化中看出，隨著等離子體泡的增大，它出現(xiàn)了分叉的現(xiàn)象，并不是所有的等離子體泡都會(huì)出現(xiàn)分叉的現(xiàn)象，Pimenta等(2001a)認(rèn)為，在高太陽(yáng)活動(dòng)周期，等離子體泡的東西尺度更大，出現(xiàn)分叉的概率更大，通過分析我們氣輝數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)，等離子體泡越寬才更容易出現(xiàn)分叉的現(xiàn)象，在東西尺度很小時(shí)，沒有分叉現(xiàn)象出現(xiàn).等離子體泡一般情況下會(huì)有一個(gè)垂直的分支，其余向西傾斜.

3.1.3漂移速度

通過時(shí)間序列，可以觀測(cè)等離子體泡的東向漂移特征，并且可以通過每張圖片等離子體泡移動(dòng)的距離和圖片之間的間隔時(shí)間來計(jì)算出它的漂移速度.Pimenta等(2001b)指出，等離子體泡的西墻比東墻更穩(wěn)定，更適合用于分析它的漂移速度.在夜間，F(xiàn)層等離子體和背景中性風(fēng)以相同的速度向東運(yùn)動(dòng)，等離子體泡密度低會(huì)降低離子之間的交互作用，會(huì)使等離子體內(nèi)部的中性風(fēng)的速度略微地提高，多出的動(dòng)量會(huì)作用到等離子體泡的東墻上，使東墻擴(kuò)展.

這里畫出圖7c—7j中每張圖的天頂19.5°N這條緯度線上從西到東氣輝的相對(duì)強(qiáng)度變化，如圖8，前一條顏色深的直線表示等離子體泡西墻的強(qiáng)度變化，后一條顏色淺的直線代表的是東墻的強(qiáng)度變化.可以發(fā)現(xiàn)西墻的斜率基本不變，而東墻的斜率變化明顯，說明東墻的形狀變化快，相對(duì)西墻更不穩(wěn)定.同時(shí)分別用東墻和西墻計(jì)算出圖7中等離子體泡的漂移速度，如圖9，13∶25—14∶47UT以第一個(gè)等離子體泡計(jì)算速度，14∶56—15∶42UT以第二個(gè)等離子體泡計(jì)算速度.圖9也可以明顯地看出以西墻的速度比東墻的速度更穩(wěn)定，所以用西墻來分析等離子體泡的漂移速度更好.這里的速度是假定氣輝的高度為300 km計(jì)算出來的，實(shí)際630 nm的氣輝高度為250～300 km，因此速度的計(jì)算受假定高度的影響，假定高度為250 km時(shí)，速度會(huì)減小20%左右.在圖8所示的這兩個(gè)小時(shí)內(nèi)，利用西墻得到的速度為130 m·s-1左右，與這一區(qū)域的衛(wèi)星信標(biāo)和雷達(dá)觀測(cè)已經(jīng)給出的大量F層不均勻體漂移特性的研究結(jié)果相似(Li et al., 2007; 陳艷紅等, 2008; Liu et al., 2015)，典型速度為50～150 m·s-1.在異常風(fēng)場(chǎng)下，西向漂移和向東傾斜往往是同時(shí)發(fā)生的，但是在文獻(xiàn)中的氣輝數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象.

圖8　天頂緯度氣輝的相對(duì)強(qiáng)度

3.2時(shí)間特征

將2013年9月—2014年5月的原始觀測(cè)資料通過數(shù)據(jù)預(yù)處理后形成可清晰識(shí)別等離子體泡的產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)電離層等離子體泡出現(xiàn)時(shí)間的規(guī)律，結(jié)果如圖10所示，其中沒有數(shù)據(jù)的部分是因?yàn)槊髟碌挠绊?，在有?shù)據(jù)的時(shí)間段將圖像分為三類：(1)由于云的遮擋，無法獲得等離子體泡的信息，圖中用黑條表示；(2)天空清晰，但是沒有等離子體泡，圖中用綠條表示；(3)天空清晰，可以觀察到等離子體泡的現(xiàn)象，圖中用紅條表示.

