利用甚低頻信號相位變化特性判斷X射線耀斑類型的研究

王喆， 牛有田,2,3,4,5*， 周康潑， 王照迪， 郭松浩，趙修坤， 李貝， 鄭智淵

1 河南師范大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院， 河南新鄉(xiāng) 453007 2 河南省電磁波工程院士工作站， 河南新鄉(xiāng) 453007 3 河南省光電傳感集成應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南新鄉(xiāng) 453007 4 增材智能制造河南省工程實(shí)驗(yàn)室， 河南新鄉(xiāng) 453007 5 河南省高校電磁波特征信息探測重點(diǎn)學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)室， 河南新鄉(xiāng) 453007 6 重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院, 四川重慶 402247

0 引言

VLF信號是指頻率在3～30 kHz之間的電磁波信號，其主要特點(diǎn)是波長長、衰減小、可以進(jìn)行超遠(yuǎn)距離傳輸，在潛艇通信(史偉等, 2011)、礦產(chǎn)資源探測(畢永興, 2016)、地震預(yù)報(bào)(Hayakawa, 2011)以及空間環(huán)境監(jiān)測(蘇艷芳等, 2019)等方面具有廣泛應(yīng)用.VLF信號在傳輸過程中不僅受到地面狀態(tài)的影響，還受電離層D層各類參數(shù)的影響(Thomson and Clilverd, 2001).電離層D層的參數(shù)主要由經(jīng)緯度和空間天氣因素決定，如宇宙射線(Kumar and Kumar, 2018)、高能粒子沉降(Peter et al., 2006)等，此外電離層D層的敏感度與太陽活動周期呈反相關(guān)性(Macotela et al., 2017).

在太陽活動平靜狀態(tài)下，電離層D層的電子主要來源于Lyman-α射線(Mitra, 1972)、極紫外線(Tsurutani et al., 2009)及宇宙射線(Selvakumaran et al., 2015)的直接輻射.當(dāng)X射線耀斑爆發(fā)時(shí)，X射線通量的劇增使其成為電離層D層的主要輻射源，大量帶電粒子被電離導(dǎo)致電離層D層電子密度突然增加，等效反射高度迅速降低(Thomson and Clilverd, 2001; Le H J, et al., 2019)，即電離層突然擾動(Sudden Ionospheric Disturbance，SID)現(xiàn)象.而電離層D層作為地面—電離層波導(dǎo)的上邊界，等效反射高度降低將導(dǎo)致VLF信號在波導(dǎo)中傳輸路徑發(fā)生改變，造成VLF信號的幅度和相位出現(xiàn)明顯異常.圖1展示了在太陽活動平靜狀態(tài)下和SID現(xiàn)象發(fā)生時(shí)VLF信號傳播路徑的變化.

圖1 SID現(xiàn)象發(fā)生時(shí)電離層D層高度的改變以及VLF信號傳播路徑的變化Fig.1 Changes in ionosphere D-layer height and VLF signal propagation path during SID phenomenon

盡管有很多學(xué)者對X射線耀斑與VLF信號之間的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了深入研究，但目前關(guān)于X射線耀斑引起VLF信號相位響應(yīng)不同類型的研究相對較少，為了探究X射線耀斑與VLF信號相位不同類型之間的響應(yīng)關(guān)系，本文通過接收Alpha導(dǎo)航系統(tǒng)三個(gè)站臺發(fā)射的頻率為11.9 kHz、12.6 kHz、14.9 kHz的九路VLF信號進(jìn)行相位觀測，對2002年發(fā)生的X射線耀斑事件進(jìn)行了分析研究(黃輝和吉春生, 2005).

