基于630nm气辉观测数据...等离子体泡共轭特性统计分析_戴祖康.pdf

基于630nm气辉观测数据的电离层等离子体泡共轭特性统计分析戴祖康1,余涛1*,杨娜1,王锦1,傅頔2,冯向朋2,冯玉涛21.中国地质大学地球物理与空间信息学院地球内部多尺度成像湖北省重点实验室,武汉 430074;2.中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室,西安 710119*通讯作者,E-mail:收稿日期:2021-12-31;收修改稿日期:2022-09-06;接受日期:2022-09-26;网络版发表日期:2023-01-13国家自然科学基金项目(批准号:41874185、41574147、41904142、42104165)和中国科学院西部之光交叉创新团队项目(编号:E1294301)资助摘要文章利用美洲地区两台地磁共轭的全天空气辉成像仪20142017年630nm波段的观测数据,提取了电离层等离子体泡信息,统计分析了两站等离子体泡出现的共轭特性和规律,包括共轭等离子体泡出现频次和时间分布、条带宽度和中心位置、漂移速度等特征.研究结果表明:共轭对称的视野窗口内同时观测到的等离子体泡事件的发生率约84%;共轭等离子体泡条带宽度都集中在100km左右,且南北半球宽度差主要在30km以内;共轭等离子体泡中心位置距离在50km以内;共轭等离子体泡的漂移速度相当一致,但北半球较南半球快约10%.文章研究结果证实了等离子体泡共轭现象的一般性,并有少量的不对称现象出现,且认为是半球间背景电离层环境差异导致的.文章还给出了IGRF模型下等离子体泡共轭存在的可能误差范围,为等离子体泡共轭区域预报提供支持.关键词630nm气辉,等离子体泡,地磁共轭1背景介绍赤道电离层不规则体是经常发生在地磁赤道以及低纬地区的一种电离层现象.该现象具体表现为电离层部分区域电子密度相对低于周围区域,并且会影响无线电信号的传播,因此是电离层研究的热点话题.当使用电离层测高仪或全天空气辉成像仪(All-SkyImager,ASI)观测到该现象时也被称为赤道扩展F现象或赤道电离层等离子体泡现象(Kelley,2009).目前普遍认为瑞利泰勒不稳定性是导致等离子体泡产生的物理机制(Dungey,1956).在日落后,太阳辐射作用减弱,电离层电子产生率减弱,E层由于电离复合作用电子密度迅速衰减,而F层由于高度较高电离复合作用较弱所以电子密度衰减较慢,这就导致了E层和F层的垂直电子密度梯度增加,上层是电子密度较高的F层,下层是电子密度较低的E层,这种状态极不稳定,称为瑞利泰勒不稳定状态.在这个状态下等离子体泡容易在F层底产生并在EB的力作用下向上漂移(Mendillo等,中文引用格式:戴祖康,余涛,杨娜,王锦,傅頔,冯向朋,冯玉涛.2023.基于630nm气辉观测数据的电离层等离子体泡共轭特性统计分析.中国科学:地球科学,53(3):656666,doi:10.1360/SSTe-2021-0406英文引用格式:Dai Z,Yu T,Yang N,Wang J,Fu D,Feng X,Feng Y.2023.A statistical analysis of conjugate equatorial plasma bubbles based on 630 nm airglowobservations.Science China Earth Sciences,66(3):675684,https:/doi.org/10.1007/s11430-021-1013-4 2023 中国科学杂志社中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期:656 666SCIENTIA SINICA T论 文1997;Kelley,2009).在1938年,赤道电离层等离子体泡首次被电离层测高仪观测到(Booker和Wells,1938).之后,多种手段如雷达、光学成像、卫星、火箭等被用来观测和研究等离子体泡(Farley等,1970;Woodman和La Hoz,1976;Weber等,1978;Rastogi等,1981;Abdu等,1983;TulasiRam等,2008),至今已对等离子体泡的许多特性进行了广泛而深入的研究(Abdu等,2014;Carter等,2016;Karan等,2020;Tulasi Ram等,2020).