通過統(tǒng)計(jì)作圖之后發(fā)現(xiàn)等離子體泡一般出現(xiàn)在日落后1～2個(gè)小時(shí)，持續(xù)時(shí)間為1～4個(gè)小時(shí)左右，等離子體泡出現(xiàn)的典型時(shí)間段為9月下旬—10月下旬和2月下旬—4月中旬.

圖9　2013年10月25 日等離子體泡的漂移速度

圖10　2013年9月—2014年5月氣輝圖像的統(tǒng)計(jì)

4結(jié)論

本文通過對(duì)氣輝數(shù)據(jù)的處理，得到了可清晰識(shí)別的電離層等離子體泡的圖像產(chǎn)品，獲得了我國(guó)海南地區(qū)首次電離層等離子體泡的光學(xué)觀測(cè)結(jié)果.在此基礎(chǔ)上，分析了我國(guó)海南地區(qū)等離子體泡的基本特征：(1)形狀為南北方向的條狀，隨著時(shí)間推移出現(xiàn)分叉，表現(xiàn)出“羽毛狀”，整個(gè)泡體向西傾斜；(2)東西方向的尺寸為幾十到幾百公里，與擴(kuò)展F季節(jié)相關(guān)；(3)漂移過程中，西墻比東墻更穩(wěn)定，典型漂移速度為50～150 m·s-1；(4)統(tǒng)計(jì)了2013年9月至2014年5月等離子體泡出現(xiàn)的時(shí)間規(guī)律，結(jié)論是等離子體泡一般出現(xiàn)在日落后1～2個(gè)小時(shí)，持續(xù)時(shí)間為1～4個(gè)小時(shí)左右，等離子體泡出現(xiàn)的典型時(shí)間段為9月下旬—10月下旬和2月下旬—4月中旬.

通過對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)和深入的研究以及聯(lián)合其他觀測(cè)手段對(duì)等離子體泡的分析，可以得到等離子體泡在多手段觀測(cè)下的特征.在此基礎(chǔ)上，針對(duì)我國(guó)低緯(海南)地區(qū)電離層等離子體泡的出現(xiàn)規(guī)律和結(jié)構(gòu)特征，面向電離層閃爍的應(yīng)用需求，提出可大范圍、自動(dòng)化、高精度觀測(cè)等離子體泡的觀測(cè)方案，探索通過光學(xué)手段大范圍監(jiān)測(cè)電離層等離子體泡及閃爍的可行性，為將來我國(guó)南方大范圍監(jiān)測(cè)電離層等離子體泡及電離層閃爍現(xiàn)象提供技術(shù)基礎(chǔ).

致謝感謝子午工程和徐寄遙研究員提供氣輝觀測(cè)數(shù)據(jù)和非常有益的討論.

References

Baumgardner J L, Flynn B, Mendillo M J. 1993. Monochromatic imaging instrumentation for applications in aeronomy of the Earth and planets.OpticalEngineering, 32(12): 3028-3032.

Booker H G, Wells H W. 1938. Scattering of radio waves by the F-region of the ionosphere.JournalofGeophysicalResearch, 43(3): 249-256.

Burke W J, Gentile L C, Huang C Y, et al. 2004. Longitudinal variability of equatorial plasma bubbles observed by DMSP and ROCSAT-1.JournalofGeophysicalResearch, 109(A12), doi: 10.1029/2004JA010583.

Chamberlain J W. 1961. Physics of the Aurora and Airglow. New York: Academic Press.

Chen Y H, Huang W G, Gong J C, et al. 2008. Observations of ionospheric irregularity zonal velocity in Hainan.ChineseJournalofSpaceScience(in Chinese), 28(4): 295-300.