1 VLF信號發(fā)射站臺與接收系統(tǒng)簡介

在本研究中的VLF信號發(fā)射站臺主要是由俄羅斯Alpha導(dǎo)航系統(tǒng)中位于Novosibirsk的主臺、Krasnodar的西副臺以及Khabarovsk的東副臺組成(黃輝和吉春生, 2005)，接收站臺位于河南省新鄉(xiāng)市.本文主要對主臺—新鄉(xiāng)傳播路徑下的VLF信號進(jìn)行分析，表1(黃輝和吉春生, 2005)提供了VLF發(fā)射站臺和接收站臺的基本信息.根據(jù)地球大圓距離計(jì)算公式可知(付職忠, 1990)，主臺與新鄉(xiāng)之間的大圓路徑距離約為3187.7 km，屬于遠(yuǎn)距離傳播.

表1 Alpha導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)射站臺和新鄉(xiāng)接收站臺基本信息Table 1 Basic information of Alpha navigation system transmitting station and Xinxiang receiving station

接收站臺利用VLF信號監(jiān)測系統(tǒng)可以24小時(shí)不間斷地實(shí)時(shí)接收并記錄來自Alpha導(dǎo)航系統(tǒng)的VLF信號的幅度和相位等相關(guān)數(shù)據(jù)，并將處理過的數(shù)據(jù)儲存到計(jì)算機(jī)中.VLF信號監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖2所示，系統(tǒng)主要由四部分組成：鞭狀天線、VLF信號鎖相接收機(jī)、銣原子頻標(biāo)、計(jì)算機(jī)，其中鞭狀天線與VLF信號鎖相接收機(jī)相連，接收來自Alpha導(dǎo)航系統(tǒng)主臺三個(gè)不同頻率的VLF信號，銣原子頻標(biāo)為接收機(jī)提供本地頻率標(biāo)準(zhǔn)，最終將VLF信號幅度和相位等處理過的數(shù)字信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲.

圖2 甚低頻信號監(jiān)測系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of VLF signal monitoring system

電離層D層在夜間完全消失將造成無法觀測耀斑對VLF信號相位的影響，而本研究中的VLF信號發(fā)射臺和接收臺距離遠(yuǎn)，傳播路徑中可能出現(xiàn)一部分地區(qū)處于向陽面一部分地區(qū)處于背陰面，所以只要傳播路徑上存在向陽的地區(qū)即可保證系統(tǒng)正常觀測.文中使用的耀斑數(shù)據(jù)來源于GOES-8衛(wèi)星記錄的波長為1～8?的X射線峰值通量密度F0(W·m-2).(https:∥satdat.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/full/).

2 理論分析及試驗(yàn)觀測結(jié)果

2.1 理論與數(shù)據(jù)分析

X射線耀斑爆發(fā)對VLF信號的影響主要在于幅度和相位，本文主要通過VLF信號相位對X射線耀斑的響應(yīng)進(jìn)行分析.假設(shè)在太陽活動平靜情況下VLF信號的相速度為vp(m·s-1)，根據(jù)“波導(dǎo)模”理論(Wait, 1959; 劉萬通, 1987)可知太陽活動平靜時(shí)相速度可表示為

(1)

若電離層等效反射高度變化為Δh，對應(yīng)的VLF信號相位變化量為Δφ，則兩者的關(guān)系為

(2)

由此可以得到電離層等效反射高度變化量Δh與VLF信號相位變化量Δφ之間的關(guān)系：

(3)

根據(jù)(1)—(3)式可以推算出當(dāng)耀斑爆發(fā)時(shí)電離層D層的等效反射高度變化值，以及VLF信號相位的異常變化量，再結(jié)合主臺—新鄉(xiāng)傳播路徑下的擬合公式(4)(張優(yōu)賢，2014)計(jì)算出耀斑峰值X射線通量密度，便可以進(jìn)行耀斑等級預(yù)測研究.

F0=3.633e0.7476Δh×10-3.

