利用甚低频信号相位变化特性判断X射线耀斑类型的研究

王喆， 牛有田,2,3,4,5*， 周康泼， 王照迪， 郭松浩，赵修坤， 李贝， 郑智渊

1 河南师范大学电子与电气工程学院， 河南新乡 453007 2 河南省电磁波工程院士工作站， 河南新乡 453007 3 河南省光电传感集成应用重点实验室， 河南新乡 453007 4 增材智能制造河南省工程实验室， 河南新乡 453007 5 河南省高校电磁波特征信息探测重点学科开放实验室， 河南新乡 453007 6 重庆交通大学航运与船舶工程学院, 四川重庆 402247

0 引言

VLF信号是指频率在3～30 kHz之间的电磁波信号，其主要特点是波长长、衰减小、可以进行超远距离传输，在潜艇通信(史伟等, 2011)、矿产资源探测(毕永兴, 2016)、地震预报(Hayakawa, 2011)以及空间环境监测(苏艳芳等, 2019)等方面具有广泛应用.VLF信号在传输过程中不仅受到地面状态的影响，还受电离层D层各类参数的影响(Thomson and Clilverd, 2001).电离层D层的参数主要由经纬度和空间天气因素决定，如宇宙射线(Kumar and Kumar, 2018)、高能粒子沉降(Peter et al., 2006)等，此外电离层D层的敏感度与太阳活动周期呈反相关性(Macotela et al., 2017).

在太阳活动平静状态下，电离层D层的电子主要来源于Lyman-α射线(Mitra, 1972)、极紫外线(Tsurutani et al., 2009)及宇宙射线(Selvakumaran et al., 2015)的直接辐射.当X射线耀斑爆发时，X射线通量的剧增使其成为电离层D层的主要辐射源，大量带电粒子被电离导致电离层D层电子密度突然增加，等效反射高度迅速降低(Thomson and Clilverd, 2001; Le H J, et al., 2019)，即电离层突然扰动(Sudden Ionospheric Disturbance，SID)现象.而电离层D层作为地面—电离层波导的上边界，等效反射高度降低将导致VLF信号在波导中传输路径发生改变，造成VLF信号的幅度和相位出现明显异常.图1展示了在太阳活动平静状态下和SID现象发生时VLF信号传播路径的变化.

图1 SID现象发生时电离层D层高度的改变以及VLF信号传播路径的变化Fig.1 Changes in ionosphere D-layer height and VLF signal propagation path during SID phenomenon

尽管有很多学者对X射线耀斑与VLF信号之间的响应关系进行了深入研究，但目前关于X射线耀斑引起VLF信号相位响应不同类型的研究相对较少，为了探究X射线耀斑与VLF信号相位不同类型之间的响应关系，本文通过接收Alpha导航系统三个站台发射的频率为11.9 kHz、12.6 kHz、14.9 kHz的九路VLF信号进行相位观测，对2002年发生的X射线耀斑事件进行了分析研究(黄辉和吉春生, 2005).

1 VLF信号发射站台与接收系统简介

在本研究中的VLF信号发射站台主要是由俄罗斯Alpha导航系统中位于Novosibirsk的主台、Krasnodar的西副台以及Khabarovsk的东副台组成(黄辉和吉春生, 2005)，接收站台位于河南省新乡市.本文主要对主台—新乡传播路径下的VLF信号进行分析，表1(黄辉和吉春生, 2005)提供了VLF发射站台和接收站台的基本信息.根据地球大圆距离计算公式可知(付职忠, 1990)，主台与新乡之间的大圆路径距离约为3187.7 km，属于远距离传播.

表1 Alpha导航系统发射站台和新乡接收站台基本信息Table 1 Basic information of Alpha navigation system transmitting station and Xinxiang receiving station

接收站台利用VLF信号监测系统可以24小时不间断地实时接收并记录来自Alpha导航系统的VLF信号的幅度和相位等相关数据，并将处理过的数据储存到计算机中.VLF信号监测系统框图如图2所示，系统主要由四部分组成：鞭状天线、VLF信号锁相接收机、铷原子频标、计算机，其中鞭状天线与VLF信号锁相接收机相连，接收来自Alpha导航系统主台三个不同频率的VLF信号，铷原子频标为接收机提供本地频率标准，最终将VLF信号幅度和相位等处理过的数字信号传输到计算机中进行存储.

