王亞璐, 項正, 澤仁志瑪, 倪彬彬*, 劉陽希子, 張學民, 歐陽新艷, 吳迎燕, 申旭輝

1 中國地震局地震預測研究所, 北京 100036 2 武漢大學電子信息學院空間物理系, 武漢 430072 3 應急管理部國家自然災害防治研究院, 北京 100085 4 中國科學院國家空間科學中心, 北京 100190

0 引言

地基人工甚低頻臺站發(fā)射的窄帶電波信號可以被地球表面和電離層底界面來回反射,在地球-電離層波導中進行遠距離傳播,最早被應用于國防對潛通訊.20世紀中葉,學者們研究發(fā)現(xiàn),人工甚低頻臺站信號可以穿透電離層,以右旋極化哨聲波模在地球磁層中進行傳播(如: Storey, 1953; Helliwell, 1965),并與能量為幾十到幾百keV的電子發(fā)生波粒共振,引起電子的沉降(如: Inan et al., 1984; Abel and Thorne, 1998a,b; Ni et al., 2022).近年來的理論與觀測研究結(jié)果表明,人工甚低頻臺站信號不僅對內(nèi)輻射帶中能量電子的損失有重要影響(如: Sauvaud et al., 2006, 2008; Gamble et al., 2008; Kulkarni et al., 2008; Graf et al., 2009; Selesnick et al., 2013; 劉陽希子等, 2021, Liu et al., 2022),而且直接導致了內(nèi)輻射帶能量電子的徑向分叉現(xiàn)象(如: Claudepierre et al., 2020; Hua et al., 2020, 2021).

人工甚低頻臺站信號的全球分布模型對量化輻射帶電子受到的散射效應至關(guān)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,由于缺乏原位衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),關(guān)于電離層對人工甚低頻臺站信號吸收衰減的研究,更多的集中于理論方面,如早在1965年,Helliwell(1965)就展開了理論研究,基于一個簡化的電離層電子密度模型計算了不同頻率電波信號在穿透電離層后,其幅值衰減度隨緯度的變化曲線(下文稱Helliwell曲線),為后人在甚低頻臺站信號電離層衰減方面的研究工作奠定了基礎.Inan等(1984)基于Helliwell曲線計算了地基甚低頻臺站在磁層中產(chǎn)生的信號強度,并與DE-1衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)進行了比對分析.Starks等(2008)在計算過程中考慮了甚低頻電波的非導管傳播模式,指出在中緯地區(qū),日側(cè)地基甚低頻臺站信號的衰減度模擬結(jié)果會偏高10 dB,而夜側(cè)的衰減度模擬結(jié)果會偏高20 dB,但在赤道地區(qū)會偏低15 dB.Tao等(2010)在理論模擬與實測結(jié)果的比對分析過程中,發(fā)現(xiàn)如果采用國際電離層參考模型(International Reference Ionosphere Model, IRI)的電子密度值,Helliwell曲線的計算結(jié)果誤差會達到100 dB.這些研究提供了對人工甚低頻波分布的基本認知,但同時理論模型與觀測結(jié)果的差異也表明隨空間位置、時間以及地磁活動動態(tài)變化的等離子體結(jié)構(gòu)對甚低頻信號的傳播有重要影響(Gu et al., 2022, 2023).為獲取更精確的人工甚低頻臺站信號全球分布模型,近20年來,學者們基于衛(wèi)星實測數(shù)據(jù),對空間甚低頻臺站信號的分布特征展開了大量分析研究.如Cohen和Inan(2012)基于DEMETER衛(wèi)星6年的觀測數(shù)據(jù),統(tǒng)計分析了NWC、DHO、NPM等16個人工甚低頻臺站信號在電離層中的功率分布特性.Ma等(2017)基于范艾倫A星數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析了10～60 kHz的甚低頻臺站信號在L=1～3(L代表相應磁力線在磁赤道處距離地心的距離,以地球半徑為單位)的分布模型,Meredith等(2019)同樣使用范艾倫A星數(shù)據(jù)統(tǒng)計了20多個人工甚低頻臺站信號隨L的分布模型,項正等(2021)基于范艾倫A、B雙星數(shù)據(jù),分析了NWC和NAA臺站信號在內(nèi)磁層中的空間分布、與季節(jié)和地磁活動等的依賴關(guān)系及其統(tǒng)計幅值的大小.

