利用LBH辐射图像数据反演大气O/N2方法

丁广兴，陈 波

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春市 130033）

1 引言

极光LBH辐射是太阳风携带能量粒子沿地球磁力线沉降进入极区高层大气并与高层大气中的N2分子碰撞激发产生，中低纬度电离层LBH辐射与O135.6 nm辐射是太阳短波辐射电离高层大气产生的光电子碰撞激发高层大气中的N2分子与O原子产生［1，2］.通常极光卵位置介于磁纬65°与75°之间，但在磁暴或亚暴发生时，极光会向夜侧低纬度偏移.从空间对极光成像可以提供沉降粒子的时空分布信息，推断出沉降粒子源于磁层位置，进而研究磁层能量传输过程［3，4］.综合利用空间LBH观测图像数据和O135.6 nm观测数据反演电离层O/N2比值，研究高层大气中粒子组分变化等问题.

针对极光与电离层的空间遥感观测已经发展了40 余年，在此期间，多种成像相机及光谱仪（工作在X射线波段、远紫外波段、可见光波段）发射升空用于研究极光电离层现象，这些仪器大致可分为两类.第一类仪器属于运行在极轨椭圆轨道上的多光谱相机，如在DE-1 卫星上的极光扫描相机（SAI）［5］，IMAGE卫星上的宽带成像相机（WIC）和光谱成像仪（SI）［6］，Polar卫星上的紫外相机（UVI）［7］等等.这些仪器工作在远紫外波段，对极光某些特征谱段（H121.6 nm，O130.4 nm，O135.6 nm和N2LBH）进行成像观测.由于卫星轨道和仪器设计的原因，这些仪器只能在远地点获得相对较大但分辨率较低的极光图像.另一类仪器搭载在低轨道高度卫星上，能够获得较高分辨率的极光图像，但观测视场的限制使得无法瞬时获得极光全貌，例如TIMED卫星上的GUVI和DMSP系列卫星上的SSUSI［8，9］.综合上述两类仪器的特点，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制出的大视场（130°×130°）高分辨率极光观测设备—广角极光成像仪（WAI），用于监测极光动态变化，研究磁层动力学过程.

极光形态往往被认为是电离层-磁层系统的投影，在过去的十年中，利用空间极光观测数据，研究学者发现了许多极光的大尺度结构，对磁层中的物理化学过程有更深入的理解［10，11］.远紫外波段极光辐射与日辉辐射遥感观测数据可用来反演计算多种重要空间物理参数，如电离层O/N2比值、极光边界位置、有效沉降电子通量、电子平均能量和电离层电导率等等［1-4］.电离层O/N2比对大气组分变化极其敏感，该比值反应了大气内部加热等动力学过程［12，13］.当太阳风暴来临时，太阳风携带的大量能量粒子轰击地球大气层，产生的焦耳加热和高能粒子沉降会导致大气温度升高和大气O/N2比值下降，这是由于该过程中O原子含量将减小而N2分子数量相对稳定导致的，所以O/N2比值通常被用作监测热层扰动的指标.此外，O/N2比值的变化也与电离层F层峰值电子密度和总电子密度含量有关［14］.许多研究表明，综合利用空间观测O135.6 nm辐射数据和LBH辐射数据可反演计算电离层O/N2比值［15，16］.参考AURIC计算LBH辐射光谱结果，本文最后给出了利用WAI观测的LBH辐射图像数据反演大气O/N2比值理论计算方法.

2 LBH辐射传输机理

N2LBH辐射是分子带状辐射，覆盖远紫外波段127 nm处至中紫外波段240 nm处的光谱范围.如式（1）所示，该辐射是N2由激发态（α1∏g）至基态（X1Σg+）的辐射跃迁而产生，此为电偶极禁止跃迁.由选择定则可知，在这两个态之间可以发生的是电四极矩跃迁和磁偶极矩跃迁.实际上，在分子光谱中最先被观测到的是电四极矩跃迁贡献的LBH带.每个LBH带由（O，P，Q，R，S）五个分支组成，其中（P，Q，R）三个分支是由磁偶极矩跃迁和电四极矩跃迁混合组成的，对应于ΔJ=-1，0，1；其余两个分支（O，S）则为纯电四极矩跃迁，对应于ΔJ=-2，2.

