基于全天空FPI的臨近空間中性風(fēng)場(chǎng)研究

吳鵬舉，張燕革，艾勇，覃明輝

（武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，武漢 430072）

臨近空間是指介于普通航空飛行器最高飛行高度和天基衛(wèi)星最低軌道高度之間的空域。大多數(shù)臨近空間飛行器的主要活動(dòng)區(qū)域都在100 km以下，故一般定義臨近空間為離地球表面20～100 km。臨近空間大氣是地球中高層大氣的重要組成部分[1-3]，包括大氣平流層、中間層和低熱層，其大氣活動(dòng)直接影響臨近空間飛行器安全、航空航天活動(dòng)和無(wú)線信息傳輸?shù)?。其中，臨近空間的大氣風(fēng)場(chǎng)直接影響臨近空間飛行器的飛行狀態(tài)，因此對(duì)其風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)顯得尤為重要。

近年來(lái)，國(guó)外已經(jīng)研制和建立了不同體制的雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)臨近空間的大氣環(huán)境，成功發(fā)展了多個(gè)高層大氣風(fēng)場(chǎng)模式。國(guó)內(nèi)測(cè)量臨近空間（中間層和低熱層）大氣風(fēng)場(chǎng)和垂直風(fēng)廓線的主要地基設(shè)備有中頻（MF）雷達(dá)、甚高頻（VHF）雷達(dá)、激光雷達(dá)等。如中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所建立了測(cè)風(fēng)中頻雷達(dá)和流星雷達(dá)，研制的雙波長(zhǎng)高空激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)對(duì)距地表 30～110 km中高層大氣和低電離層段的探測(cè)[4-5]。

法布里-珀羅干涉儀（FPI）作為光譜分辨率極高的被動(dòng)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)，國(guó)內(nèi)外都作過(guò)許多研究[6-10]。OI557.7 nm氣輝產(chǎn)生于海拔約95 km的臨近空間頂層的低熱層，氣輝隨著大氣的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒頻移，頻移量代表著大氣的風(fēng)速信息。利用高靈敏度的法布里-珀羅干涉儀（FPI）測(cè)量OI557.7 nm氣輝的譜線頻移，可以有效獲得臨近空間頂層的大氣風(fēng)場(chǎng)信息。2010年底，武漢大學(xué)激光通信實(shí)驗(yàn)室自主研制了一臺(tái)的全天空探測(cè)設(shè)備，并在北極黃河站（78.92°N，11.93°E）進(jìn)行了越冬觀測(cè)，之后對(duì)亞暴期間的熱層風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了初步分析[11-12]。2014年底，新一代的全天空FPI設(shè)備在黃河站調(diào)試完畢，并開(kāi)始執(zhí)行遠(yuǎn)程越冬觀測(cè)任務(wù)。文中選取了2016年遠(yuǎn)程越冬觀測(cè)所獲得的亞暴期間全天空FPI的OI557.7 nm氣輝干涉數(shù)據(jù)，反演得到黃河站上空的臨近空間低熱層風(fēng)場(chǎng)信息，并對(duì)風(fēng)場(chǎng)行為和影響風(fēng)場(chǎng)的因素進(jìn)行了初步分析，對(duì)于更好地理解和認(rèn)識(shí)北極地區(qū)臨近空間低熱層空間環(huán)境具有重要意義。

1 全天空FPI及測(cè)風(fēng)原理

全天空FPI設(shè)備可以劃分為四個(gè)主要組成部分，依次為光學(xué)接收系統(tǒng)、濾波片控制系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)。全天空FPI的結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖1所示。