1 數(shù)據(jù)簡介

張衡一號衛(wèi)星于2018年2月發(fā)射升空,旨在監(jiān)測與巖石圈地震活動有關(guān)的電離層擾動.衛(wèi)星飛行軌道高度約507 km,接近太陽同步圓形軌道,升/降節(jié)點為本地凌晨2點和下午2點,每個軌道周期大概為94.6 min,重訪周期為5天(Shen et al., 2018).它攜帶8種科學載荷,可獲取全球地磁場、電磁場、等離子體參數(shù)和高能粒子等數(shù)據(jù).因此,張衡一號衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)也可以用于空間物理相關(guān)研究(例如,空間天氣、電離層不規(guī)則性和等離子體環(huán)境).科學載荷有巡查和詳查兩種工作模式,巡查模式的時間和頻率分辨率較低,全軌道以巡查模式記錄數(shù)據(jù),而詳查模式,時間和頻率分辨率較高,只在中國區(qū)域和全球主地震帶上空啟動(Zhima et al., 2022).本文主要使用巡查模式下,由電場探測儀(Electric Field Detector, EFD)記錄的三分量電場功率譜數(shù)據(jù),采樣率為50 kHz,時間分辨率為2 s,頻率分辨率為24.4 Hz(Huang et al., 2018).

在張衡一號衛(wèi)星電場時頻譜圖上,人工甚低頻臺站信號呈現(xiàn)明顯高于背景的水平譜線特征(如韓瑩等, 2021,2022).本文基于張衡一號衛(wèi)星2019—2022年電場觀測數(shù)據(jù)對人工甚低頻臺站信號進行統(tǒng)計分析.根據(jù)張衡一號衛(wèi)星的重訪周期將地理經(jīng)度以5°的步長均勻劃分,0°～180°代表東半球,180°～360°或-180°～0°代表西半球,將地理緯度以2°的步長均勻劃分,形成5°×2°的二維經(jīng)緯度網(wǎng)格單元.時間以1個月為步長,根據(jù)經(jīng)緯度和時間步長,將4年觀測數(shù)據(jù)網(wǎng)格化到91×73×48的元胞數(shù)組中,每個元胞數(shù)組中有100個左右的觀測數(shù)據(jù)點.在繪制總電場功率譜全球分布圖時,將以上網(wǎng)格化數(shù)據(jù)進行插值得到全球1°×1°的二維分布圖.

目前,全球分布有十幾個人工甚低頻臺站,頻率范圍主要涵蓋18～25kHz,表1給出了本文所研究的10個人工甚低頻臺站,表中最后一列是臺站的發(fā)射功率,上標①代表引自文獻Meredith等(2019),上標②代表引自文獻Zhang等(2018),兩個文獻中部分臺站功率不同,甚至差別較大,后文將根據(jù)張衡一號衛(wèi)星的觀測結(jié)果進行討論.由于NML臺站信號頻率(25.2 kHz)高于張衡一號衛(wèi)星的電場采樣率(50 kHz)的一半,根據(jù)混疊效應,本文將分析NML臺站上空24.8 kHz的信號特征.

表1 本文研究的人工甚低頻臺站列表Table 1 VLF transmitter stations studied in this paper

2 統(tǒng)計分析

針對表1中的10個人工甚低頻臺站,基于張衡一號衛(wèi)星2019—2022共計4年的三分量電場觀測數(shù)據(jù),本節(jié)對各臺站信號的空間分布,及其隨晝夜、季節(jié)和地磁活動水平的變化規(guī)律進行統(tǒng)計研究,并分析臺站共軛區(qū)域的甚低頻信號特征.