Haase J S, Dautermann T, Taylor M J, et al. 2011. Propagation of plasma bubbles observed in Brazil from GPS and airglow data.AdvancesinSpaceResearch, 47(10): 1758-1776. Haerendel G. 1973. Max Planck Institute fur physic and Astrophysik. Garching, West Germany. Hu L H, Ning B Q, Li G Z, et al. 2013. Multi-instruments observation of low latitude ionospheric irregularities response to Oct 2010 storm.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 56(2): 365-373, doi: 10.6038/cjg20130201.

Hu L H, Ning B Q, Li G Z, et al. 2014. Observations on the field-aligned irregularities using Sanya VHF radar: 4. June solstitial F-region Echoes in solar minimum.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 57(1): 1-9, doi: 10.6038/cjg20140101.

Huang C Y, Burke W J, Machuzak J S, et al. 2001. DMSP observations of equatorial plasma bubbles in the topside ionosphere near solar maximum.JournalofGeophysicalResearch, 106(A5): 8131-8142.

Kelley M C. 1989. The Earth′s Ionosphere. San Diego: Academic Press.

Kelley M C, Makela J J, Ledvina B M, et al. 2002. Observations of equatorial spread-F from Haleakala, Hawaii.GeophysicalResearchLetters, 29(20): 64-1-64-4.

Kelley M C, Makela J J, Paxton L J, et al. 2003. The first coordinated ground- and space-based optical observations of equatorial plasma bubbles.GeophysicalResearchLetters, 30(14), doi: 0.1029/2003GL017301. Li G Z, Ning B Q, Yuan H. 2007. Analysis of ionospheric scintillation spectra and TEC in the Chinese low latitude region.EarthPlanetsSpace, 59(4): 279-285.

Li G Z, Ning B Q, Hu L H, et al. 2010. Longitudinal development of low-latitude ionospheric irregularities during the geomagnetic storms of July 2004.JournalofGeophysicalResearch, 115(A4), doi: 10.1029/2009JA014830.

Li G Z, Ning B Q, Patra A K, et al. 2011a. Investigation of low-latitude E and valley region irregularities: their relationship to equatorial plasma bubble bifurcation.JournalofGeophysicalResearch, 116(A11), doi: 10.1029/2011JA016895.

Li G Z, Ning B Q, Abdu M A, et al. 2012. Precursor signatures and evolution of post-sunset equatorial spread-F observed over Sanya.JournalofGeophysicalResearch, 117(A8), doi: 10.1029/2012JA017820.

Li G Z, Ning B Q, Abdu M A, et al. 2013a. Longitudinal characteristics of spread F backscatter plumes observed with the EAR and Sanya VHF radar in Southeast Asia.JournalofGeophysicalResearch:SpacePhysics, 118(10): 6544-6557.

Li H K, Ning B Q, Li G Z. 2013. Observations on hundred meter-and meter-scale ionospheric irregularity drifts at low latitude.ProgressinGeophysics(in Chinese), 28(2): 545-553, doi: 10.6038/pg20130203.

Li Q Z, Xu J Y, Yue W, et al. 2011b. Statistical characteristics of gravity wave activities observed by an OH airglow imager at Xinglong, in northern China.AnnalesGeophysicae, 29(8): 1401-1410.

Li Q Z, Xu J Y, Yue J, et al. 2013b. Investigation of a mesospheric bore event over northern China.AnnalesGeophysicae, 31(3): 409-418.

Liu K K, Li G Z, Ning B Q, et al. 2015. Statistical characteristics of low-latitude ionospheric scintillation over China.AdvancesinSpaceResearch, 55(5): 1356-1365.

Makela J J, Ledvina B M, Kelley M C, et al. 2004. Analysis of the seasonal variations of equatorial plasma bubble occurrence observed from Haleakala, Hawaii.AnnalesGeophysicae, 22(9): 3109-3121.

Makela J J. 2006. A review of imaging low-latitude ionospheric irregularity processes.JournalofAtmosphericandSolar-TerrestrialPhysics, 68(13): 1441-1458.Mende S B, Eather R H. 1976. Monochromatic all-sky observations and auroral precipitation patterns.JournalofGeophysicalResearch, 81(22): 3771-3780.