一些研究表明等离子体泡存在沿磁力线分布并向更高纬度发展的行为(Weber等,1982;Mendillo等,1997).Weber等(1978)利用近赤道地区的630nm气辉观测数据发现了沿磁力线南北向延伸的等离子体泡结构,Sultan(1996)和Keski-nen等(1998)基于数值计算也证实了等离子体泡容易沿磁力线发展.地磁坐标共轭的ASI能够同时观测到地磁共轭区域的等离子体泡及其形态,为研究等离子体泡沿磁力线的共轭现象提供很好的观测数据.Otsu-ka等(2002)首次利用位于日本Sata(31.0N,130.7E;地磁纬度:24.0N)和澳大利亚Darwin(12.4N,131.0E;地磁纬度:22.0S)的一对共轭ASI研究等离子体泡的共轭现象,他们对比了2001年11月12日该对共轭站观测到的一次等离子体泡事件,结果表明Sata站观测到的等离子体泡与Darwin站观测到的沿地磁力线映射到北半球的等离子体泡结构基本一致.随后,Shiokawa等(2004)同样利用这对共轭台站的观测数据分析了共轭等离子体泡的演化过程,进一步证实了等离子体泡的地磁共轭特性.Martinis和Mendillo(2007)利用美洲地区的一对共轭ASI(Arecibo,Puerto Rico,18.3N,66.7W,地磁纬度:28N;EL leoncito,Argentina,31.8S,69.3W,地磁纬度:18S)也观测到了类似的现象.2018年地球同步轨道卫星搭载Global-scale Observations of theLimb和Disk(GOLD)成像仪升空,专门针对美洲地区开展观测任务,GOLD 135.6nm气辉辐射观测数据可以明显看到赤道电离异常(equatorial ionization anom-aly,EIA)沿地磁赤道两侧对称分布,并且其中的等离子体泡跨地磁赤道对称分布(Eastes等,2019).上述研究结果都表明了赤道以及低纬度地区的等离子体泡具有明显的地磁共轭特征.单次共轭行为观测不乏事例,但长期统计研究并不多.Luo等(2019)利用两年的非洲地区共轭的GPS闪烁数据统计分析了等离子体泡的共轭特征,结果表明共轭区域由等离子体泡引起的闪烁起始时间相差约10min,进一步结合亚洲地区共轭的GPS数据分析得出该差异与太阳活动高年的本地日落时间有关.Mendil-lo等(2018)利用美洲地区共轭的ASI统计分析等离子体泡共轭现象,结果表明等离子体泡共轭现象发生非常频繁,并提出了利用共轭现象开展共轭区域等离子体泡临近预报的可能性.迄今为止进行的研究表明,等离子体泡的地磁共轭是一种普遍现象.但大多数研究只重点关注了共轭等离子体泡的发生率以及共轭形态的定性分析,而对这一现象定量分析的研究则比较少.因此,本文使用ASI观测数据并在IGRF(International Geomagnetic Re-ference Field)模型下定量分析等离子体泡的共轭现象,从共轭等离子体泡的发生时间、形态尺度、漂移速度和出现位置等方面入手进行量化统计分析,并根据量化统计结果讨论使用IGRF模型以及等离子体泡共轭特性进行共轭区域的等离子体泡临近预报的可行性.2数据处理本文中使用的数据来自位于美洲赤道及低纬地区的630nm波段的两台ASI,位置如图1所示.ASI观测数据在http:/sirius.bu.edu/网站上获取,由The Boston Uni-versity Imaging Science Team收集并公开发表.图1中十字标记为位于V.Leyva(5.6N,73.52W)和El Leonci-to(31.8S,69.3W)的一对共轭ASI的台站位置,实线圈为对应ASI的160视野范围(由于地图投影产生的畸变,视野可能不为规则的圆形),假设630nm气辉观测到的等离子体泡高度为300km(Martinis和Mendillo,2007);星号标记为南半球El leoncito的ASI依据IGRF磁力线投影到北半球的位置,虚线圈为南半球ASI的160视野范围依据IGRF磁力线在北半球的投影.ASI数据的处理和等离子体泡共轭特征分析主要包括以下几个步骤.