图2 甚低频信号监测系统框图Fig.2 Block diagram of VLF signal monitoring system

电离层D层在夜间完全消失将造成无法观测耀斑对VLF信号相位的影响，而本研究中的VLF信号发射台和接收台距离远，传播路径中可能出现一部分地区处于向阳面一部分地区处于背阴面，所以只要传播路径上存在向阳的地区即可保证系统正常观测.文中使用的耀斑数据来源于GOES-8卫星记录的波长为1～8Å的X射线峰值通量密度F0(W·m-2).(https:∥satdat.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/full/).

2 理论分析及试验观测结果

2.1 理论与数据分析

X射线耀斑爆发对VLF信号的影响主要在于幅度和相位，本文主要通过VLF信号相位对X射线耀斑的响应进行分析.假设在太阳活动平静情况下VLF信号的相速度为vp(m·s-1)，根据“波导模”理论(Wait, 1959; 刘万通, 1987)可知太阳活动平静时相速度可表示为

(1)

若电离层等效反射高度变化为Δh，对应的VLF信号相位变化量为Δφ，则两者的关系为

(2)

由此可以得到电离层等效反射高度变化量Δh与VLF信号相位变化量Δφ之间的关系：

(3)

根据(1)—(3)式可以推算出当耀斑爆发时电离层D层的等效反射高度变化值，以及VLF信号相位的异常变化量，再结合主台—新乡传播路径下的拟合公式(4)(张优贤，2014)计算出耀斑峰值X射线通量密度，便可以进行耀斑等级预测研究.

F0=3.633e0.7476Δh×10-3.

(4)

通过VLF信号监测系统发现地方时(Local Time，LT)2002年07月06日主台三个频率VLF信号发生相位突然异常(Sudden Phase Anomaly，SPA)现象，由上文公式计算出三个频率的VLF信号异常值统计在表2中，其中Δφ是指VLF信号受到SPA现象影响而引起的相位变化量，单位是百分周(cec,1 cec=3.6°)，Δh代表电离层D层等效反射高度的变化量，单位是km.图3a为该日Alpha主台—新乡路径下VLF信号相位随时间变化的曲线，其中红、蓝、绿三种颜色的曲线分别代表11.9 kHz、12.6 kHz、14.9 kHz三个不同频率的信号，图3b为GOES卫星公布的当日X射线通量随时间变化曲线图.从图3b中可以明显地看到在11∶28LT X射线通量迅速升高，根据表3中GOES卫星发布的耀斑数据可知，此次X射线通量密度急剧升高以及SPA现象是由一个11∶28LT爆发的M1.8级X射线耀斑引起的.从图3(a、b)中深蓝色框选部分可以看出X射线通量以及VLF信号相位变化与耀斑的对应关系.

图3 (a) 在Alpha主台-新乡路径下2002年07月06日不同频率的VLF信号相位随时间变化曲线；(b) 2002年07月06日X射线通量随时间变化曲线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射线耀斑爆发的开始时间，Max是峰值时间，End是终止时间，X-ray Flare Level表示太阳耀斑爆发时放射出的X射线所对应的太阳耀斑级别，Region表示太阳上耀斑爆发区域的编号，Flux表示该耀斑爆发过程所释放的通量，单位为W·m-2，Δφ1、Δφ2、Δφ3和Δh1、Δh2、Δh3分别表示11.9 kHz、12.6 kHz和14.9 kHz三个不同频率VLF信号的相位变化量以及电离层等效反射高度变化量.GOES卫星是依据世界时发布的耀斑数据，而本研究所用的监测系统是基于地方时(北京时间)进行记录的，本地地方时和世界时的关系为LT=UT+8，表3中的耀斑时间是将GOES卫星公布的数据转换为地方时的结果，下文中的GOES卫星数据同样转换为了地方时.

表2 VLF信号监测系统监测的2002年07月06日Alpha主台-新乡路径下的太阳耀斑数据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卫星监测的2002年07月06日太阳耀斑数据Table 3 Solar flare data July 06, 2002 monitored by the GOES