光學(xué)接收系統(tǒng)采用大視場(chǎng)魚(yú)眼鏡頭，理論視場(chǎng)角可達(dá)180°，其前端由一高透光率的Dome罩與外界隔開(kāi)，減小外界干擾的同時(shí)不影響光學(xué)成像。濾波片控制系統(tǒng)選擇性透過(guò)557.7 nm和630.0 nm波段，干涉系統(tǒng)為F-P標(biāo)準(zhǔn)具，間距為15 mm，有效通光孔徑為40 mm，面板反射率大于90%。文中采用的是ANDOR公司生產(chǎn)的科學(xué)級(jí)制冷CCD進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以有效地抑制量子噪聲的干擾，有助于微弱氣輝的探測(cè)。

產(chǎn)生氣輝輻射的分子或原子隨著大氣運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于固定地基觀測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生多普勒頻移。通過(guò)測(cè)量頻移量就可得出輻射源沿觀測(cè)視線方向的速度，即視線風(fēng)速。進(jìn)一步反演可以獲得輻射源處的風(fēng)場(chǎng)。

擴(kuò)展光源經(jīng)過(guò)法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具（F-P）的成像光路如圖2所示。光源S在L1的前焦面，S上一點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)過(guò) L1后變成一組平行光，以?xún)A斜角θ入射到F-P上，多光束干涉后經(jīng)過(guò)透鏡L2在像點(diǎn)P處加強(qiáng)，最終在像面上表現(xiàn)為一組等傾干涉環(huán)。

假設(shè)光源在真空中的波長(zhǎng)為λ，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具腔長(zhǎng)為h，折射率為n，干涉級(jí)次m，光束入射角為θ。干涉加強(qiáng)形成干涉環(huán)時(shí)，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)的相鄰光束滿足：

由式（1）可得，當(dāng)風(fēng)速為0時(shí)，入射角為θ的入射光通過(guò)F-P干涉儀形成第m級(jí)干涉條紋：

式中：λ0為零風(fēng)速（無(wú)多普勒頻移）時(shí)的波長(zhǎng)；f為成像物鏡的焦距；r0為第m級(jí)干涉環(huán)的半徑。

當(dāng)視線風(fēng)速為v（朝向觀測(cè)點(diǎn)方向?yàn)檎r(shí)，由于多普勒效應(yīng)，波長(zhǎng)變?yōu)棣?λ0（1-v/ c），則相同干涉級(jí)次的情況下有：

由式（2）和（3）可得視線風(fēng)速表達(dá)式為：

全天空FPI系統(tǒng)的成像物鏡焦距f已知，只需要知道假設(shè)零風(fēng)速參考半徑 r0和發(fā)生多普勒頻移后對(duì)應(yīng)干涉級(jí)次的半徑r，就可以求出相應(yīng)的輻射源的視線風(fēng)速信息，這就是全空FPI測(cè)風(fēng)的基本原理。

2 臨近空間頂層風(fēng)場(chǎng)分析

OI557.7 nm氣輝的輻射峰值高度約為95 km，位于臨近空間頂層的低熱層，因此選取了全天空FPI設(shè)備OI557.7 nm波段的干涉數(shù)據(jù)來(lái)反演臨近空間頂層的風(fēng)場(chǎng)分布。將對(duì)單個(gè)周期UT時(shí)間2016年11月25日04:00到2016年11月25日24:00時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)的經(jīng)緯向風(fēng)進(jìn)行分析，期間發(fā)生過(guò)極光亞暴現(xiàn)象。由于北極風(fēng)場(chǎng)的不均勻性，選擇地理北向風(fēng)代表經(jīng)向風(fēng)（以北正方向），地理東向代表緯向風(fēng)（以東為正方向）。