(1)图像畸变矫正处理.由于ASI使用鱼眼镜头成像,会造成图像畸变,对量化分析等离子体泡不利,因此,需要对气辉图像进行图像畸变校正等预处理,还原观察到的等离子体泡形态,畸变校正方法参考Yu等(2018).主要步骤包括:记录气辉图像观测到的星星在图像上的坐标以及星星对应的仰角和方位角信息;通过星星位置和仰角与方位角信息计算观测图中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期657像天顶坐标;计算星星位置与天顶的距离;通过拟合得到星星与天顶距离和星星仰角的函数关系;对于辐射高度在300km的一点可以得到其对应于台站位置的仰角和方位角,根据仰角可以得到该点在观测图像上与天顶位置的距离,根据方位角可以得到该点相对于天顶的方位,以此可以确定该点在观测图像上对应的位置,由此可以得到地理经纬度坐标上的点与观测图像上的点的映射关系,据此关系便可以进行观测图像的畸变校正.经过图像畸变矫正后的图像如图2a所示.(2)地磁共轭观测窗口截取.由图1可以看出共轭台站及其视野范围并非完全地地磁对称(蓝色圆圈和红色虚线圈并没有完全重合),因此在进行时间分辨率更高的共轭特征时间分布规律统计分析前,我们根据IGRF模型截取并投影(南半球El Leoncito台站观测窗口投影到北半球)了共轭台站观测视野中完全地磁对称的观测窗口,如图2a所示.图2a中北半球的红框表示在北半球V.Leyva台站的视野范围中截取1.69.6N以及69.5277.52W的视野范围,南半球的红框表示北半球视野窗口依据IGRF磁力线模型在南半球的映射视野窗口,可以认为在IGRF模型下两个半球的视野窗口是完全地磁对称的.图2b为北半球V.Leyva台站截取的观测窗口图像,图2c为南半球El Leoncito台站截取的观测窗口图像依据IGRF模型映射到北半球的图像.经过窗口截取和映射处理后,能够方便的对比观测到的共轭等离子体泡的形态等特征.(3)共轭观测事件筛选.基于截取的共轭观测窗口,我们根据等离子体泡时间分布来筛选共轭的观测事件.首先,按天为单位筛选出共轭站观测到图像清晰的等离子体泡观测数据.然后,以北半球台站数据为基础,筛选出南半球与北半球图像对应观测时间间隔最小的观测数据.本文用到的ASI数据观测时间间隔大约为510min,因此只统计南北半球图像观测时间间隔小于5min的数据,这样的每一对观测数据称为一次观测事件.由此我们可以得到时间分辨率在510min左右的共轭等离子体泡时间分布的统计结果.(4)共轭等离子体泡特征提取.根据筛选的观测窗口中图像清晰的气辉数据,可以获取等离子体泡的形态信息.图2b和2c中两张图为清晰的气辉观测图像,我们可以在纬向截取观测数据获得经向的气辉强度变化曲线(Sobral和Abdu,1990;Sobral等,2009).由于等离子体泡是电子密度局部下降的现象,因此气辉辐射强度相对较低的区域一定程度上就代表了等离子体泡出现的区域.图2b和2c中两幅气辉观测图像中的红框表示截取的5个像素宽的纬向条带数据范围,对其取平均去除星光等噪声污染后,再做13点平滑得到图2d和2e曲线图中的蓝色曲线,曲线的谷区对应了等离子体泡条带的位置.为了准备获取等离子体泡位置信息,对蓝色曲线做8阶傅里叶拟合得到可导的黑色曲线,而由负到正的一阶导数零点就代表了曲线的谷区,增加一些约束条件(主要约束条件为峰谷比,气辉观测到的等离子体泡现象暗条带与背景辐射对比明显,因此需要峰谷比足够大才能代表等离子体泡)后可以代表等离子体泡的位置,如图2d和2e中的红色实线.图2d和2e中的红色虚线代表等离子体泡位置两侧最近的黑色曲线二阶导数零点位置,代表了气辉强度变化最快的点.气辉强度变化最快区域即电子密度梯度最大的区域一般可以当作等离子体泡的边界,因此黑色曲线的二阶导数零点位置可表示等离子体泡边界位置,两个二阶导数零点之间的距离(两红色虚线之间)可以认为是等离子体泡条带的宽度.