在07月06日的SPA事件中，VLF信号相位呈现出一种“尖峰”状超前变化，通过观察对比同年其余相位曲线以及耀斑数据，发现同样变化趋势的相位曲线都是由同种类型的X射线耀斑爆发引起的，该类型的耀斑总是以一种急起的态势爆发并迅速达到峰值，本研究中将这种引起相位尖峰状超前的X射线耀斑称为“急始型”X射线耀斑.该研究通过VLF信号监测系统观测了2002年01月01日—12月31日发生的太阳耀斑事件，由于Alpha导航系统每个月有3～4天对设备进行维护检修导致无法发射VLF信号，而且本文所用的VLF 信号监测系统因为停电等因素会造成数据缺失，通过筛除C5.0级以下引起相位超前现象不明显的耀斑，最终只得到可用于分析的C5.0级以上耀斑事件共计127例，其中包含急始型X射线耀斑75例，若将全部数据在文中列出则篇幅过长，所以仅对表4中列出的其中的36例急始型耀斑数据进行分析.经过了解得知GOES卫星是根据X射线通量变化判断耀斑进程的(https:∥www.swpc.noaa.gov/products/goes-x-ray-flux)，卫星以1～8Å的X射线通量急剧单调增加的第一分钟为耀斑开始时间，以1～8Å的X射线通量水平衰减到最大通量和耀斑前背景通量水平的中间值的时间为耀斑结束时间.因此卫星所记录的耀斑时间数据与X射线通量曲线之间存在误差，所以需要根据经验对耀斑时间数据进行人工判读，表4中耀斑的各阶段时刻值为人工判读的结果；其中PCT表示耀斑从开始爆发到达峰值所用时间在整个耀斑持续时间中的占比，PCT=(Max-Start)/(End-Start)×100%.统计结果显示，急始型X射线耀斑的PCT值最大为30.00%，最小为25.71%.

表4 2002年部分急始型X射线耀斑数据Table 4 The partial data of sudden commencement X-ray flares in 2002

急始型X射线耀斑的数量在2002年观测的耀斑总量中占比接近60%.与该类型耀斑相比还有另外一种爆发次数较少的X射线耀斑，根据VLF信号监测系统记录的数据，发现在地方时2002年04月21日的VLF信号相位曲线、X射线通量曲线发生了与急始型X射线耀斑的响应曲线明显不同的变化趋势，图4分别为当日VLF信号相位曲线以及X射线通量曲线，图4a中VLF信号相位曲线于08∶43 LT开始出现相位超前现象，09∶51 LT相位达到峰值，VLF信号的相位曲线呈现出“小山丘”状的缓慢变化，同时从图4b中也可以看到X射线通量曲线呈现出与相位曲线类似的缓慢变化.2002年04月21日主台三个频率的VLF信号异常值记录在表5中，表6为GOES卫星监测的耀斑数据.

图4 (a) 在Alpha主台-新乡路径下2002年04月21日不同频率的VLF信号相位随时间变化曲线；(b) 2002年04月21日X射线通量随时间变化曲线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

通过分析表5中VLF信号监测系统记录的耀斑数据，发现该类型的耀斑从开始爆发到达到峰值所用时间在整个爆发过程中相对较长.在本研究中，把这种引起VLF信号相位曲线缓慢变化的耀斑称为“缓变型”X射线耀斑.通过筛选的耀斑数据得知2002年内C5.0级以上的缓变型X射线耀斑事件共计52例，其数量约占全年耀斑总量的40%，同样由于篇幅原因在表7中仅列出其中的23例耀斑数据进行分析.耀斑事件三个阶段的时刻值仍然需要参照NOAA公布的数据进行人工判读，表7中耀斑的各阶段时刻值为人工判读的结果.统计结果显示，缓变型X射线耀斑的PCT值最小为36.00%，最大达到40.98%.

图5 (a) 在Alpha主台-新乡路径下2001年03月30日不同频率的VLF信号相位随时间变化曲线；(b) 2001年03月30日X射线通量随时间变化曲线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信号监测系统监测的2002年04月21日Alpha主台-新乡路径下的太阳耀斑数据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卫星监测的2002年04月21日太阳耀斑数据Table 6 The solar flare data on April 21, 2002 monitored by the GOES

1.2 试验验证与分析

接下来对本研究中判断耀斑类型的方法进行可行性分析，验证过程分别选取2001年03月30日和2004年07月14日的X射线耀斑作为分析对象.

