空间电场特性及探测技术研究

马勉军，雷军刚，李 诚，宗 朝，李世勋，刘 泽，崔 阳

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

空间电场特性及探测技术研究

马勉军，雷军刚，李 诚，宗 朝，李世勋，刘 泽，崔 阳

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

空间电场是研究空间物理、空间天气学和空间环境的重要参量。论述了电离层空间准直流电场和交流电场的本质来源、表现形式及其频率和幅值等特性；指出了双探针式空间电场探测技术是目前主要采用的方法，而电子漂移式可作为对双探针式的验证与补充；在此基础上，阐述了双探针式和电子漂移式空间电场探测原理、数理模型以及物理本质。

空间电场；探测技术；双探针；电子漂移；数理模型

0 引言

空间电场是研究空间物理、空间天气学和空间环境的重要参量。该参量的特性及变化涉及到太阳活动与太阳风运动、行星际磁场、地球磁场及其与太阳风相互作用、大气层雷暴活动、地震与火山活动、人造电磁发射、大气成分改变及大气环境污染等。研究与监测空间电场状态，不仅能为地震监测、电波传播、雷暴监测等应用领域提供准确的基础数据和背景，提高对重大自然灾害的监测预警与评估能力，而且为日地物理研究、空间天气研究、气象预报等领域提供观测数据，并为航天活动提供空间电磁环境状态数据；同时对空间电磁安全也有重要意义。

国外已经发射应用的空间电磁探测卫星平台有EXPLORER-45、GEOS、ISSE、CRRES、DE-A、FREJA、POLAR、PAST、DEMETER、CLUSTER、THE⁃MIS、RBSP等[1-11]。这些卫星平台及其载荷主要用于空间电场、磁场、等离子体环境、太阳风、高能粒子等空间环境的探测，以获得翔实丰富的从电离层直至磁气圈顶层的空间环境及其变化数据。近年来，在地面和空间探测到了与地球地震活动相关联的自然界电磁发射异常信号，这些信号频率范围从ULF延伸至HF，甚至更高[12]。国外已经发射的、以观测与地震发生过程相关联的空间电磁（场）变化为主要目的的卫星有：Quake-Sat（美国）、Predvest⁃nik-E（俄罗斯）、Compass-Ⅱ（俄罗斯）和DEMETER（法国）等。空间探测实践表明，持续的多载荷多目标综合观测有助于获得具有统计意义的实用结果，而空间电场探测仪则是地震信息空间探测和获取的主要载荷之一。中国地震局作为牵头单位和用户的空间电磁监测试验卫星（China Seismo-Electromagnetic Satellite，CSES）正在研制中，其中空间电场探测仪为主要载荷之一。随着空间环境科学与探测技术发展，还将陆续发射空间电磁环境监测卫星。

1 电离层空间电场来源与特性分析

1.1 准-直流电场

电离层的准-直流空间电场（DC to ULF）来源与表现主要有四类：（1）全球大气电流回路和雷暴[13]（大气层）；（2）中高层大气潮汐以及低层大气中激发的重力波与电离层耦合，形成Sq（Solar Quiet Vari⁃ation）电流系统（电离层）；（3）太阳风与磁层交互作用、磁尾不稳定性所形成的高纬度电离层等离子体对流（磁层）；（4）地震、火山爆发等引发的异常电场效应和声重力波（地球岩石圈）。可通过岩石圈、大气层和电离层耦合作用与传递，形成电离层异常直流电场以及其他电离层参数扰动。

实际探测和理论研究表明，在剧烈活动的雷暴云团中，大气电场可高达10～15 kV/m；相应的由此类大气电场所导致的云团之上电离层底层电场为几mV/m～10 mV/m。

太阳静日变化Sq电流系包括南北半球中低纬区域顺（逆）时针流动的电流涡，以及赤道上空电流密度很大的东向电集流。低层大气中激发的重力波也可诱发电离层E层和F层扰动。研究表明，在F2电离层内，大尺度Sq电流系空间电场可达2～3 mV/m；中等尺度范围的大气重力波可能会产生约10 mV/m的空间电场。

对于地球磁层空间而言，等离子体空间分布不对称性、离子流在磁场中运动是其电场存在的基本来源；而磁暴与亚磁暴及太阳风等离子体注入是其电场的主要扰动源。

太阳风、磁层与高纬电离层及热层相互作用主要表现为电动力学耦合。太阳发出的太阳风可认为是无碰撞的，并急剧往外膨胀；从极盖区发出的磁力线是开放的，并与行星际磁场（IMF，Interplane⁃tary Magnetic Field）相连接;太阳风内的电场通过ESW=VSWBSW关系与太阳风速度和磁场相关联。在IMF南向的时候，行星际磁场的方向与地球向阳侧磁力线的方向相反时，电场具有晨昏方向上的分量；而横跨开放磁力线的电势将加载到磁层，并沿高导电率的磁力线映射（Map）至极盖（Polar Cap）及极光区（Auroral Zone）电离层，从而在极区包括极盖和极光区，电离层可产生晨昏方向的电场[14]。图1为北半球高纬度电离层等离子体对流图象以及高纬度晨昏电场与电势分布。图中带箭头的实线代表等离子体的对流线，内部的圆圈或弧代表开放磁力线与闭合磁力线的分界。研究表明，该类晨昏方向电场强度可达到200 mV/m。