图 1台站位置及观测视野范围分布“+”号为两台站位置,实线圈为观测视野范围;“*”和虚线圈为南半球El Lenocito台站位置和观测视野范围沿磁力线映射到北半球的投影位置;实线圈的视野范围约为160;黑色实线和黑色虚线则标明了磁赤道和磁倾角戴祖康等:基于630nm气辉观测数据的电离层等离子体泡共轭特性统计分析658显然,在任意纬度都可以截取出一条气辉强度变化曲线,本文每5个像素点可以取一条气辉强度变化曲线,得到一组数据,因此一次观测事件可以得到多组数据.根据上述处理方法,我们就可以从ASI观测图像中提取出等离子体泡条带的位置信息和宽度信息.进一步地,位置信息结合图像观测时间可以计算出等离子体泡的纬向漂移速度.基于以上提取出的等离子体泡的位置、宽度和纬向漂移速度等特征,可以开展共轭特征统计研究.3结果分析本文利用20142017年美洲地区共轭ASI的数据统计分析等离子体泡的共轭行为,主要包括共轭等离子体泡的出现时间分布、条带宽度、漂移速度和中心位置等特征.3.1共轭等离子体泡出现频次和时间分布共轭等离子体泡的出现频次和时间分布是认识等离子体泡共轭特征的基础.首先,统计得到了20142017年V.Leyva和El Leoncito两个台站观测到的等离子体泡事件的天数共计80天,具体的时间分布已在图3中给出.定义一次共轭等离子体泡事件为某时间点前后5min内两共轭台站都有比较清晰的观测数据并且都观测到等离子体泡.图3展示了共轭等离子体泡事件在80个天数里面的频次和时间分布.图中蓝方块代表该时间点前后5min内该对共轭台站都有比较清晰的观测数据并且都观测到等离子体泡,即一次共轭等离子体泡事件;红叉代表该时间点前后5min内该对共轭台站都有比较清晰的观测数据并且有且仅有一个台站观测到等离子体泡;灰十字代表该时间点前后5min内该对共轭台站都有比较清晰的观测数据并且都没有观测到等离子体泡.图3中,蓝方块占比约63%,红叉占比约12%,灰十字占比约25%.可以看出,在两个台站都有清晰地观测数据时,共轭事件占据明显优势.而非共轭事件(红叉)占比很小,主要分布在连续的蓝方块前后,且一般不会连续出现,连续出现的持续时间也比较短,一般在12h左右.图 2等离子体泡信息提取方法(a)一次等离子体泡共轭事件的观测事例,图中红框代表了一对地磁共轭的观测窗口;(b)和(c)分别为(a)中共轭观测窗口中的气辉图像,其中(c)为El Lenocito台站观测数据通过IGRF模型沿磁力线投影到北半球的结果;(d)和(e)中的蓝线分别为(b)和(c)中红框中数据的纬向分布,黑线为蓝线的傅里叶拟合,红色实线穿过黑色曲线的极小值点,代表等离子体泡的中心位置,红色虚线穿过黑色曲线的极小值点两侧的二阶导数零点,代表等离子体泡的边界位置中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期6593.2共轭等离子体泡条带宽度分析等离子体泡的条带宽度代表了电子密度耗空区域在经度上的分布范围,对分析其对无线电信号的影响范围非常重要.图4a展示了等离子体泡条带纬向宽度的统计结果,横坐标为等离子体泡条带宽度,纵坐标为统计的等离子体泡样本数量.其中蓝色柱状为北半球V.Leyva台站观测到的等离子体泡条带宽度,橙色柱状表示南半球El Lenocito台站观测到对应的等离子体泡条带宽度,可以看到共轭台站等离子体泡条带宽度大致相当,且集中在100km左右.图4b展示了共轭台站观测到的等离子体泡条带的宽度差,横坐标为共轭等离子体泡条带宽度差,即北半球V.Leyva台站等离子体泡条带宽度减去南半球El Lenocito台站等离子体泡条带宽度的结果,纵坐标为统计的等离子体泡样本数量.可以看到宽度差在主要在30km以内(约78%),20km以内的约64%.3.3共轭等离子体泡纬向漂移速度分析等离子体泡纬向漂移速度可表征等离子体泡随时间的演化规律,对等离子体泡的短临预警和预报有重要指示作用.纬向漂移速度可根据识别的等离子体泡条带位置和观测时间差计算得到,假设东向漂移为正值,西向漂移为负值.图5a展示了两个台站等离子体泡纬向漂移速度随地方时的变化.图中蓝点和红点分别代表V.Leyva台站和El Lenocito台站观测到的等离子体泡条带的纬向漂移速度,蓝方块和红方块则分别为蓝点和红点半小时窗口的平均值.