demeer衛(wèi)星的空間背景與磁學(xué)特征

demeer衛(wèi)星的空間背景與磁學(xué)特征

0demeter衛(wèi)星德貝特衛(wèi)星是法國(guó)2004年6月29日發(fā)射的極軌衛(wèi)星。原名為710km，2005年12月調(diào)整至660km。衛(wèi)星上搭載了多種載荷,如電場(chǎng)和磁場(chǎng)觀測(cè)儀、高能粒子分析器、等離子參數(shù)分析器等,關(guān)于這些儀器的詳細(xì)介紹可參見(jiàn)Berthelieretal.(2006a,2006b),Lebretonetal.(2006),Parrotetal.(2006)和Sauvaudetal.(2006)的有關(guān)文獻(xiàn)。衛(wèi)星上設(shè)置了常規(guī)和突發(fā)兩種觀測(cè)模式,后一種在預(yù)先設(shè)定的地震區(qū)上空開(kāi)啟使用。自衛(wèi)星開(kāi)始記錄以來(lái)各半軌道的數(shù)據(jù)和圖像可以在DEMETER衛(wèi)星中心提供的網(wǎng)站上下載查看(rs-orlens.fr)。電子密度是表征電離層變化的重要參量,是一個(gè)時(shí)空相關(guān)函數(shù),由于地理軸與黃道面法線及地磁軸均不一致,以及陸海山脈等地形的不均勻分布對(duì)大氣環(huán)流的影響等因素,所以電子密度在經(jīng)度方向存在地方時(shí)效應(yīng)(LT),也存在一定的局部(或稱世界時(shí))效應(yīng)(UT)(熊皓,2004),但前人的研究結(jié)果多集中在100～300km空間高度,也就是電離層F層的各參量研究,對(duì)于更高空間缺乏實(shí)際觀測(cè)資料和研究結(jié)果。DEMETER是一顆專門(mén)用于觀測(cè)與地震、火山等自然災(zāi)害有關(guān)的空間電磁現(xiàn)象的衛(wèi)星,但是如果沒(méi)有相對(duì)完善的空間背景資料,從中提取分析地震前兆異常是比較困難的,地震異常判定也就缺乏足夠的說(shuō)服力,因此對(duì)區(qū)域空間背景資料的積累和總結(jié)是必不可少的。目前DEMETER衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)間已超過(guò)3年,這為各參量長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的背景研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。中國(guó)是地震多發(fā)國(guó)家,地震給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了巨大的損害,因此地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作一直備受關(guān)注。但目前中國(guó)的地震觀測(cè)網(wǎng)都分布在地面上,對(duì)于空間的監(jiān)測(cè)少之又少,對(duì)于空間資料的合理使用缺乏經(jīng)驗(yàn),DEMETER衛(wèi)星的成功運(yùn)行為研究中國(guó)區(qū)域上空的電磁變化提供了很好的平臺(tái),積累分析研究衛(wèi)星資料的經(jīng)驗(yàn)可為中國(guó)地震星的發(fā)射和數(shù)據(jù)的分析利用提供技術(shù)儲(chǔ)備。1事件的日變化2007年度地磁活動(dòng)相對(duì)比較平靜,1～9月份沒(méi)有磁情指數(shù)(Dst)低于-100nT的強(qiáng)烈磁擾活動(dòng),其中最平靜的時(shí)間段是2007年6月。因此選取了6月6日～20日作為地磁平靜日的分析時(shí)段,期間Dst分布在0nT左右(圖1)。參考美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的全球地震目錄,發(fā)現(xiàn)在這段時(shí)間內(nèi)全球沒(méi)有發(fā)生6級(jí)以上強(qiáng)震,只在此之前的6月2日(世界時(shí)),云南普洱曾發(fā)生過(guò)1次6.3級(jí)地震,6月6日已經(jīng)是地震結(jié)束4天以后,應(yīng)該不會(huì)有太大影響,因此這段資料可以看作是平靜時(shí)期空間Dst的正常變化。收集DEMETER衛(wèi)星經(jīng)過(guò)北半球的所有軌道,并整理ISL儀器觀測(cè)記錄的Ne數(shù)據(jù),選取了分布在中國(guó)上空60°～120°E范圍內(nèi)的軌道上的資料進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2所示。