(1) 人工甚低頻臺站信號隨晝夜和季節(jié)的變化規(guī)律

根據(jù)第一節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法,將張衡一號衛(wèi)星2019—2022年的總電場功率譜密度數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理,圖1左側(cè)(a1—j1)給出了夜側(cè)甚低頻臺站上空人工信號對應頻段(±200 Hz)的總電場功率譜密度平均值的平面分布圖,橫縱坐標分別是地理經(jīng)緯度,圖中黑色五角星為甚低頻臺站的地理位置,白色圓點為臺站上空80 km高度處的磁力線在張衡一號衛(wèi)星高度的穿刺點,黑色曲線是以穿刺點為中心的距離等值線.穿刺點相較于甚低頻臺站的地理位置更靠近赤道,兩者的距離與甚低頻臺站所處緯度有關(guān),緯度越低兩者的距離越遠,這與磁力線曲率特征相符.對于NWC站(圖1c1),穿刺點在臺站北部約500 km處,這與Cohen和Inan(2012)基于DEMETER衛(wèi)星的觀測結(jié)果相近.從圖1左側(cè)(a1—j1)可以看出,在人工甚低頻臺站上空有明顯的電場增強現(xiàn)象,增強區(qū)域的中心更靠近穿刺點(白色圓點),呈現(xiàn)近圓形分布.信號輻射范圍最大的是NWC臺站,輻射半徑超過1000 km,其次為NAA臺站和NPM臺站,結(jié)合表1,人工甚低頻臺站信號的輻射范圍與其發(fā)射功率呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系.值得注意的是ICV臺站,圖1d1顯示該臺站的信號輻射半徑近2000 km,與NWC臺站相當,但根據(jù)表1,ICV臺站的發(fā)射功率不足以影響如此大的范圍,后文將進一步討論.

圖1 夜側(cè)人工甚低頻臺站上空總電場功率譜密度平面圖及其隨時間的變化曲線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

與圖1類似,圖2是表1中10個甚低頻臺站上空日側(cè)的總電場功率譜密度平面圖及其隨時間的變化曲線.由于日側(cè)張衡一號衛(wèi)星的電場探測儀在赤道區(qū)域受到嚴重污染(Zhima et al., 2022),日側(cè)赤道附近觀測的電場非常大,完全掩蓋了NPM臺站信號(圖2a1),對緯度較低的JJI、NWC及ICV臺站(圖2b1—d1)也造成了一定的影響.而對于緯度較高的臺站(如FTA2、DHO38、GQD、NAA、NLK和NML臺站),可以明顯看到在臺站上空存在獨立的電場增強區(qū)域.對比圖1,圖2中臺站上空電場增強區(qū)域明顯減小,而且總電場功率譜密度幅度明顯降低.

Zhang等(2018)將人工甚低頻臺站信號強度降低至峰值1/e時的緯度范圍作為輸入?yún)?shù)開展射線追蹤數(shù)值模擬,本文在數(shù)據(jù)處理過程中發(fā)現(xiàn),如果使用信號強度衰減到峰值1/e時的閾值確定甚低頻臺站信號的有效輻射范圍,所得的信號輻射范圍會偏小,不能如實地反映甚低頻臺站信號的影響范圍.結(jié)合張衡一號衛(wèi)星總電場功率譜密度平面圖,本文基于逆向試錯法通過不斷調(diào)整信號衰減閾值以繪制信號的輻射范圍,最終確定表1中各臺站有效輻射范圍的信號閾值分別為峰值的1/2e、1/2e、1/3e、1/0.8e、1/1.5e、1/3e、1/2e、1/4.5e、1/2e、1/1.5e.以此確定的各甚低頻臺站信號輻射半徑及有效輻射范圍內(nèi)的總電場功率譜密度中位值范圍的統(tǒng)計結(jié)果列于表2.表2顯示,與夜側(cè)相比,日側(cè)的信號輻射半徑減小了近70%,而總電場功率譜密度降低約1個數(shù)量級,這種晝夜差異是因為日側(cè)太陽輻射較強,導致大氣電離程度較高,電離層的電子密度較大,從地-電離層波導中上傳的人工甚低頻臺站信號在穿越電離層時吸收衰減作用更強,從而導致衛(wèi)星觀測的人工甚低頻臺站信號更弱.