图1 高纬度电离层等离子体对流及晨昏电场与电势分布图Fig.1 The ionospheric plasma convection image and dawn to dusk electric field and potential distribution at high latitude

近年来，地震电离层异常效应研究已成为地震科学领域和电离层科学领域的研究热点之一[15]。到目前为止，对地震电离层异常效应机理的解释主要集中在两方面：一方面为声重力波引起电离层参数扰动；另一方面为异常电场效应。由地表岩石破裂引起的一系列复杂的物理化学反应，在电离层处形成异常的直流电场，继而扰动其他电离层参数。目前的观测和分析结果表明，地震电离层效应十分复杂，声重力波和地表异常电场都可对电离层电场等产生干扰，如图2所示岩石圈、大气层及电离层耦合（LAI Coupling）。观测表明，强震前地震孕育区地表垂直电场异常增加，可以达到1000 V/m。Kim等[16]模拟计算发现，增强的地表电场传输到电离层高度，可造成～1 mV/m的异常电场。这与大量的震前卫星观测资料分析结果相符。

地震引起电离层异常电场机制，可分为地表岩石破裂压电效应理论、热电效应理论和化学气体释放。依据Sorokin等[17]给出的地震电离层电动力学机制，认为震前地壳岩石破碎，将排放氡气等放射性气体，增强低层大气的辐射电离效应，在大气层低层形成附加电流。附加电流将显著增大大气层-电离层之间传导性电流，最终对电离层直流电场产生扰动。研究表明，该类附加电流引起的电离层异常电场可达到～1 mV/m。

图2 岩石圈、大气层及电离层耦合-地震电离层异常效应Fig.2 The seismic ionospheric anomaly effect resulting from the lithosphere，the atmosphere and the ionosphere coupling

1.2 交流电场

1.2.1 电磁波

（1）自然电磁波

由大气层闪电激发的电磁波主要有等离子体哨声波（Whistlers）和舒曼谐振波（Schumann reso⁃nances）。等离子体哨声波的频率为ELF-HF波段，其功率谱密度从μV/mHz1/2量级到十几个mV/mHz1/2量级。舒曼谐振频率为ELF波段（7.8 Hz、14 Hz、20 Hz等），其功率谱密度为μV/mHz1/2量级。

由波粒相互作用即等离子体波动与粒子回旋共振而激发的电磁波主要有等离子体嘶声和极光嘶声（Hiss）、合声（Chorus）以及地球极区千米波长辐射（Auroral Kilometric Radiation，AKR）。

嘶声波是一种频率约为1～10 kHz的右旋偏振无规则非相干的电磁波动，主要分布在向阳侧的等离子体层内或者等离子体羽中。合声是一种频率在赤道电子回旋频率（Ωe）的0.2～0.8倍之间的强烈哨声模波动，由亚暴期间等离子体片电子向内磁层注入引起，在等离子体层外层直到内磁层之间都存在。极区千米波段辐射是强度大，波段窄的地球射电辐射，典型波段为50～800 kHz，强度峰值大约在250 kHz。

研究表明，等离子体层嘶声和合声的频率一般为ELF-VLF波段，其功率谱密度为0.3～100 μV/ mHz1/2；地球极区千米波段辐射在MF-HF波段的功率谱密度为1～100 μV/mHz1/2。

（2）人工电磁波

由人类50～60 Hz电网辐射的沿磁场方向电磁波的频率为ELF-VLF，其功率谱密度从μV/mHz1/2量级到十几个μV/mHz1/2量级。

由人工发射机辐射的电磁波频率一般为VLF 10～30 kHz波段、MF波段主要为无线电广播及HF波段，功率谱密度从几个μV/mHz1/2量级到mV/mHz1/2量级。

1.2.2 静电波

静电波是指其电场方向与波矢方向平行的波，其对等离子体只有电场的扰动，没有磁场的扰动。

磁层中等离子体及电流系不稳定性将激发静电波或准静电波的产生，如由于等离子体密度梯度及流体漂移速度存在所引起的静电漂移波、与磁层场向电流相关联的低混杂离子回旋静电波（Lower Hybrid Resonance，LHR）[18]；由双流不稳定性所引发的孤立静电波、高混杂静电波、朗缪尔波等。