(4)

通過VLF信號監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)地方時(shí)(Local Time，LT)2002年07月06日主臺三個(gè)頻率VLF信號發(fā)生相位突然異常(Sudden Phase Anomaly，SPA)現(xiàn)象，由上文公式計(jì)算出三個(gè)頻率的VLF信號異常值統(tǒng)計(jì)在表2中，其中Δφ是指VLF信號受到SPA現(xiàn)象影響而引起的相位變化量，單位是百分周(cec,1 cec=3.6°)，Δh代表電離層D層等效反射高度的變化量，單位是km.圖3a為該日Alpha主臺—新鄉(xiāng)路徑下VLF信號相位隨時(shí)間變化的曲線，其中紅、藍(lán)、綠三種顏色的曲線分別代表11.9 kHz、12.6 kHz、14.9 kHz三個(gè)不同頻率的信號，圖3b為GOES衛(wèi)星公布的當(dāng)日X射線通量隨時(shí)間變化曲線圖.從圖3b中可以明顯地看到在11∶28LT X射線通量迅速升高，根據(jù)表3中GOES衛(wèi)星發(fā)布的耀斑數(shù)據(jù)可知，此次X射線通量密度急劇升高以及SPA現(xiàn)象是由一個(gè)11∶28LT爆發(fā)的M1.8級X射線耀斑引起的.從圖3(a、b)中深藍(lán)色框選部分可以看出X射線通量以及VLF信號相位變化與耀斑的對應(yīng)關(guān)系.

圖3 (a) 在Alpha主臺-新鄉(xiāng)路徑下2002年07月06日不同頻率的VLF信號相位隨時(shí)間變化曲線；(b) 2002年07月06日X射線通量隨時(shí)間變化曲線Fig.3 (a) VLF signal phase versus time curve of different frequencies on July 06, 2002 under the path from Alpha main station to Xinxiang； (b) Variation curve of X-ray flux with time on July 06, 2002

表3中Start是X射線耀斑爆發(fā)的開始時(shí)間，Max是峰值時(shí)間，End是終止時(shí)間，X-ray Flare Level表示太陽耀斑爆發(fā)時(shí)放射出的X射線所對應(yīng)的太陽耀斑級別，Region表示太陽上耀斑爆發(fā)區(qū)域的編號，F(xiàn)lux表示該耀斑爆發(fā)過程所釋放的通量，單位為W·m-2，Δφ1、Δφ2、Δφ3和Δh1、Δh2、Δh3分別表示11.9 kHz、12.6 kHz和14.9 kHz三個(gè)不同頻率VLF信號的相位變化量以及電離層等效反射高度變化量.GOES衛(wèi)星是依據(jù)世界時(shí)發(fā)布的耀斑數(shù)據(jù)，而本研究所用的監(jiān)測系統(tǒng)是基于地方時(shí)(北京時(shí)間)進(jìn)行記錄的，本地地方時(shí)和世界時(shí)的關(guān)系為LT=UT+8，表3中的耀斑時(shí)間是將GOES衛(wèi)星公布的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地方時(shí)的結(jié)果，下文中的GOES衛(wèi)星數(shù)據(jù)同樣轉(zhuǎn)換為了地方時(shí).

表2 VLF信號監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的2002年07月06日Alpha主臺-新鄉(xiāng)路徑下的太陽耀斑數(shù)據(jù)Table 2 Solar flare data under the path from Alpha main station to Xinxiang on July 06, 2002 monitored by VLF signal monitoring system

表3 GOES衛(wèi)星監(jiān)測的2002年07月06日太陽耀斑數(shù)據(jù)Table 3 Solar flare data July 06, 2002 monitored by the GOES