表2 人工甚低頻臺站信號的輻射半徑及總電場功率譜密度統(tǒng)計結(jié)果Table 2 The statistical result of radiation radius and total electric field power spectral density for the VLF transmitters

此外,與夜側(cè)相比,日側(cè)總電場功率譜密度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化規(guī)律.如NWC臺站,夜側(cè)觀測數(shù)據(jù)較為離散(圖1c2),雖然從總電場功率譜密度時序曲線的極小值包絡線可以看出,NWC臺站信號在北半球夏季前后達到最大,而在北半球冬季達到最小,但中位值不存在明顯的季變規(guī)律,而圖2c2顯示,無論是總電場功率譜密度時序曲線的極值包絡線,還是中位值都呈現(xiàn)明顯的季變規(guī)律,即在北半球夏季達到最大值.圖2右側(cè)(a2—j2)顯示位于北半球的甚低頻臺站(如JJI和GQD臺站),臺站上空的總電場功率譜密度在夏季最小而在冬季最大.受日側(cè)赤道區(qū)域噪聲污染影響,日側(cè)NPM信號沒有明顯的季節(jié)變化規(guī)律.日間人工甚低頻信號幅度的季節(jié)變化規(guī)律更明顯,是因為季節(jié)變化反映了日照條件的不同,當?shù)叵募救照崭鼜?電離層電子密度大,從而導致人工甚低頻臺站信號的衰減增強.

對比圖1右側(cè)(a2—j2)和圖2右側(cè)(a2—j2),夜側(cè)的總電場功率譜密度更離散,日側(cè)總電場功率譜密度更集中.這是因為電離層電子密度對電波信號的傳播、吸收和衰減有重要影響,電場功率譜密度的離散分布與電離層電子密度的離散分布相關(guān).國際電離層參考模型(IRI2016)的計算結(jié)果顯示,夜側(cè)的電離層電子密度值較日側(cè)分布更離散,從而導致夜側(cè)電波信號幅值更離散.

(2) 人工甚低頻臺站信號隨地磁活動水平的變化

為分析人工甚低頻臺站信號對地磁活動水平的依賴性,本文收集了2019—2022年間的AE指數(shù)(https:∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/wdc/Sec3.html),以20 nT的AE指數(shù)步長對觀測數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化,繪制得到表1中10個人工甚低頻臺站信號的總電場功率譜密度隨AE指數(shù)的變化曲線,如圖3所示,左側(cè)(a1—j1)是夜側(cè)結(jié)果,右側(cè)(a2—j2)是日側(cè)結(jié)果.與圖1和圖2類似,圖3中的黑色散點為穿刺點所在網(wǎng)格的觀測數(shù)據(jù)點,紅色圓點代表這些觀測數(shù)據(jù)點的中位值.同樣,在數(shù)據(jù)處理過程中只使用了甚低頻臺站完整工作月份的數(shù)據(jù).

第25個太陽周期從2019年12月開始,2019—2022年整體太陽活動處于較低的水平,地磁活動較弱,但圖3顯示當AE>300 nT時仍有足夠的觀測數(shù)據(jù)以評估人工甚低頻臺站信號與地磁活動水平的關(guān)系.從圖3左側(cè)(a1—j1)可以看出,在夜側(cè),人工甚低頻臺站信號的總電場功率譜密度并無隨地磁活動水平的增加而出現(xiàn)增大或減小的趨勢,對地磁活動水平的依賴性較弱.圖3右側(cè)(a2—j2)顯示,在日側(cè),人工甚低頻臺站信號的強度同樣與地磁活動水平無明顯關(guān)系.Meredith等(2019)和項正等(2021)基于范艾倫衛(wèi)星數(shù)據(jù)的研究結(jié)果也顯示,人工甚低頻臺站信號的幅度與AE指數(shù)的相關(guān)性很小.Cohen和Inan(2012)在分析DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)時,使用Kp指數(shù)表征地磁活動水平,其研究結(jié)果顯示無論是在甚低頻臺站上空還是其共軛區(qū),人工甚低頻臺站信號的強弱對地磁活動水平的依賴性很小.由于DEMETER衛(wèi)星采樣率較低,無法分析NAA、NLK和NML臺站的信號特征,這些甚低頻臺站的緯度較高,因此Cohen和Inan(2012)指出,他們的研究結(jié)論僅適用于中低緯度的甚低頻臺站.對于緯度較高的臺站,本文基于張衡一號衛(wèi)星的分析結(jié)果顯示,其在電離層激發(fā)的信號強弱與地磁活動水平同樣無明顯關(guān)系(圖3h1—j1、圖3h2—j2).