此外，磁层中还存在等离子体及电流系不稳定性湍流通过能量串级过程所激发静电波[19]。

2 空间电场探测技术

双探针式和电子漂移式这两种空间电场探测技术目前均已在卫星平台成功应用。双探针式电场探测技术成熟、简单可靠，适用范围较宽，可应用于电离层直至磁气圈顶层，测量频率范围从DC直到几MHz。电子漂移式电场探测技术主要应用于等离子体密度特别稀薄、电场特别小、磁场强度在30 nT以上的等离子体环境，测量频率范围一般小于10 Hz。双探针式是空间电场探测的主要方法，而电子漂移式是作为对双探针式的验证及补充。

在实际测量中，为使测量的范围更宽、精度更高，常常在卫星上同时携带这两种探测仪器，如1992年发射的GEOTAIL卫星，2000年发射的CLUSTER-2卫星等均同时搭载了这两种仪器进行探测。2015年美国发射的用于研究太空磁重联的MMS-SMART卫星也同时携带了这两种探测仪器对空间等离子体环境电磁场进行大尺度的探测[20-21]。

双探针式电场探测技术，根据探测方式可分为被动式和主动式两种。被动式仅适合测量高密度和中等密度等离子体环境，而主动式通过对探针主动施加偏置电流，从而降低探针在等离子体环境中的动态阻抗，因而适用范围宽、精度更高，可用于较低密度等离子体环境。

由于双探针式电场探测技术对探针的对称性和一致性要求高，因此空间电场探测仪最常用的是形状规则的球形或圆柱形探针。

2.1 双探针式空间电场探测技术

卫星平台双探针式空间电场探测原理如图3所示，探针安装在卫星本体伸展出的悬臂末端；浸没在空间等离子环境中的探针将耦合获得一定的相对于其周围等离子体环境电势；通过测量一对探针之间的相对电势之差，再除以探针之间距离即可获得沿探针连线方向的“当地”电场信号。此外，为减小探针等离子体鞘层阻抗，提高等离子环境适应性和测量精度，可通过内置恒流源电路主动向双探针施加偏置电流。

图3 卫星平台双探针式空间电场探测原理示意Fig.3 The operational principle of double probe type spaceelectric field detector aboard satellite platform

设双探针所处周围等离子体环境电势分别为Vp1和Vp2，探针在等离子体环境中耦合电势分别为Vs1和Vs1，探针相对于其周围等离子体环境电势分别为V1和V2，则双探针所处等离子体环境电势之差可表示为：

Vp1-Vp2=(Vs1-V1)-(Vs2-V2)=(Vs1-Vs2)-(V1-V2)（1）

根据Mott-Smith和Langmuir轨道运动限制理论[21]、Maxwell电磁学及粒子热运动理论等，浸没在空间等离子体环境中的探针将耦合获得相对于周围等离子体环境的平衡电势。该相对平衡电势由探针等离子体鞘层电子流和离子流、表面光电子发射流、偏置电流及测量回路电流等共同决定。由于双探针具有一致性和对称性，在空间小尺度范围内所处等离子体、太阳辐照等环境与条件相同，且所施加的偏置电流相同等，可认为双探针相对于其周围等离子体环境电势也相同，即有V1=V2，这样就可得到：

设d为两探针间的距离，则双探针在卫星参照系中所测得的电场E′可表示为：

上述双探针式空间电场探测原理所蕴涵的物理本质是：双探针电势之差可反映和表征其所在周围等离子体环境电势之差。也是双探针式空间电场探测仪系统设计与测试验证的基本原则和依据。

在工程设计中，电场探测仪双探针电势之差有直接和间接两种检测方式。所谓直接检测是指通过信号处理单元差分电路直接检测获得双探针电势之差；而所谓间接测量是指信号处理单元先检测出双探针分别相对于“卫星地”电势，再计算得到双探针电势之差。对于间接测量，若设“卫星地”电势为Vs，则有：通常采用地球参照系，因此空间电场表示为：