可以看出,观测值和平均值都显示了南北半球的等离子体泡条带纬向漂移速度随地方时有相似的分布规律.即等离子体泡漂移速度有明显的随时间变化的特征,在日落后等离子体泡出现并向东漂移,之后漂移速度逐渐上升,在本地时间22时左右到达最大值,约在100m s1至150m s1,然后漂移速度逐渐下降,在2时之后等离子图 3共轭等离子体泡事件出现频次和时间分布横坐标为年积日,纵坐标为本地时间,从上到下分别为20142017年共轭等离子体泡事件发生的统计结果.蓝方块标记为共轭台站都观测到等离子体泡的一次观测事件,红叉标记为共轭台站有且仅有一个台站观测到等离子体泡的一次观测事件,灰十字为共轭台站都未观测到等离子体泡事件的一次观测事件戴祖康等:基于630nm气辉观测数据的电离层等离子体泡共轭特性统计分析660体泡可能会出现西向漂移现象.值得注意地是,南半球El Lenocito台站等离子体泡条带纬向漂移速度平均值比北半球的漂移速度要低约10m s1.图5b展示了共轭等离子体泡漂移速度的对比关系,图中横坐标为北半球V.Leyva台站等离子体泡的漂移速度,纵坐标为南半球El Lenocito台站等离子体泡的漂移速度,红线为南北半球等离子体泡漂移速度比值为1的线.从图5b中可以看出南北半球的等离子体泡的漂移速度的对比值基本分布于红线附近,说明南北半球的等离子体泡的漂移速度具有很好的一致性.图5c展示了南北半球的等离子体泡的漂移速度差的分布图,其中横坐标为漂移速度差,由北半球V.Ley-va台站等离子体泡漂移速度减去南半球El Lenocito台站等离子体泡漂移速度得到,纵坐标为统计的等离子体泡样本数量.从图5c可以看出南北半球等离子体泡的漂移速度差在50m s1以内,呈正态分布,但中心向纵坐标正方向偏移约10m s1,说明南半球等离子体泡漂移速度比北半球要低10m s1左右.整体上北半球V.Leyva台站等离子体泡条带纬向漂移速度要比南半球El Lenocito台站高10%左右.3.4共轭等离子体泡条带中心位置分析等离子体泡条带中心位置代表了等离子体泡耗空幅度最大的位置,对评估等离子体泡对无线电信号的影响程度有重要意义.首先,定义共轭条带中心距离为北半球V.Leyva台站等离子体泡条带中心位置减去南半球El Lenocito台站等离子体泡条带中心位置,同样观测时间差也为V.Leyva台站观测时间减El Lenoci-to台站观测时间.图6a展示了共轭等离子体泡条带中心距离与观测时间差的统计结果,可以看出共轭等离子体泡条带位置差异主要分布在50km以内,时间差和距离呈正相关,说明等离子体泡主要表现为东向漂移.图6b展示了中心距离对应样本数的分布,可以看出5min时间差内共轭等离子体泡中心距离大部分都在50km以内,接近正态分布,分布中心偏向正值,约为20km.图6c展示了共轭等离子体泡中心距离与等离子体泡出现位置(经度)的关系,可以看到中心距离与等离子体泡出现位置接近线性关系,在西侧偏向负值,即V.Leyva窗口的等离子体泡位于El Lenocito观测到的等离子体泡的西侧,而在东侧偏向正值,即V.Leyva窗口的等离子体泡位于El Lenocito观测到的等离子体泡的东侧.4讨论在过去的研究中已经有许多案例展示出等离子体泡的共轭特性,如:共轭的ASI观测到结构相似的等离子体泡(Otsuka等,2002;Martinis和Mendillo,2007;Sobral等,2009;Fukushima等,2015);低轨道卫星原位观测到共轭的电子体密度下降(Luo等,2019);地面共轭的GPS接收机观测到同时的TEC变化和闪烁产生(Luo等,2019);GOLD卫星观测到跨磁赤道对称的等离子体泡条纹(Eastes等,2019).所以磁力线对等离子体泡存在很强的约束,导致了等离子体泡出现共轭现图 4共轭等离子体泡条带的条带宽度统计分析(a)等离子体泡条带纬向宽度与样本数的关系,蓝色和橙色分别为V.Leyva台站和El Lenocito台站观测到的等离子体泡条带宽度;(b)等离子体泡条带宽度差(V.Leyva宽度减去El Lenocito宽度)与样本数的关系中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期661象.