(3) 人工甚低頻臺站共軛區(qū)信號分布特征

人工甚低頻臺站信號沿著磁力線穿透電離層后,會以導管或者非導管模式傳播到共軛半球.學者們根據(jù)共軛半球的信號特征判斷人工甚低頻臺站信號的傳播模式,如Clilverd等(2008)根據(jù)DEMETER衛(wèi)星觀測到的人工甚低頻信號共軛增強區(qū)域與1/2赤道電子回旋頻率(fce)對應L值的位置關(guān)系來判斷信號的傳播模式.而Bortnik等(2006a,b)的理論模擬指出,非導管模式傳播的波在向共軛半球傳播過程中會發(fā)生極向漂移.本節(jié)基于張衡一號衛(wèi)星的觀測結(jié)果,分析臺站共軛區(qū)人工甚低頻信號特征.

由于日側(cè)赤道區(qū)域數(shù)據(jù)被污染,影響低緯度臺站的分析,這里只分析夜側(cè)數(shù)據(jù).根據(jù)表2中臺站信號的輻射半徑,以輻射半徑內(nèi)總電場功率譜密度的最小值作為閾值,確定共軛區(qū)電場增強區(qū)域,結(jié)果如圖4所示,黑色虛線包圍的區(qū)域為臺站上空及共軛半球的電場增強區(qū)域.圖中橫縱坐標分別是地理經(jīng)度和地理緯度,黑色五角星為甚低頻臺站及其共軛點的位置,白色圓點為臺站及其共軛點所在磁力線在張衡一號衛(wèi)星高度上的穿刺點.黑色實線為L=1.5等值線,藍色和玫紅色實線分別為人工甚低頻信號頻率等于1/3fce和1/2fce時所對應的L等值線.

圖4 人工甚低頻臺站及其共軛區(qū)上空總電場功率譜平面圖Fig.4 The electric field radiation pattern from the VLF transmitters at both the overhead and geomagnetic conjugate region

圖4顯示,在人工甚低頻臺站上空,電場增強呈現(xiàn)近圓形分布,且存在明顯的波模干涉現(xiàn)象,在總電場功率譜密度平面圖上,表現(xiàn)為在距離臺站較遠的地方有信號減弱帶和增強帶交替出現(xiàn)的現(xiàn)象,發(fā)射功率較大的NWC臺站(圖4c南半球)和NAA臺站(圖4h北半球)上空這種現(xiàn)象更明顯.而共軛半球的電場幅度及信號輻射范圍較甚低頻臺站上空有明顯的減小,這是因為電波從臺站上空向共軛區(qū)傳播的過程中,會發(fā)生朗道共振,使電波能量有所減少.需要注意的是,共軛半球電場增強區(qū)域的中心并不是甚低頻臺站的共軛點(共軛半球黑色五角星)或者共軛穿刺點(共軛半球白色圓點).對于L值較高的DHO38、GQD、NAA、NLK和NML臺站(L值分別為2.39、2.66、2.86、2.89和3.26),共軛增強區(qū)域相對共軛穿刺點存在赤道向漂移現(xiàn)象,而對于L值較低的NPM、JJI、NWC、ICV和FTA2臺站(L值分別為1.17、1.24、1.43、1.51和1.95),共軛增強區(qū)域相對共軛穿刺點存在極向漂移現(xiàn)象.