極光弧是極光亞暴的表現(xiàn)形式。地磁活動(dòng)劇烈的時(shí)候，極區(qū)天空中會(huì)出現(xiàn)明顯的極光現(xiàn)象，黃河站的全天空 FPI設(shè)備觀測(cè)到的干涉環(huán)圖像中有明顯的局部光強(qiáng)增大。AE指數(shù)為描述極區(qū)地磁擾動(dòng)強(qiáng)度的指數(shù)，Dst指數(shù)主要描述的是地磁環(huán)電流的強(qiáng)度。圖 3為世界地磁數(shù)據(jù)中心（World Data Center for Geomagnetism, Kyoto）公布的地磁活動(dòng)參數(shù)，AE指數(shù)在2016年11月 25日前后出現(xiàn)極大值，而環(huán)電流強(qiáng)度Dst指數(shù)為極小值。京都地磁學(xué)中心也將該天劃分為擾動(dòng)期，此時(shí)全天空FPI設(shè)備觀測(cè)到了較強(qiáng)的極光亞暴現(xiàn)象。

由于全天空FPI設(shè)備使用魚(yú)眼鏡頭，視場(chǎng)邊緣存在較大的畸變，會(huì)對(duì)風(fēng)場(chǎng)計(jì)算產(chǎn)生較大的誤差，因此選取干涉環(huán)的內(nèi)5級(jí)環(huán)進(jìn)行計(jì)算。11月25日，1到5級(jí)環(huán)的緯向風(fēng)絕對(duì)值的平均值為144.0，93.8，98.8，85.9，97.6 m/s，經(jīng)向風(fēng)絕對(duì)值的平均值分別為148.7，123.7，94.6，99.0，119.1 m/s。北向和東向水平風(fēng)速的變化情況如圖4所示。

由圖4可以看出，每一級(jí)環(huán)的風(fēng)速在一天內(nèi)都是不斷變化的，甚至有時(shí)會(huì)出現(xiàn)風(fēng)切變的現(xiàn)象。這是由于受到太陽(yáng)輻射、重力波等能量的影響，極地地區(qū)中高層大氣風(fēng)場(chǎng)往往變化不定。整體上，北向風(fēng)和東向風(fēng)在早上05:00前后，風(fēng)速均出現(xiàn)極大值，甚至超過(guò)了200 m/s。說(shuō)明在FPI設(shè)備觀測(cè)視場(chǎng)內(nèi)，北側(cè)和東側(cè)的風(fēng)速較大，大氣活動(dòng)較為劇烈。之后風(fēng)場(chǎng)呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)律性，但整體風(fēng)速值保持在200 m/s以?xún)?nèi)，這和當(dāng)?shù)谽ISCAT雷達(dá)觀測(cè)到100 km高度處的風(fēng)速值相近。到了傍晚18:00前后，風(fēng)速迅速較小，并保持在50 m/s以?xún)?nèi)，到了接近21:00時(shí)，風(fēng)速值有緩慢增大，之后繼續(xù)呈現(xiàn)出隨機(jī)變化的特性。對(duì)比FPI原始干涉環(huán)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，大約在18:00—21:00時(shí)間段內(nèi)，出現(xiàn)了較為明顯的極光亞暴現(xiàn)象，干涉環(huán)上有明顯的極光弧。說(shuō)明極光亞暴有效地抑制了低熱層大氣風(fēng)場(chǎng)，但也存在風(fēng)速值很大的情況下出現(xiàn)極光弧的現(xiàn)象。這是由于低熱層風(fēng)場(chǎng)并不是由單一的極光亞暴決定的，還受到大氣活動(dòng)其他能量（如大氣潮汐等）的影響，極光亞暴既有可能減小風(fēng)場(chǎng)也有可能增大風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速值。