在07月06日的SPA事件中，VLF信號相位呈現(xiàn)出一種“尖峰”狀超前變化，通過觀察對比同年其余相位曲線以及耀斑數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)同樣變化趨勢的相位曲線都是由同種類型的X射線耀斑爆發(fā)引起的，該類型的耀斑總是以一種急起的態(tài)勢爆發(fā)并迅速達(dá)到峰值，本研究中將這種引起相位尖峰狀超前的X射線耀斑稱為“急始型”X射線耀斑.該研究通過VLF信號監(jiān)測系統(tǒng)觀測了2002年01月01日—12月31日發(fā)生的太陽耀斑事件，由于Alpha導(dǎo)航系統(tǒng)每個(gè)月有3～4天對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)檢修導(dǎo)致無法發(fā)射VLF信號，而且本文所用的VLF 信號監(jiān)測系統(tǒng)因?yàn)橥ｋ姷纫蛩貢斐蓴?shù)據(jù)缺失，通過篩除C5.0級以下引起相位超前現(xiàn)象不明顯的耀斑，最終只得到可用于分析的C5.0級以上耀斑事件共計(jì)127例，其中包含急始型X射線耀斑75例，若將全部數(shù)據(jù)在文中列出則篇幅過長，所以僅對表4中列出的其中的36例急始型耀斑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.經(jīng)過了解得知GOES衛(wèi)星是根據(jù)X射線通量變化判斷耀斑進(jìn)程的(https:∥www.swpc.noaa.gov/products/goes-x-ray-flux)，衛(wèi)星以1～8?的X射線通量急劇單調(diào)增加的第一分鐘為耀斑開始時(shí)間，以1～8?的X射線通量水平衰減到最大通量和耀斑前背景通量水平的中間值的時(shí)間為耀斑結(jié)束時(shí)間.因此衛(wèi)星所記錄的耀斑時(shí)間數(shù)據(jù)與X射線通量曲線之間存在誤差，所以需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對耀斑時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行人工判讀，表4中耀斑的各階段時(shí)刻值為人工判讀的結(jié)果；其中PCT表示耀斑從開始爆發(fā)到達(dá)峰值所用時(shí)間在整個(gè)耀斑持續(xù)時(shí)間中的占比，PCT=(Max-Start)/(End-Start)×100%.統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，急始型X射線耀斑的PCT值最大為30.00%，最小為25.71%.

表4 2002年部分急始型X射線耀斑數(shù)據(jù)Table 4 The partial data of sudden commencement X-ray flares in 2002

急始型X射線耀斑的數(shù)量在2002年觀測的耀斑總量中占比接近60%.與該類型耀斑相比還有另外一種爆發(fā)次數(shù)較少的X射線耀斑，根據(jù)VLF信號監(jiān)測系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在地方時(shí)2002年04月21日的VLF信號相位曲線、X射線通量曲線發(fā)生了與急始型X射線耀斑的響應(yīng)曲線明顯不同的變化趨勢，圖4分別為當(dāng)日VLF信號相位曲線以及X射線通量曲線，圖4a中VLF信號相位曲線于08∶43 LT開始出現(xiàn)相位超前現(xiàn)象，09∶51 LT相位達(dá)到峰值，VLF信號的相位曲線呈現(xiàn)出“小山丘”狀的緩慢變化，同時(shí)從圖4b中也可以看到X射線通量曲線呈現(xiàn)出與相位曲線類似的緩慢變化.2002年04月21日主臺三個(gè)頻率的VLF信號異常值記錄在表5中，表6為GOES衛(wèi)星監(jiān)測的耀斑數(shù)據(jù).

圖4 (a) 在Alpha主臺-新鄉(xiāng)路徑下2002年04月21日不同頻率的VLF信號相位隨時(shí)間變化曲線；(b) 2002年04月21日X射線通量隨時(shí)間變化曲線Fig.4 (a) VLF signal phase change curve of different frequencies on April 21, 2002 under the path from Alpha main station to Xinxiang； (b) The time change curve of daily X-ray flux on April 21, 2002

通過分析表5中VLF信號監(jiān)測系統(tǒng)記錄的耀斑數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該類型的耀斑從開始爆發(fā)到達(dá)到峰值所用時(shí)間在整個(gè)爆發(fā)過程中相對較長.在本研究中，把這種引起VLF信號相位曲線緩慢變化的耀斑稱為“緩變型”X射線耀斑.通過篩選的耀斑數(shù)據(jù)得知2002年內(nèi)C5.0級以上的緩變型X射線耀斑事件共計(jì)52例，其數(shù)量約占全年耀斑總量的40%，同樣由于篇幅原因在表7中僅列出其中的23例耀斑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.耀斑事件三個(gè)階段的時(shí)刻值仍然需要參照NOAA公布的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工判讀，表7中耀斑的各階段時(shí)刻值為人工判讀的結(jié)果.統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，緩變型X射線耀斑的PCT值最小為36.00%，最大達(dá)到40.98%.