式中：E为实际空间电场；up为卫星轨道飞行速度；B为“当地”地球磁感应强度。

这样，通过在空间合理分布四个非共面探针，可实现对卫星轨道等离子体环境三维电场测量。

2.2 电子漂移式空间电场探测技术

电子漂移式空间电场探测是通过测量所发射电子在垂直于电场和磁场方向的导引中心漂移速度而间接地测量电场。该漂移速度和电磁场的关系可以表示为：

式中：Vd为导引中心漂移速度。

测量电子的漂移速度通常有两种方法：漂移位移三角测量法和飞行时间测量法。

漂移位移三角测量法是利用三角几何关系，测量电子在一个回旋周期中漂移的位移，进而计算漂移速度。三角测量法数理模型如图4所示，目前CLUSTER等卫星采用的是双电子枪/探测器单元方案，也就是将一个电子枪和一个探测器组合在一个单元内，将这样的两个单元分别安装在卫星本体的方向相反两侧面上。在卫星坐标系内，从电子枪1所发射的、速度为Ve1的电子束1和从电子枪2所发射的、速度为Ve2的电子束2可以协同看作是从同一源S*所发射的两束电子；经一个回转周期后，两束电子到达探测器位置而被探测器所探测接收；从源S∗指向探测器的位移即为电子漂移位移。根据两电子枪/探测器单元之间的基线距离、电子束的方向，按照三角几何关系，可得到电子漂移位移。

电子漂移位移与其漂移速度的关系可表示为：

式中：Tg为电子回转周期，表示为：

已知磁感应强度B、漂移位移d，便可求得电子漂移速度，进而计算得到电场强度E。

漂移位移三角测量法适用于磁场较大的环境。但当环境磁场较小时，电子漂移位移会很大，从而超出卫星的探测能力。这就需要采用飞行时间测量法。

图4 电子漂移位移三角测量法数理模型Fig.4 The mathematical model of triangulation measurement method for electron drift displacement

飞行时间测量法是测量所发射电子回到最初位置时的飞行时间，以此来计算电子漂移速度。飞行时间测量法数理模型如图5所示，同一时刻，从电子枪/探测器单元1和电子枪/探测器单元2发射出方向相反的电子束；两电子束沿不同长度的轨道返回探测器；测量这两电子束飞行的时间长度及其差异，可得到电子漂移速度。

两电子束飞行的时间可分别表示为：式中：t0为电子束发出初始时刻；t1、t2分别为两电子束返回探测器时刻；Vd为电子漂移速度；Ve为电子速度。

通过两电子束飞行时间测量，可得到电子回旋周期，计算得到磁感应强度。

图5 电子漂移飞行时间测量法数理模型Fig.5 The mathematical model of flight time measurement method for electron drift

需要说明的是，磁场沿其垂直方向梯度▽⊥B也会引起电子漂移。就有必要采用不同电子能量的方法，用以分离电场和磁场梯度所引起的漂移。

3 结论

（1）电离层准-直流电场主要来源于大气层雷暴、中高层大气潮汐、太阳风与磁层交互作用以及磁尾不稳定性、地震爆发等引发的异常电场效应和声重力波等，其量级约为1～200 mV/m；交流电场主要为大气层闪电激发的等离子体哨声波和舒曼谐振波等、电网和台站电磁辐射、磁层中等离子体及电流系不稳定性激发的静电漂移波、朗缪尔波等，频率范围为ELF-HF波段，其功率谱密度量级从0.3 μV/mHz1/2到十几个mV/mHz1/2。

（2）已在卫星平台成功应用的空间电场探测技术主要有双探针式和电子漂移式。双探针式电场探测技术相对成熟、简单可靠，适用范围较宽，可应用于电离层直至磁气圈顶层，测量频率范围从DC直到几MHz，是目前空间电场探测的主要方法；而电子漂移式是作为对双探针式的验证及补充。

（3）双探针式空间电场探测原理所蕴涵物理本质是双探针电势之差可反映和表征其所在周围等离子体环境电势之差。这是系统设计与测试验证的基本原则和依据。通过在空间合理分布四个非共面探针即可实现对卫星轨道等离子体环境三维电场测量。而电子漂移式空间电场探测是通过测量所发射电子在垂直于电场与磁场方向的导引中心漂移速度而间接地测量电场，通常有电子漂移位移三角测量法和飞行时间测量法。飞行时间测量法还可用以间接测量磁感应强度。

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CHARACTERISTIC OF SPACE ELECTRIC FIELD AND ITS DETECTION TECHNOLOGY

MA Mian-jun，LEI Jun-gang，LI Cheng，ZONG Chao，LI Shi-xun，LIU Ze，CUI Yang
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Space electric field is an important parameter in the study of space physics，space weather and space environment.In this paper，the essential origin and manifestation of space quasi DC and AC electric field in the ionosphere are discussed，and its characteristics of frequency，amplitude and so on are also narrated.Then，it is pointed out that the double probe type of space electric field detection technology is the main method at the present，and the electronic drift type can be used as the verification and the complement of the double probe type.Based on the above，the operational principle，mathematical model，and physical essence of double probe and electronic drift space electric field detection technology are described respectively.

space electric field；detection technology；double probe；electronic drift；mathematical model

V419+7

A

1006-7086（2017）01-0025-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.01.005

2016-09-08

马勉军（1967-），男，博士，研究员，主要从事空间环境探测技术的研究。E-mail:mamianjun@126.com。