臨近空間頂層（低熱層）亞暴期間的 557.5 nm干涉圖和對(duì)應(yīng)高度的視線風(fēng)速圖如圖5所示。淺色為朝向觀測(cè)點(diǎn)方向100 m/s視線風(fēng)，深色為遠(yuǎn)離觀測(cè)點(diǎn)100 m/s視線風(fēng)?？梢钥闯觯缮鎴D上加強(qiáng)的部分和視線風(fēng)場(chǎng)存在一定的聯(lián)系。在18:00到21:00時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)了明顯的極光亞暴現(xiàn)象，極光弧由東南方向慢慢向西北擴(kuò)張，最后整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)都觀測(cè)到極光現(xiàn)象。此時(shí)視線風(fēng)以東南風(fēng)為主，之后逐漸變?yōu)槲鞅憋L(fēng)。當(dāng)極光弧擴(kuò)大到整個(gè)視場(chǎng)，又變成以西南風(fēng)為主，整體視線風(fēng)速值都在-100～100 m/s，少數(shù)會(huì)達(dá)到150 m/s。干涉圖上無(wú)極光弧或者較弱時(shí)，風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)為變化不定，分布上規(guī)律性不大，且風(fēng)速較大。說(shuō)明極光亞暴一定程度上削弱了臨近空間頂層的視線風(fēng)場(chǎng)，并且使其風(fēng)向呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，風(fēng)場(chǎng)加強(qiáng)的方向大致上垂直于極光弧，而在極光弧方向上風(fēng)速較小。這和Zhang等[13-14]對(duì) 2011年底風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析的結(jié)論基本相同。

圖4中，18:00到21:00的水平風(fēng)速較小，基本都在 50 m/s以?xún)?nèi)，此時(shí)段東向和北向視線風(fēng)速均出現(xiàn)了超過(guò)100 m/s的情況。這是因?yàn)闃O地地區(qū)風(fēng)場(chǎng)較為復(fù)雜，存在較大的垂直風(fēng)場(chǎng)[14]，其在視線方向也有貢獻(xiàn)。它是極地地區(qū)熱層大氣對(duì)各個(gè)動(dòng)力能量的響應(yīng)運(yùn)動(dòng)，并改變著熱層的結(jié)構(gòu)和成分，同時(shí)又反過(guò)來(lái)影響著動(dòng)力能量的響應(yīng)作用。因此研究極地地區(qū)臨近空間頂層的垂直風(fēng)場(chǎng)也具有十分重要的意義。

3 結(jié)語(yǔ)

OI557.7 nm氣輝對(duì)應(yīng)的輻射高度約為95 km，以中性風(fēng)場(chǎng)為主，受到地球電場(chǎng)影響并不大。在極光亞暴期間，地磁場(chǎng)活動(dòng)加劇，可能會(huì)引起極光區(qū)域粒子沉降，電離層區(qū)離子密度急劇增大，進(jìn)一步導(dǎo)致離子拖拽和焦耳加熱等能量變化，引導(dǎo)著中性粒子的運(yùn)動(dòng)，并使其趨向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。在 2016年 11月 25日18:00—21:00時(shí)間段內(nèi)，極光一定程度上減弱了中性風(fēng)場(chǎng)，使得風(fēng)速值有一定程度的減小。

根據(jù)2016年冬季的557.7 nm觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了極光亞暴期間臨近空間頂層的大氣風(fēng)場(chǎng)行為。結(jié)合亞暴期間的地磁活動(dòng)發(fā)現(xiàn)，在極地地區(qū)，臨近空間頂層的大氣中性風(fēng)場(chǎng)受到地磁活動(dòng)的影響很大。經(jīng)過(guò)對(duì)水平風(fēng)和視線風(fēng)的分析，發(fā)現(xiàn)極光的出現(xiàn)既可能減弱中性風(fēng)場(chǎng)，也可能增大中性風(fēng)場(chǎng)，但會(huì)使其風(fēng)向上呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，其風(fēng)場(chǎng)增大的方向一般垂直于極光弧。全天空FPI適合極地地區(qū)復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)的研究，由于中低緯度地區(qū)垂直風(fēng)場(chǎng)可以忽略不計(jì)，風(fēng)場(chǎng)模式較為簡(jiǎn)單，其風(fēng)場(chǎng)測(cè)量更為準(zhǔn)確，因此FPI可以廣泛應(yīng)用于臨近空間頂層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)，對(duì)認(rèn)識(shí)臨近空間環(huán)境具有重要意義。