本文中,美洲地区20142017年的两个地磁共轭的地面ASI数据统计结果表明,在可以观测到清晰的等离子体泡现象出现的80天里,共轭等离子体泡发生率约84%,与Mendillo等(2018)报道的统计结果基本一致,表明了等离子体泡共轭现象出现的一般性.图3结果表明,等离子体泡几乎都是同时出现和同时消失在共轭窗口内的,这揭示了等离子体泡存在强烈的共轭对称特性,至少在ASI的观测时空分辨率内显示出很强的磁力线共轭对称约束.同时,需要注意的是,共轭现象并非是完全对称的,Luo等(2019)和Sousasantos等(2022)报道了利用共轭GPS闪烁数据统计分析闪烁开始时间,结果显示共轭GPS台站观测到的闪烁开始时间有约10min的差异,表明共轭等离子体泡也存在一定的不共轭性.在本文的研究中也可以发现少量的不共轭事件,根据图3,将不共轭事件分为3种情况讨论.第一种是V.Leyva观测到明显的等离子体泡条带而El Leoncito观测图像上没有明显的等离子体泡条带,并且持续时间较长;第二种则相反,El Leoncito观测到明显的等离子体泡条带而V.Leyva观测图像上没有明显的等离子体泡条带,并且持续时间较长;第三种是V.Leyva或ElLeoncito观测到相对明显的等离子体泡条带,而另一个台站没有观测到明显的等离子体泡条带,而且持续时间一般较为短暂.前两种情况本文认为是比较明显的长时间不共轭事件,第三种情况则是比较短暂的不共轭事件,可能是由于观测到的等离子体泡大多出现在观测窗口边缘,等离子体泡条带覆盖区域较小,不够明显,且ASI观测数据越靠近边缘分辨率越低,对于图 5共轭等离子体泡的漂移速度统计分析假设等离子体泡东向漂移速度为正,西向为负.(a)等离子体泡的漂移速度与地方时的关系,蓝点和红点分别为V.Leyva台站和El Lenocito台站观测到的漂移速度,蓝色方块和红色方块分别为V.Leyva台站和El Lenocito台站每半小时的平均速度;(b)V.Leyva台站和El Lenocito台站观测到的漂移速度对比;(c)两台站漂移速度差(VLeyvaVLenocito)随样本数量的分布戴祖康等:基于630nm气辉观测数据的电离层等离子体泡共轭特性统计分析662这样的数据在判断是否观测到等离子体泡上不够准确.第三种不共轭事件在图3中表现为出现在共轭等离子体泡事件前后,持续时间较短.在本文的统计数据中第一种不共轭事件主要为2015年1月11日、12月10日、12月13日和12月31日的事件,其中2015年1月11日、12月10日和12月13日的三次事件持续时间约1到2小时,而2015年12月31日的不共轭事件几乎覆盖整个夜晚,从本地时20时到次日3时一直存在.第二种不共轭事件在本文的统计中主要出现在2014年10月30日、11月18日、11月30日和2015年1月16日、12月7日、12月8日六天的午夜后,持续时间约1到2小时.本文认为第一种和第二种不共轭事件出现的原因可能是南北半球电离层背景环境差异导致的.Barros等(2022)报道了美洲地区等离子体泡引起电离层闪烁的不共轭特征,认为热层跨赤道子午向风会引起EPBs的不共轭发展,使之偏向子午风方向发展,从而导致等离子体泡的不共轭现象出现.Sousasantos等(2022)认为热层跨赤道子午向风会引起背景电离层的半球不对称现象,在12月北半球F层高度低于南半球F层高度,而在10月北半球F层高度要更高.本文认为F层的抬升会使得630nm气辉辐射层电子密度下降从而导致辐射背景减弱,导致等离子体泡内部电子密度与背景密度差异减小使得难以从气辉图像中观测到等离子体泡,从而出现这两种不共轭现象.而这两种不共轭现象出现的时间分布也与半球间F层高度的不对称性的时间变化较为一致.Sau等(2017)年报道了气辉观测到的一次等离子体泡的形态不共轭现象,Hickey等(2020)认为是由于辐射层高度差异导致的结果.这进一步说明了半球间背景电离层差异会导致气辉观测到的等离子体泡出现不共轭现象.而对于第三种不共轭现象而言,除了前面提到的数据统计导致的原因外,也有可能是南北半球电离层背景环境差异的原因.共轭等离子体泡的条带宽度、漂移速度和出现位置等特征的量化分析,是在发生率的基础上,对共轭等离子体泡特征的进一步探索,对未来等离子体泡的监测预报尤为重要.