每个LBH带的辐射强度的计算需要实验室测量的原子物理参数，其中关于基态（X1Σg+）的测量数据由Loftus与Krupenie整理［17］，而激发态（α1∏g）的测量数据是由Vanderslice等人整理［18］.LBH带的体辐射速率jλ可通过式（2）来计算

式中，fλ表示某个LBH带占总的LBH带系的辐射组分，j（z）表示海拔高度z处于α1∏g态氮气分子的产生速率.对于fλ的值，计算可采用Ajello与Shemansky的实验室测量结果［19］.处于α1∏g态的氮气分子的产生速率j（z），可采用电子碰撞直接激发理论来计算，其值等于g 因子与氮气分子密度的乘积，如式（3）和（4）所示

上式中，φ（E，z）代表海拔高度z处的电子通量，σex（E）表示α1∏g态的激发截面，E0表示α1∏g态的激发势能阈值，Emax表示所考虑的电子能量的上限.

从空间对LBH辐射进行观测，观测量为LBH柱辐射率.某一观测视线LOS方向的柱辐射率Iλ等于此方向上各点处的体辐射率与一个光子由发射点处传输至观测点处而不被散射的几率的乘积沿该方向的积分，可通过下式来计算（单位为Rayleigh）

式中，Zt表示辐射产生区域的下边界；Zu表示辐射产生区域的上边界；μ表示观测角的余弦值，即μ=cosθ，观测角θ的定义如图1 所示，即观测视线LOS方向与当地天底方向之间的夹角；jλ表示某个波长的体辐射率；tλ表示氧气分子对某个LBH波长吸收的光学厚度；表示氧气分子对某个LBH波长的吸收截面.

图1 空间观测仪器观测视线及观测角定义图.Fig.1 Definition of line of sight and observation angle of space observation instrument

LBH带光子的辐射传输过程主要考虑的是氧气分子的吸收效应，而忽略氮气分子自身的吸收作用，即氮气分子对于LBH带光子是“光学薄”的.因此LBH带光子的散射几率可通过计算氧气分子的吸收光学厚度来解决，氧气分子的吸收截面数据参考文章［20］.

3 WAI观测LBH极光辐射

WAI在国内外首次实现通过观测N2LBH带辐射对极光和电离层进行大视场、高分辨率成像.WAI观测波段为140 nm-180 nm，成像仪由两个相同的成像镜头组成，每一个成像镜头的瞬时观测视场为68°×10°，其中68°为跨轨方向，10°为沿轨方向.两个镜头拼接从而使瞬时视场达到130°×10°，通过机身转动结构，在2 min 时间内实现对极区130°×130°扫描成像.每个光学镜头均由一套离轴四反光学系统、氟化钡滤光片和一个光子计数成像探测器组成.在110 km的参考观测高度上，WAI的星下点分辨率为10 km，两个探测头部的灵敏度均大于0.01 counts/s/Rayleigh/pixel，从而保证了无论是在亚暴发生还是磁暴发生过程中，成像仪能够观测到极光的边界以及内部精细结构［21］.截至目前，WAI在轨成功工作并下传积累了大量极光与电离层观测数据，其观测极光图像如图2 所示.

