2020 年6 月21 日日环食电离层Es 响应研究

刘瑶 张鹦琪 胡艳莉 张雅彬 邓忠新 徐彬 徐朝辉 李江华

（1. 中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室，青岛 266107；2. 齐鲁理工学院，济南 250200；3. 武汉大学电子信息学院，武汉 430079）

引 言

日食期间月球遮蔽太阳光，使得地球特定区域光照大大减弱，月球阴影快速略过地球，月影覆盖区域快速经历了类似日出、日落现象，短时间内太阳辐射逐渐消失又恢复至正常状态. 电离源(太阳辐射) 状态的改变会对电离层中的光、热、电磁辐射等物理过程产生影响，使得中高层大气环境发生改变[1-7].

过去几十年中，相关科研人员对日食引起的电离层变化进行了广泛深入的研究[8-24]. 对日食的研究，常见的观测设备有：法拉第旋转观测设备、电离层垂测仪观测网、非相干散射雷达、全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)监测网以及探空火箭等. 我国学者对日食引起的电离层物理变化过程的研究积累了大量试验数据，推动了国内日地空间环境耦合机制相关问题的研究进展[8].

以往观测日食期间电离层变化，多使用单一观测手段(如：垂测仪(网)、GNSS 监测(网))，观测到的电离层参量也较为单一. 文献[25-26]联合地基、天基观测设备，对2020 年6 月21 日日环食期间全球范围内电离层总电子含量(total electron content, TEC)变化这一大尺度参数进行研究，得出了太阳辐射减少不是此次日环食期间电离层TEC 变化的唯一主导因素，TEC 的变化同时受中性风、等离子体运动等因素影响的结论.

2020 年6 月21 日日环食期间，本文基于便携式电离层垂测仪、VHF 相干散射雷达两种不同类型设备开展联合观测试验，分析日环食对特定区域电离层Es 这一小尺度参数的影响，并对其演化过程进行了分析讨论.

1 日环食及其观测设备

1.1 2020 年6 月21 日日环食

2020 年6 月21 日 日 环 食 始 于 非 洲 中部(04:47:42UT)，结束于西太平洋(08:32:20UT)，月球的伪本影在地球表面总共停留3 h 44 min 38 s. 伪本影进入我国西藏西部的时间是06:41:00UT ，约08:15:00UT 离开我国台湾省.

本次日环食期间，利用位于云南省曲靖市的VHF 相干散射雷达及便携式电离层垂测仪对日环食期间电离层状态开展联合观测. 两套设备观测位置距离日环食带区域300 km，观测设备地理位置如图1 所示. 图(a) 中黄圈为观测设备的大致位置；图(b)为两套设备详细位置，其中黑色五角星为便携式电离层垂测仪所在位置，红色五角星为VHF相干散射雷达所在位置. 表1 给出了曲靖市者海镇的坐标、食分及日环食各事件的发生时间.

图1 日环食带与两套观测设备地理位置图Fig. 1 The sketch of annular solar eclipse region and two sets of the observation equipments

表1 曲靖市者海镇位置和日偏食基本情况Tab. 1 The location of Zhehai town Qujing city and the basic information of the annular solar eclipse

1.2 VHF 相干散射雷达

VHF 相干散射雷达用于观测电离层E 层、F 层不均匀体，获取其回波功率、回波信噪比、谱宽、漂移速度这4 个参数.

VHF 相干散射雷达于2015 年底完成安装、调试，2016 年开始常规观测试验. VHF 相干散射雷达天线阵使用24 副八木天线组阵，每4 副天线组成一个观测通道，整套系统共6 个通道，雷达基本参数如表2所示.

表2 曲靖VHF 相干散射雷达基本参数Tab. 2 Basic parameters of Qujing VHF coherent scattering radar

2020 年6 月21 日的日环食期间，VHF 相干散射雷达采用E 层、F 层交替观测的模式，E 层、F 层观测周期为1 min. 日环食前后，VHF 相干散射雷达工作正常，获取了连续3 天的观测数据.

1.3 便携式电离层垂测仪

依据散射理论，E 层不均匀体高度h与VHF 相干散射雷达天线阵方向图仰角 θ之间存在一个简单转换关系：h=r×cos θ，其中r为雷达斜向探测距离，θ=52°. 电离层E 层不均匀体高度取100 km，对应垂测仪的观测地点为曲靖者海镇区域.

电离层垂测仪从地面垂直向上发射扫频脉冲波，测量分析得到电离层反射回波到达接收机的延时，从而获得虚高随频率的变化图，即频高图. 通过对频高图的分析计算，得到电离图的特征参数.

本次日环食期间，在曲靖者海镇布设了一套便携式电离层垂测仪，配套倒V 天线，对该区域电离层进行探测，并联合VHF 相干散射雷达观测数据一同分析该区域电离层在日环食期间的变化. 便携式垂测仪的基本参数如表3 所示.

表3 便携式电离层垂测仪基本参数Tab. 3 Basic parameters of portable ionosonde system

2 观测结果及分析

2.1 便携式垂测仪观测结果

6 月21 日日环食期间，便携式垂测仪正常工作，每2 min 完成一次观测，为了对比分析日环食对电离层Es 的影响，于2020 年6 月20 日至22 日进行连续观测，图2 和图3 分别为者海镇上空电离层Es 截止频率foEs 及h′Es 随时间的变化曲线.