圖5 (a) 在Alpha主臺-新鄉(xiāng)路徑下2001年03月30日不同頻率的VLF信號相位隨時(shí)間變化曲線；(b) 2001年03月30日X射線通量隨時(shí)間變化曲線Fig.5 (a) VLF signal phase change curve of different frequencies on March 30, 2001 under the path from Alpha main station to Xinxiang； (b) The time changes curve of X-ray flux on March 30, 2001

表5 VLF信號監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的2002年04月21日Alpha主臺-新鄉(xiāng)路徑下的太陽耀斑數(shù)據(jù)Table 5 Solar flare data under the path from Alpha main station to Xinxiang on April 21, 2002 monitored by VLF signal monitoring system

表6 GOES衛(wèi)星監(jiān)測的2002年04月21日太陽耀斑數(shù)據(jù)Table 6 The solar flare data on April 21, 2002 monitored by the GOES

1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

接下來對本研究中判斷耀斑類型的方法進(jìn)行可行性分析，驗(yàn)證過程分別選取2001年03月30日和2004年07月14日的X射線耀斑作為分析對象.

首先對2001年03月30日的X射線耀斑進(jìn)行分析，通過觀察X射線通量曲線和Alpha主臺-新鄉(xiāng)路徑下VLF信號的相位曲線，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)日12∶11 LT和17∶16 LT爆發(fā)了X射線耀斑，兩次耀斑爆發(fā)時(shí)，VLF信號的相位曲線均出現(xiàn)了形如“小山丘”狀的異常超前現(xiàn)象，因此推斷這兩個(gè)耀斑為緩變型X射線耀斑.下面利用本研究中的判斷標(biāo)準(zhǔn)對兩次耀斑的類型進(jìn)行確認(rèn)，爆發(fā)于12∶11 LT的耀斑，在13∶15 LT達(dá)到峰值，14∶48 LT耀斑爆發(fā)結(jié)束，VLF信號相位恢復(fù)正常.該耀斑從開始爆發(fā)到達(dá)到峰值的時(shí)長在整個(gè)耀斑過程所用時(shí)長中的占比為40.76%，因此該耀斑為緩變型X射線耀斑.第二個(gè)耀斑爆發(fā)于17∶16 LT，在17∶28 LT達(dá)到峰值，17∶47 LT耀斑爆發(fā)結(jié)束，VLF信號相位恢復(fù)正常.該耀斑從開始爆發(fā)到達(dá)到峰值的時(shí)長在整個(gè)耀斑過程所用時(shí)長中的占比為38.71%，因此該耀斑同樣為緩變型X射線耀斑.圖5(a、b)分別為當(dāng)日的VLF信號相位曲線圖以及X射線通量圖，圖5b中第一次耀斑爆發(fā)時(shí)的X射線通量曲線受到了不明原因的影響，導(dǎo)致無法觀察完整的曲線變化情況，但依據(jù)經(jīng)驗(yàn)從趨勢上判斷確認(rèn)與此爆發(fā)的耀斑對應(yīng)，兩次耀斑的等級分別為M2.2級和M1.0級.

表7 2002年部分緩變型X射線耀斑數(shù)據(jù)Table 7 The partial data of the 2002 slowly varying X-ray flares