条带宽度的统计结果表明(图4),等图 6共轭等离子体泡条带的中心位置统计分析(a)共轭条带中心距离随观测时间差异分布,红圈为每一分钟的平均值及其误差;(b)共轭等离子体泡中心距离的样本数分布;(c)共轭等离子体泡中心的距离随经度变化,红圈为每0.8经度的平均值及其误差中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期663离子体泡条带宽度主要在100km左右,共轭的等离子体泡条带宽度差主要在30km以内,宽度差在20km以内的样本数占比超过60%,宽度差异整体呈正态分布,分布中心接近0,说明超过一半的共轭等离子体泡条带有相当一致的宽度,大多数情况下共轭等离子体泡条带宽度差异不大.而造成共轭等离子体泡条带宽度存在一定差异的原因可能是ASI观测分辨率的局限和ASI观测到的等离子体泡条带边界本身就难以准确判断以及共轭等离子体泡本身并非完全对称一致.漂移速度的统计结果表明(图5a),等离子体泡漂移速度在南北半球都有明显的随时间变化的特征,且趋势基本一致,即在日落后等离子体泡出现并向东漂移,之后漂移速度逐渐上升,在本地时间22时左右到达最大值,然后漂移速度逐渐下降,在2时之后等离子体泡可能会出现西向漂移现象,漂移速度峰值在100至150m s1左右.这些特征与过去的ASI观测结果基本一致,如Sobral等(2009)在美洲地区的观测、Liu等(2011)在中国台湾地区的观测以及Gurav等(2018)在印度地区的观测,这也说明了我们的方法具有足够的可靠性.值得注意的是,南北半球的等离子体泡漂移速度大小并不相同.半小时平均的漂移速度显示了南半球El Le-nocito台站比北半球V.Leyva台站慢10m s1左右.同时,南北半球等离子体泡漂移速度差小于50m s1,接近正态分布,整体上北半球V.Leyva台站观测到的等离子体泡漂移速度要快约10%.南北半球漂移速度的一致性和差异在以往的研究中也被报道过.如2002年10月美洲地区的几个共轭等离子体泡事件中南北半球漂移速度相当一致,平均差异小于5%,南半球漂移速度稍快一点(Sobral等,2009).而2011年4月5日亚洲地区的一次共轭等离子体泡事件则发现南半球的漂移速度相比北半球漂移速度要小4m s1左右(Fukushima等,2015).Karan等(2020)利用GOLD卫星135.6nm气辉观测到的几次等离子体泡事件中共轭等离子体泡的漂移速度也存在很好的一致性.需要注意的是,Sobral等(2009)和Fukushima等(2015)对比的是地理坐标下等离子体泡在地磁共轭点处的纬向漂移速度,而Karan等(2020)计算的是地磁坐标下等离子体泡的纬向漂移速度.而本文的研究是在地理坐标下北半球V.Leyva台站观测到的纬向漂移速度与南半球El Lenocito台站观测数据经过IGRF模型投影到北半球后计算的纬向漂移速度相比较.由于美洲地区的地磁异常导致V.Leyva台站观测视野磁力线较El Lenocito台站观测视野磁力线更加密集,根据图1和图2a我们可以知道El Lenocito台站观测数据投影后存在一定的畸变,因此El Lenocito台站观测到的等离子体泡漂移速度经过投影后会变小,导致我们的结果中表现出El Lenocito台站漂移速度要小于V.Leyva台站.这个结果也说明共轭等离子体泡跨磁力线运动的速度存在差异,V.Leyva台站跨磁力线漂移速度要比El Lenocito台站更快,也说明共轭等离子体泡并非完全受磁力线约束.条带位置的统计结果表明,共轭等离子体泡事件条带的位置差异在50km内(图6a,6b).这个差异是基于已经投影至北半球的南半球图像和北半球的图像的对比,由于磁力线的影响存在一定的畸变,因此实际位置差存在一定的偏差,但不影响整体结论.条带位置统计结果说明当共轭台站中有一个台站观测到等离子体泡,在等离子体泡位置对应的磁共轭点纬向50km内存在对应共轭的等离子体泡.由于等离子体泡的东向漂移,时间差和位置差存在线性关系,假设等离子体泡完全受磁力线控制,那么时间差与位置差的比值平均应该等于等离子体泡的平均漂移速度(100m s1,从图5a可以估算出),而图6a中展示的时间差和位置差的斜率要小于前面的完全共轭假设.