从图2 和图3 可以看出，6 月20 日到22 日这三天，foEs 和h′Es 全天的变化形态保持一致即白天时段(0:00UT—12:00UT)的foEs 高 于 晚 上，h′Es 从0:00UT 开始呈现一个下降趋势.

图2 日环食前后foEs 随时间变化曲线Fig. 2 The variation of foEs with time around annular solar eclipse

图3 日环食前后h′Es 随时间变化曲线Fig. 3 The variation of h′Es vs. time around annular solar eclipse

对日环食发生时间段内，曲靖市者海镇电离层Es 变化形态进行详细分析. 6 月20 日该时间段内，h′Es 先降低再保持一个变化不大的曲线，即呈现出“高、低、平”的变化；foEs 在同一个时间段，变化形态 与h′Es 变 化 大 致 类 似. 6 月21 日 该 地 区foEs、h′Es 均先呈下降趋势，再开始增长，即整个日环食阶段，foEs 和h′Es 表现为“高、低、高”的变化. 6 月22 日该地区h′Es 呈现“高、低、平”的变化形态，foEs 则表现为“低、高、低”的形态变化.

日环食前后两天foEs、h′Es 变化形态与日环食期间形态不同，而且20 日、22 日foEs 要比21 日日环食期间高.

2.2 VHF 相干散射雷达观测结果

VHF 相干散射雷达在日环食期间工作正常，每2 min 完成一次对电离层E 层的观测. 图4 给出了6 月20 日至22 日三天VHF 相干散射雷达功率谱分析结果，6 月20 日电离层E 层回波较强时间段集中在13:00:00LT 至15:00:00LT；6 月21 日，VHF 雷达仅在08:00:00LT 至10:00:00LT 时间段观测到电离层E 层回波，其余时段回波比较弱；6 月22 日，电离层E 层回波较强时间段集中在10:30:00LT 至14:00:00LT.

图4 VHF 相干散射雷达功率谱Fig. 4 The power spectrum of VHF coherent scattering radar

6 月21 日，在日环食初亏始到复圆时段，VHF 雷达并未观测到曲靖市者海镇上空电离层E 层回波.6 月20 日，VHF 雷达在相同时段观测到E 层较强电离层回波，功率值为50～60 dB. 而在6 月22 日，相同时段VHF 雷达收到的电离层回波比6 月20 日弱，其功率值为40～50 dB.

利用VHF 雷达对6 月20 日、21 日、22 日三天电离层不均匀体的漂移速度进行分析，结果如图5所示. 6 月21 日，日环食初亏始到复圆时段，VHF 雷达并未观测到有效的电离层回波，因此相应的电离层漂移速度为0. 而在6 月20 日、6 月22日均观测到电离层不均匀体漂移速度大致为50 m/s，漂移方向为远离VHF 雷达径向.

图5 电离层不均匀体的漂移速度Fig. 5 Drift velocity of ionospheric irregularities

2.3 分析与讨论

常规E 层的中性分子转换为分子、离子主要是光电作用，其形成主要是受太阳活动影响[27]. 白天时段，太阳光是电离层E 层中性分子转换为分子、离子的主要电离辐射源. Swider[28]认为电离层中金属离子 M+的最大寿命时间与太阳光辐射强度成正比，金属离子在光化学作用下的转化过程可表示为：

从电离层垂测仪观测结果(图2、图3) 看，foEs(电离层Es 浓度) 经历了正常至变小再到正常的过程，电离层Es 高度分布h′Es 也经历了高低高的变化过程. 同时段VHF 相干散射雷达观测结果(图4、图5)表明，日环食期间电离层Es 回波完全消失. 日环食期间电离层Es 的变化过程与日食事件高度吻合，尽管电离层Es 有显著的逐日变化和日内短时变化，但基本上可以判断日环食对电离层Es 产生了显著影响.

太阳辐射作为电离层Es 生成主要激励源，日食期间中性成分电离率降低，进而导致电离层E 层高度范围内分子、离子组分减少，形成电离层Es 的“源”较少，进而产生了foEs 降低的现象[29-30].

3 结 论

2020 年6 月21 日日环食期间，使用VHF 相干散射雷达和便携式垂测仪，对日环食期间云南曲靖地区电离层Es 变化进行观测. 对观测数据统计分析发现，得到以下结论：

1)日环食当日，foEs 先降低再升高，整个日环食时段呈现出“高、低、高”的变化形态，而前后两天则表现为“高、低、高”、“低、高、低”的现象.

2) 6 月20 日、6 月22 日，foEs 整体 上 要比6 月21 日高.

3)日环食当日，h′Es 变化形态与foEs 的变化形态一致，表现为“高、低、高”的一个变化.

4)日环食前后两天，h′Es 的变化形态与日环食当日不同，均表现为“高、低、平”.

本次试验在垂测仪的基础上联合VHF 相干散射雷达对同一地区小尺度范围内电离层状态变化进行了探测，观测结果有助于电离层Es 形成机制、机理的补充和完善.