其次對2004年07月14日的X射線耀斑進(jìn)行分析，根據(jù)X射線通量曲線和Alpha主臺-新鄉(xiāng)路徑下VLF信號的相位曲線，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)日13∶02 LT爆發(fā)了X射線耀斑，VLF信號的相位曲線出現(xiàn)了“尖峰”狀的異常超前現(xiàn)象，因此推斷該耀斑為急始型X射線耀斑.下面利用本研究中的判斷標(biāo)準(zhǔn)確定該耀斑的類型，結(jié)合GOES公布的耀斑數(shù)據(jù)以及X射線通量曲線對耀斑各階段的時(shí)刻值進(jìn)行綜合判讀，該耀斑爆發(fā)于13∶02 LT，在13∶23 LT達(dá)到峰值，14∶27 LT耀斑爆發(fā)結(jié)束，VLF信號相位恢復(fù)正常.該耀斑從開始爆發(fā)到達(dá)到峰值的時(shí)長在整個(gè)耀斑過程所用時(shí)長中的占比為24.71%，因此確認(rèn)該耀斑為急始型X射線耀斑，耀斑級別為M6.2級.圖6(a、b)分別為當(dāng)日的VLF信號相位曲線圖以及X射線通量圖.

圖6 (a) 在Alpha主臺-新鄉(xiāng)路徑下2004年07月14日不同頻率的VLF信號相位隨時(shí)間變化曲線；(b) 2004年07月14日X射線通量隨時(shí)間變化曲線Fig.6 (a) VLF signal phase change curve of different frequencies on July 14, 2004 under the path from Alpha main station to Xinxiang； (b) Variation curve of X-ray flux with time on July 14, 2004

為探究耀斑等級對耀斑類型的影響，本文將急始型耀斑與緩變型耀斑分為M級以上和M級以下對耀斑爆發(fā)次數(shù)進(jìn)行了歸一化處理，歸一化的結(jié)果是M級以上耀斑中急始型和緩變型分別占39.4%、24.2%，M級以下耀斑中急始型和緩變型分別占19.7%、16.7%，將該結(jié)果以柱狀圖的形式呈現(xiàn)出來，如圖7所示.可以看出對不同等級情況的耀斑而言，兩種類型的耀斑占比相差并不大，因此本研究推測耀斑等級對耀斑類型沒有明顯影響.將表4和表7中兩種類型的X射線耀斑按編號順序分別繪制出來，結(jié)果如圖8所示.

圖7 不同等級分類下急始型和緩變型X射線耀斑數(shù)量占比圖Fig.7 Proportion of sudden commencement and slowly varying X-ray flares under different classification grades

3 總結(jié)與討論

本文通過分析2002年X射線耀斑對新鄉(xiāng)接收到的Alpha導(dǎo)航系統(tǒng)VLF信號的影響，得出如下結(jié)論：

(1)太陽耀斑的爆發(fā)會對VLF信號相位產(chǎn)生不同影響，根據(jù)相位的響應(yīng)形態(tài)可以將X射線耀斑分為急始型和緩變型兩類.

(2)耀斑等級對耀斑類型沒有明顯影響，影響耀斑類型判別的主要因素為：耀斑從開始爆發(fā)到達(dá)到峰值所用的時(shí)長在耀斑持續(xù)時(shí)長中的占比.

X射線耀斑爆發(fā)時(shí)，電離層D層電子濃度增加，將會改變電離層D層的特性，從而影響在地面—電離層波導(dǎo)中傳播的VLF信號相位和幅度，VLF信號的相位對X射線耀斑爆發(fā)呈現(xiàn)出不同的響應(yīng)曲線，由此區(qū)分出急始型和緩變型兩種類型的X射線耀斑.但是目前不同類型X射線耀斑的成因有待進(jìn)一步研究，需要持續(xù)對VLF信號的異常情況進(jìn)行分析，收集更多相關(guān)的太陽耀斑事件.

圖8 (a) 急始型X射線耀斑等級統(tǒng)計(jì)圖； (b) 緩變型X射線耀斑等級統(tǒng)計(jì)圖Fig.8 (a) Statistical chart of the grade of sudden commencement X-ray flares；(b) Statistical charts of the grade of slowly varying X-ray flares

致謝本文所用X射線數(shù)據(jù)來源于美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的網(wǎng)站：https:∥satdat.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/full/.文中的本地?cái)?shù)據(jù)是牛有田教授在中國電波傳播研究所工作時(shí)進(jìn)行觀測收集的結(jié)果.