图6c展示了共轭等离子体泡中心位置距离与等离子体泡出现位置的关系,可以看到从观测窗口由西向东共轭等离子体泡位置差值由负到正,假设东向为前,可以发现由西向东V.Leyva台站观测到的等离子体泡条带从出现在El Lenocito台站观测到的等离子体泡条带后方到出现在前方,这与V.Leyva台站观测到的等离子体泡漂移速度更快的结论一致.以上定量统计的等离子体泡条带中心距离在观测图像上已经相当接近,但与假设的完全磁力线约束还存在一定的差异,因此我们认为原因在于共轭等离子体泡本身存在一定的不对称性.Luo等(2019)和Sousa-santos等(2022)报道的共轭GPS闪烁在南北半球开始出现的时间差异(10min)也证实了这种不对称性.根据前述的关于共轭等离子体泡在条带宽度和漂移速度以及出现位置的对比分析,在条带宽度差异上表现出接近正态分布且分布中心接近0,说明共轭等离子体泡形态上是非常接近的,但在漂移速度和出现位置上存在一定的不共轭性,说明共轭等离子体泡漂移运动的戴祖康等:基于630nm气辉观测数据的电离层等离子体泡共轭特性统计分析664过程中并非完全受磁力线控制.我们猜测在等离子体泡发育初期受磁力线约束最强,因此其形态非常相似,而在中后期等离子体泡形态变化较小,受磁力线约束减弱,主要受电磁场驱动进行纬向漂移运动,因此存在一定的不共轭现象.而电场主要受热层风场影响,在共轭区域差异较小(Fukushima等,2015),导致共轭等离子体泡纬向漂移速度比较一致,而由于南美地磁异常,又导致了V.Leyva台站观测到的等离子体泡跨磁力线漂移比El Lenocito台站观测到的等离子体泡更快的不共轭现象.这个猜测也可能是图3中第三种不共轭现象出现的原因.综上所述,一方面,等离子体泡在ASI的观测下具有很强的共轭对称特性,因此可以利用这个特性实时监测预报难以观测区域的等离子体泡对无线电通信的影响(Mendillo等,2018),对等离子体泡的共轭现象的量化分析进一步表明了该性质在等离子体泡监测预报中的可用性和可靠性,并量化了可能存在的误差,为预报提供了可能的准确性指标和修正项;另一方面,本文中等离子体泡共轭的量化分析结果也表明了等离子体泡在ASI观测下还存在一定的不对称性偏差,猜测可能与半球间背景电离层环境差异有关,这方面还需要进一步的研究分析,这也是研究等离子体泡形成及演化的一个突破口.后续工作中可以使用GPS等观测手段进行对比验证,进一步讨论可行性和准确性.5结论本文利用美洲地区20142017年共轭的两台全天空气辉成像仪定量统计分析等离子体泡的共轭特征,得到以下结论:(1)美洲地区南北半球共轭等离子体泡发生率约84%;(2)观测到的共轭等离子体泡条带宽度基本一致,主要宽度在100km左右,其差异小于20%;(3)共轭等离子体泡漂移速度基本上一致,V.Ley-va台站等离子体泡漂移速度略大于El Lenocito台站等离子体泡;(4)共轭等离子体泡中心位置距离在50km以内;(5)利用一个半球的EPBs推测共轭半球其特征具有可行性.致谢作者感谢the Boston University Imaging ScienceTeam提供的全天空气辉成像仪观测数据(http:/sirius.bu.edu/).参考文献Abdu M A,de Medeiros RT,Bittencourt J A,Batista I S.1983.Verticalionization drift velocities and range type spread F in the eveningequatorial ionosphere.J Geophys Res,88:399402Abdu M A,Kherani E A,Batista I S,Reinisch B W,Sobral J H A.2014.Equatorial spread F initiation and growth from satellite tracesas 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