Thorne和Horne(1996)的理論模擬結(jié)果表明當電波頻率接近1/3fce時,電波會與電子發(fā)生回旋共振,導致電波能量衰減,因此在共軛半球L大于1/3fce磁殼的區(qū)域,電波信號較弱.參考Thorne和Horne(1996)的工作,本文將1/3fce對應的磁殼值作為一個參考閾值分析人工甚低頻臺站共軛區(qū)域的信號特征.圖4顯示,除了NAA臺站,其他臺站的共軛增強現(xiàn)象均分布在L小于1/3fce磁殼(圖4中的藍色等值線)的區(qū)域內(nèi),這與Thorne和Horne(1996)的理論分析相吻合.而對于NAA臺站,雖然在L大于1/3fce磁殼(L=2.29)的區(qū)域內(nèi),仍有電場增強現(xiàn)象,但幾乎所有的電波能量被限制在1/2fce對應的磁殼(L=2.63,圖4h中的玫紅色等值線)內(nèi),而且共軛半球的電波能量主要集中在L<2區(qū)域,L>2時,信號減弱,這與前人的觀測結(jié)果一致(Clilverd and Horne, 1996; Clilverd et al., 2000; Saxton and Smith, 1989).

此外,圖4顯示,甚低頻臺站共軛半球增強區(qū)域中心相對共軛穿刺點有一定程度的東向或西向偏移,對于緯度較高的NAA、NLK和NML臺站,其共軛半球增強區(qū)域的經(jīng)度分布范圍較大,電波能量被限制在較窄的L帶寬內(nèi),呈現(xiàn)帶狀分布特征,這是不同臺站上空,電離層電子密度梯度不同導致的,電離層電子密度梯度對于人工甚低頻臺站信號在共軛區(qū)的經(jīng)度展布具有重要影響(Clilverd et al., 1992a,b).

3 討論

(1) 人工甚低頻臺站的發(fā)射功率

表2顯示,NLK臺站和NML臺站的信號輻射范圍一致,NML臺站的總電場功率譜密度低于NLK臺站,結(jié)合兩個臺站的地理位置,NML臺站的發(fā)射功率應該不大于NLK臺站,由于Meredith等(2019)和Zhang等(2018)兩個文獻提供的NLK臺站發(fā)射功率都是250 kW,基于張衡一號衛(wèi)星的觀測結(jié)果,NML臺站的發(fā)射功率應該更接近于Meredith等(2019)提供的250 kW.此外,圖4顯示,DHO38臺站的信號強度和信號輻射范圍均大于GQD臺站,由于這兩個臺站地理位置相近,對應的電離層背景等離子體條件相差應該不大,因此DHO38臺站的發(fā)射功率應該大于GQD臺站,更接近于Meredith等(2019)提供的300 kW和100 kW.雖然NWC臺站和NAA臺站的發(fā)射功率相同,但圖4顯示,兩個臺站在電離層中激發(fā)的信號幅度和影響范圍不同,NWC臺站信號強度更高、輻射范圍更大,這是由于這兩個臺站所處地理位置不同,當?shù)氐卮艌鲆约芭_站上空電離層條件不同造成的.

以上關(guān)于人工甚低頻臺站發(fā)射功率的估計是基于張衡一號衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)進行的討論,由于臺站地理位置不同,各臺站電離層條件不同,因此甚低頻信號輻射范圍和強度不能絕對反映臺站的發(fā)射功率,如果想對臺站的發(fā)射功率和輻射效率進行精確估計,需要結(jié)合多圈層電波耦合模型進行理論模擬,這超出了本文的研究范圍.

(2) ICV臺站信號的輻射范圍

(3) 多衛(wèi)星電場觀測數(shù)據(jù)的比對分析

圖5 NWC甚低頻臺站上空不同衛(wèi)星觀測的電場功率譜密度隨緯度的變化曲線Fig.5 The electric power spectral density curve observed by three different satellites at the overhead region of NWC transmitter

(4) 人工甚低頻臺站信號的傳播特性

人工甚低頻臺站信號的傳播模式對波粒相互作用具有重要影響,導管傳播的波主要與幾十～幾百keV的能量電子發(fā)生一階回旋共振,而非導管傳播的波則與更高赤道投擲角的電子發(fā)生朗道共振或高階回旋共振,影響的電子能量范圍也更高.關(guān)于電波的傳播模式,最直觀的分析手段是基于三分量波形數(shù)據(jù)進行波矢量分析(Gu et al., 2021; Němec et al., 2022),然而由于采樣率太高,目前大部分衛(wèi)星未提供VLF頻段三分量電場波形數(shù)據(jù),學者們通?；陔姴üβ首V平面分布特征討論波的傳播特性.