图2 WAI在2018年5月5 日20 点44 分观测到的南半球极光图像.由图可以得出，WAI在跨轨方向瞬时可观测范围达5000 km.Fig.2 The auroral image in southern hemisphere was observed by WAI at 20：44 on May 5，2018.The instantaneous observation range of WAI is 5000 km in the cross orbit direction

4 O/N2比计算

单独利用高纬度WAI观测极光数据可用来研究极光动力学过程，综合WAI观测的中低纬度LBH辐射数据与空间观测的O135.6 nm辐射数据，可以反演电离层O/N2柱密度比.Meier和Anderson给出了远紫外波段O和N2日辉辐射谱线的系统研究，Strickland 给出了O（5S）135.6 nm和N2（α1∏g）LBH辐射谱线柱密度计算公式如下［12］（单位：Rayleigh）

式中，zl和zu分别表示辐射产生区域的上下边界，μ是观测角的余弦值，λ表示光谱波长，fλ是体辐射率jLBH在波长λ处占的组分，jOI135.6是包含复合散射效应在内的总的体辐射率，tλ（z）表示在波长λ处O2吸收光学深度，T（z）表示O原子自吸收方程.参考Strickland 等人的研究［12］，O/N2柱密度比值的理论方程可由公式（9）给出

式中，NT表示总的垂直柱密度.公式（9）表明，O/N2柱密度比值与O135.6/LBH比值成线性关系.图3 是利用AURIC算法计算的电离层中低纬度120 -240 nm波段辐射光谱，图中蓝色实线标注的是O135.6 nm谱线，橘色实线之间谱线表示的是LBH 140 -180 nm辐射谱线［20］.图4 是利用AURIC算法模拟计算的2018 年5 月5 日和2018年6 月22 日两天中O135.6 nm辐射强度与LBH 140 -180 nm辐射强度比值与MSISE00 大气模型计算的大气O与N2比值关系图.图中数据显示O135.6 nm/LBH与O/N2之间存在高的线性相关关系.红色实线代表了O135.6 nm/LBH与O/N2的线性拟合，拟合公式如式（10）所示.

该公式给出了利用WAI观测LBH辐射图像数据计算大气O/N2比值的计算方法.

5 结论

本文给出了N2LBH波段辐射产生及传输理论计算公式与WAI在轨获得的极光LBH波段辐射图像.结合AURIC模拟计算的O135.6 nm辐射数据、LBH 140 -180 nm辐射数据以及MSISE00大气模型计算的O、N2数据，给出了利用WAI观测图像数据反演大气O/N2比值的计算方法，理论分析表明，该方法反演出的O/N2比与大气模型计算的O/N2比线性相关性为0.989.在FY-3D卫星上搭载WAI和电离层光度计（IPM）两台仪器，可以同时监测全球极光、电离层图像和O135.6 nm辐射，但是IPM仅观测到卫星星下点处不同地理位置点的O135.6 nm辐射亮度分布，而WAI拍摄到的是全球140 -180 nm波段内的图像分布.在后续的WAI和IPM观测数据反演大气O/N2比值中，拟根据星上观测视线采用插值的方法来计算全球大气O/N2比，获得全球O/N2比高分辨率分布.

图3 AURIC算法计算的电离层中低纬度120 -240nm波段辐射光谱，蓝色实线标注的是O135.6nm谱线，橘色实线之间谱线表示的是LBH 140 -180nm辐射谱线.Fig.3 The O135.6nm spectral line marked by blue solid line and the LBH 140 -180nm spectral lines marked by orange solid lines are calculated by AURICalgorithm.

图4 O135.6nm谱线辐射强度与LBH 140 -180nm辐射谱线强度比值与MSISE00 大气模型计算的大气O与N2比值关系图.两类数据拥有高的线性相关系数CC=0.989，红色实线表示两类数据的线性拟合，拟合公式为O/N2=2.305 ×O135.6/LBH140-180nm-0.165.Fig.4 The relationship between the ratio of O135.6nm to LBH 140 -180nm intensity and the atmospheric O/N2calculated by MSISE00 atmospheric model.The two data have a high linear correlation coefficient CC=0.989.The red solid line indicates the linear fitting of the two data，the formula is O/N2=2.305 ×O135.6/LBH140-180nm-0.165.

致 谢：针对文中研究所用到的数据，作者们特此感谢中国国家气象局气象卫星中心提供的FY-3D WAI观测数据，感谢美国计算物理实验室提供的AURIC算法.感谢中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间一部极紫外研究室各位同事在文章写作期间给予的指导和帮助.