Mukherjee G K, Carlo L, Mahajan S H, et al. 1998. First results of all-sky imaging from India.EarthPlanetsSpace, 50(2): 119-127.

Ning B Q, Hu L H, Li G Z, et al. 2012. The first time observations of low-latitude ionospheric irregularities by VHF radar in Hainan.ScienceChinaTechnologicalSciences, 55(5): 1189-1197. Otsuka Y, Shiokawa K, Ogawa T, et al. 2002. Geomagnetic conjugate observations of equatorial airglow depletions.GeophysicalResearchLetters, 29(15): 43-1-43-4.Otsuka Y, Shiokawa K, Ogawa T, et al. 2004. Spatial relationship of equatorial plasma bubbles and field-aligned irregularities observed with an all-sky airglow imager and the Equatorial Atmosphere Radar.GeophysicalResearchLetters, 31(20): L20802.

Peterson A W, Kieffaber L M. 1973. Infrared photography of OH airglow structures.Nature, 242(5396): 321-322.

Pimenta A A, Fagundes P R, Bittencourt J A, et al. 2001a. Relevant aspects of equatorial plasma bubbles under different solar activity conditions.AdvancesinSpaceResearch, 27(6-7): 1213-1218.

Pimenta A A, Fagundes P R, Bittencourt J A, et al. 2001b. Ionospheric plasma bubble zonal drift: a methodology using OI 630 nm all-sky imaging systems.AdvancesinSpaceResearch, 27(6-7): 1219-1224.

Pimenta A A, Bittencourt J A, Fagundes P R, et al. 2003. Ionospheric plasma bubble zonal drifts over the tropical region: a study using OI 630nm emission all-sky images.JournalofAtmosphericandSolar-TerrestrialPhysics, 65(10): 1117-1126.

Sahai Y, Fagundes P R, Bittencourt J A. 2000. Transequatorial F-region ionospheric plasma bubbles: solar cycle effects.Journal

ofAtmosphericandSolar-TerrestrialPhysics, 62(15): 1377-1383.

Sharma A K, Nade D P, Nikte S S, et al. 2012. Analysis of plasma bubbles observed in night airglow emission line OI 630.0 nm from Kolhapur using all sky imager.InternationalJournalofEngineeringSciencesResearch, 3(2): 746-750.

Sinha H S S, Raizada S. 2000. Some new features of ionospheric plasma depletions over the Indian zone using all sky optical imaging.Earth,PlanetsandSpace, 52(8): 549-559.

Wang G J, Shi J K, Wang X, et al. 2007. Seasonal variation of ionospheric spread-F observed in Hainan.ChineseJournalofRadioScience(in Chinese), 22(4): 583-588.

Weber E J, Buchau J, Eather R H, et al. 1978. North-south aligned equatorial airglow depletions.JournalofGeophysicalResearch, 83(A2): 712-716.

Woodman R F, La Hoz C. 1976. Radar observations of F region equatorial irregularities.JournalofGeophysicalResearch, 81(31): 5447-5466.

Xu J S, Zhu J, Cheng G H. 2006. GPS observations of ionospheric effects of the major storm of Nov. 7-10, 2004.ChineseJournalofSpaceScience(in Chinese), 49(4): 950-956.Zalesak S T, Ossakow S L, Chaturvedi P K. 1982. Nonlinear equatorial spread F: The effect of neutral winds and background Pedersen conductivity.JournalofGeophysicalResearch, 87(A1): 151-166. Zhu Z P, Lan J H, Luo W H, et al. 2015. Statistical characteristics of ionogram spread-F and satellite traces over a Chinese low-latitude station Sanya.AdvancesinSpaceResearch, 56(9): 1911-1921, doi: 10.1016/j.asr.2015.03.038.

附中文參考文獻(xiàn)

陳艷紅, 黃文耿, 龔建村等. 2008. 海南地區(qū)電離層不規(guī)則體緯向漂移速度的觀測(cè)和研究. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 28(4): 295-300.