首先对2001年03月30日的X射线耀斑进行分析，通过观察X射线通量曲线和Alpha主台-新乡路径下VLF信号的相位曲线，发现在当日12∶11 LT和17∶16 LT爆发了X射线耀斑，两次耀斑爆发时，VLF信号的相位曲线均出现了形如“小山丘”状的异常超前现象，因此推断这两个耀斑为缓变型X射线耀斑.下面利用本研究中的判断标准对两次耀斑的类型进行确认，爆发于12∶11 LT的耀斑，在13∶15 LT达到峰值，14∶48 LT耀斑爆发结束，VLF信号相位恢复正常.该耀斑从开始爆发到达到峰值的时长在整个耀斑过程所用时长中的占比为40.76%，因此该耀斑为缓变型X射线耀斑.第二个耀斑爆发于17∶16 LT，在17∶28 LT达到峰值，17∶47 LT耀斑爆发结束，VLF信号相位恢复正常.该耀斑从开始爆发到达到峰值的时长在整个耀斑过程所用时长中的占比为38.71%，因此该耀斑同样为缓变型X射线耀斑.图5(a、b)分别为当日的VLF信号相位曲线图以及X射线通量图，图5b中第一次耀斑爆发时的X射线通量曲线受到了不明原因的影响，导致无法观察完整的曲线变化情况，但依据经验从趋势上判断确认与此爆发的耀斑对应，两次耀斑的等级分别为M2.2级和M1.0级.

表7 2002年部分缓变型X射线耀斑数据Table 7 The partial data of the 2002 slowly varying X-ray flares

其次对2004年07月14日的X射线耀斑进行分析，根据X射线通量曲线和Alpha主台-新乡路径下VLF信号的相位曲线，发现在当日13∶02 LT爆发了X射线耀斑，VLF信号的相位曲线出现了“尖峰”状的异常超前现象，因此推断该耀斑为急始型X射线耀斑.下面利用本研究中的判断标准确定该耀斑的类型，结合GOES公布的耀斑数据以及X射线通量曲线对耀斑各阶段的时刻值进行综合判读，该耀斑爆发于13∶02 LT，在13∶23 LT达到峰值，14∶27 LT耀斑爆发结束，VLF信号相位恢复正常.该耀斑从开始爆发到达到峰值的时长在整个耀斑过程所用时长中的占比为24.71%，因此确认该耀斑为急始型X射线耀斑，耀斑级别为M6.2级.图6(a、b)分别为当日的VLF信号相位曲线图以及X射线通量图.

图6 (a) 在Alpha主台-新乡路径下2004年07月14日不同频率的VLF信号相位随时间变化曲线；(b) 2004年07月14日X射线通量随时间变化曲线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

为探究耀斑等级对耀斑类型的影响，本文将急始型耀斑与缓变型耀斑分为M级以上和M级以下对耀斑爆发次数进行了归一化处理，归一化的结果是M级以上耀斑中急始型和缓变型分别占39.4%、24.2%，M级以下耀斑中急始型和缓变型分别占19.7%、16.7%，将该结果以柱状图的形式呈现出来，如图7所示.可以看出对不同等级情况的耀斑而言，两种类型的耀斑占比相差并不大，因此本研究推测耀斑等级对耀斑类型没有明显影响.将表4和表7中两种类型的X射线耀斑按编号顺序分别绘制出来，结果如图8所示.

图7 不同等级分类下急始型和缓变型X射线耀斑数量占比图Fig.7 Proportion of sudden commencement and slowly varying X-ray flares under different classification grades

3 总结与讨论

本文通过分析2002年X射线耀斑对新乡接收到的Alpha导航系统VLF信号的影响，得出如下结论：

(1)太阳耀斑的爆发会对VLF信号相位产生不同影响，根据相位的响应形态可以将X射线耀斑分为急始型和缓变型两类.

(2)耀斑等级对耀斑类型没有明显影响，影响耀斑类型判别的主要因素为：耀斑从开始爆发到达到峰值所用的时长在耀斑持续时长中的占比.

X射线耀斑爆发时，电离层D层电子浓度增加，将会改变电离层D层的特性，从而影响在地面—电离层波导中传播的VLF信号相位和幅度，VLF信号的相位对X射线耀斑爆发呈现出不同的响应曲线，由此区分出急始型和缓变型两种类型的X射线耀斑.但是目前不同类型X射线耀斑的成因有待进一步研究，需要持续对VLF信号的异常情况进行分析，收集更多相关的太阳耀斑事件.

图8 (a) 急始型X射线耀斑等级统计图； (b) 缓变型X射线耀斑等级统计图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

致谢本文所用X射线数据来源于美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的网站：https:∥satdat.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/full/.文中的本地数据是牛有田教授在中国电波传播研究所工作时进行观测收集的结果.