前人基于長期的地基觀測數(shù)據(jù)指出,導管模式傳播的甚低頻波能量會被限制在一定磁殼范圍內(nèi),下閾值是L=1.5(Andrews,1978; Thomson, 1987; Clilverd and Horne, 1996),上閾值是1/2fce對應的磁殼值(Smith et al., 1960; Smith, 1961; Strangeways, 1981).基于前人關(guān)于人工甚低頻臺站信號傳播模式的經(jīng)驗推論,圖4a、b顯示,NPM臺站和JJI臺站共軛半球的信號能量都被限制在L=1.5以下,說明這兩個臺站的信號應該是非導管模式傳播,此外對于NPM和JJI臺站,在近赤道區(qū)域也存在電場增強現(xiàn)象,這表明低L值的甚低頻電波信號傳播路徑和張衡一號衛(wèi)星的飛行軌跡有一定的交叉,也證明了這些臺站的信號是非導管模式傳播.GQD、NAA、NLK和NML四個臺站共軛半球的信號幾乎全部分布在L=1.5和1/2fce對應的磁殼值(分別為2.45、2.29、2.27和2.27)范圍內(nèi),因此,這個四個臺站信號主要以導管模式進行傳播.而NWC、ICV、FTA2和DHO38四個臺站共軛半球的信號在L=1.5上下都有分布,說明這四個臺站信號既有以導管模式傳播,也有以非導管模式傳播.本文的觀測結(jié)果印證了低L值的人工甚低頻臺站信號主要是非導管模式傳播,而高L值的人工甚低頻臺站信號主要是導管模式傳播(Clilverd et al., 2008).而中緯度地區(qū),導管和非導管傳播模式并存,與Gu等(2021)和Němec等(2022)對分布于L=1.8～2.7之間的三個人工甚低頻臺站信號的波矢特性分析結(jié)果一致.

4 結(jié)論

本文基于張衡一號衛(wèi)星2019—2022年的三分量電場觀測數(shù)據(jù),統(tǒng)計分析了10個分布于不同L區(qū)域的人工甚低頻臺站信號在電離層中的時空分布特性,獲得的主要結(jié)論如下:

(1) 人工甚低頻臺站會在臺站上空及其共軛區(qū)域激發(fā)電場增強現(xiàn)象,臺站上空信號呈現(xiàn)近圓形分布,存在波模干涉效應,人工甚低頻臺站信號的幅度及輻射半徑不僅與臺站的發(fā)射功率呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系,還與臺站的地理位置有關(guān).

(2) 受電離層等離子體條件的影響,電離層人工甚低頻臺站信號會呈現(xiàn)明顯的晝夜差異和季變規(guī)律.日側(cè)電離層電子密度更大,導致日側(cè)人工甚低頻臺站信號的幅度比夜側(cè)小一個量級,信號輻射范圍較夜側(cè)減小了近70%.而當?shù)叵募?日照更強,電離層電子密度更大,因此人工甚低頻臺站信號幅度在當?shù)叵募咀畹?而在當?shù)囟咀畲?這種季變規(guī)律在日側(cè)更明顯.

(3) 無論甚低頻臺站處于低緯還是高緯地區(qū),人工甚低頻臺站信號幅度與地磁活動水平相關(guān)性較弱,表明電離層中人工甚低頻臺站信號受地磁活動影響較弱.

(4) 人工甚低頻臺站信號的傳播模式與臺站所處位置有關(guān),低L值(L<1.4)的臺站信號主要以非導管模式傳播,高L值(L>2.6)的臺站信號主要以導管模式傳播,而處于中間位置的臺站兼有導管和非導管傳播模式.