胡連歡, 寧百齊, 李國(guó)主等. 2013. 暴時(shí)低緯電離層不規(guī)則體響應(yīng)特征的多手段觀測(cè). 地球物理學(xué)報(bào), 56(2): 365-373, doi: 10.6038/cjg20130201.

胡連歡, 寧百齊, 李國(guó)主等. 2014. 基于三亞VHF雷達(dá)的場(chǎng)向不規(guī)則體觀測(cè)研究: 4. 太陽(yáng)活動(dòng)低年夏季F區(qū)回波. 地球物理學(xué)報(bào), 57(1): 1-9, doi: 10.6038/cjg20140101.

酈洪柯, 寧百齊, 李國(guó)主. 2013. 不同尺度低緯電離層不規(guī)則體漂移特性的觀測(cè)研究. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 28(2): 545-553, doi: 10.6038/pg20130203.

王國(guó)軍, 史建魁, 王霄等. 2007. 海南地區(qū)擴(kuò)展F的季節(jié)變化研究. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 22(4): 583-588.

徐繼生, 朱劼, 程光暉. 2006. 2004年11月強(qiáng)磁暴期間武漢電離層TEC的響應(yīng)和振幅閃爍特征的GPS觀測(cè). 地球物理學(xué)報(bào), 49(4): 950-956.

(本文編輯何燕)

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41274159，41174030)資助.

作者簡(jiǎn)介吳祺，男，1989年生，湖北黃岡人，2015年于中南民族大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)楣馀c物質(zhì)相互作用.E-mail: 176259681@qq.com *通信作者余濤.E-mail: yutaommnn@163.com

doi:10.6038/cjg20160103 中圖分類號(hào)P352

收稿日期2014-08-31，2015-11-09收修定稿

Night airglow observations to irregularities in the ionospheric F region over Hainan

WU Qi1,2， YU Tao2,3*， LIN Zhao-Xiang1， XIA Chun-Liang2， ZUO Xiao-Min2， WANG Xiao4

1CollegeofElectronicsandInformationEngineering,South-CentralUniversityforNationalities,Wuhan430074,China2HubeiSubsurfaceMulti-scaleImagingKeyLaboratory,InstituteofGeophysicsandGeomatics,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China3NationalSatelliteMeteorologicalCenter,Beijing100081,China4NationalSpaceScienceCenter,ChineseAcademyofSciences,Beijing100081,China

AbstractIn this paper, airglow images of 630 nm emission are taken by an all sky imager in the Meridian Project Hainan Fuke Station (19.5°N, 109.2°E). The data processing including image enhancement, azimuth correction and image projection is performed to identify ionospheric plasma bubbles and to get clear image products. The optical observation of ionospheric plasma bubbles is the first of its kind in Hainan.

With the optical measurements from September 2013 to May 2014, the spatial structure and its evolution, and the zonal drifts of plasma bubbles are analyzed. According to these observations, the plasma bubbles usually appear 1～2 hours after the sunset and last for 1～4 hours. September and October and February to April are the typical periods when the plasma bubbles appear. The shape of the plasma bubbles is just like stripes, which spread from north to south. Gradually the plasma bubbles maybe develop some bifurcations that look like plumage, and usually lean to the west. The size of the plasma bubbles in the east-west direction ranges from dozens to hundreds of kilometers. It is related to the seasonal variation. The west wall of the plasma bubbles is more steady than the east wall in the process of drifting. The typical velocity of east-west motion is in the range of 50～150 m·s-1. The analysis reveals the main optical observing characteristics of ionospheric plasma bubbles in Hainan.

KeywordsIonospheric irregularities; Plasma bubbles; Airglow imager

吳褀， 余濤， 林兆祥等. 2016. 海南電離層F區(qū)不規(guī)則體的氣輝觀測(cè).地球物理學(xué)報(bào)，59(1):17-27,doi:10.6038/cjg20160103.

Wu Q, Yu T, Lin Z X, et al. 2016. Night airglow observations to irregularities in the ionospheric F region over Hainan.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(1):17-27,doi:10.6038/cjg20160103.