在這半個(gè)月的時(shí)間內(nèi)共有72條半軌經(jīng)過(guò)研究區(qū)域,邊角地區(qū)軌道記錄時(shí)間短數(shù)據(jù)缺失比較多,其余軌道幾乎已經(jīng)完全覆蓋了整個(gè)研究區(qū)。將所有軌道的Ne變化曲線繪制在同一張圖上(圖3),在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi),不考慮經(jīng)度對(duì)Ne的影響,只研究Ne隨緯度的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)各條曲線交叉分布,形態(tài)各異,沒(méi)有統(tǒng)一的特征,分別在10°N和40°N附近起伏最大,在兩個(gè)高峰值區(qū)同時(shí)也可見(jiàn)低值變化,而在30°N和60°N附近曲線的重復(fù)性較強(qiáng),但幅度之間的差異也在10000cm-3以上,分布較為離散。因?yàn)檐壍烙^測(cè)數(shù)據(jù)既有白天的也有夜間的,因此簡(jiǎn)單的重疊分析顯然是不可取的。2數(shù)據(jù)結(jié)果分析2.1不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的運(yùn)行特征由于所用資料的時(shí)段比較長(zhǎng),得到的軌道較多,電離層Ne變化又具有地方時(shí)特性,因此考慮將各軌道的世界時(shí)均按北京時(shí)間調(diào)整(世界時(shí)+8小時(shí)),得到每2小時(shí)一組的不同地方時(shí)分類結(jié)果(圖4)。DEMETER衛(wèi)星是準(zhǔn)太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星,受衛(wèi)星的特定軌道所限,在該時(shí)段中,一天內(nèi)總有些時(shí)間沒(méi)有軌道飛過(guò)研究區(qū)域上空,如02～10時(shí),而有些時(shí)段則數(shù)據(jù)特別集中,如22～24時(shí)。分時(shí)結(jié)果顯示曲線之間的相似性較之圖3更加明顯,同一組數(shù)據(jù)具有很好的可對(duì)比性,不再象圖3中那樣雜亂無(wú)章,說(shuō)明分時(shí)是有效的。不同時(shí)間的曲線顯示了Ne的地方時(shí)特點(diǎn),00～02時(shí),Ne在10°N附近呈現(xiàn)低谷,之后隨著緯度增加,Ne逐漸增大,在40°N左右形成峰值,之后隨緯度的提高而緩慢下降。10～12時(shí),絕大多數(shù)的軌道都在0°～20°N呈現(xiàn)極大值,之后快速下降,最大幅度甚至達(dá)到60000cm-3,多數(shù)的峰值也達(dá)到正常變化值的2～3倍。在30°～50°N,Ne值穩(wěn)中有降,50°～70°N有一小幅度上升并穩(wěn)定在較高值上。12～14時(shí),Ne變化形態(tài)與10～12時(shí)類似,但低緯度地區(qū)的峰值明顯減弱,僅在30000cm-3左右,高緯度的變化均值相對(duì)10～12時(shí)整體略有升高。14～16時(shí)的圖像中低緯度地區(qū)的數(shù)據(jù)大多不在研究區(qū)域內(nèi),所以沒(méi)有顯示,從當(dāng)前的圖像看,整體變化平穩(wěn),自20°～70°N沒(méi)有明顯的峰值起伏,整體低于20000cm-3。20～22時(shí),低緯地區(qū)數(shù)據(jù)仍然缺失,但Ne整體變化曲線與14～16時(shí)不同,30°～50°N之間出現(xiàn)峰值變化,40°N附近達(dá)到最大值,50°N以北地區(qū)穩(wěn)定在20000cm-3左右。22～24時(shí)得到的曲線比較多,整體變化特征為0°～10°N是一個(gè)變化的低值區(qū),而30°～50°N呈現(xiàn)變化高值區(qū),50°～70°N變化平穩(wěn),所有曲線分布在15000～25000cm-3范圍內(nèi),70°N以上有個(gè)別突跳點(diǎn),可能與極區(qū)存在的某些電磁擾動(dòng)有關(guān)。2.2不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)兩個(gè)5個(gè)月內(nèi)的新能源形態(tài)變化圖4中Ne在低緯度點(diǎn)有多個(gè)時(shí)段缺失比較嚴(yán)重,而30°N以北的數(shù)據(jù)比較全面,所以取30°N、40°N、50°N區(qū)作為分析對(duì)象,將圖4中的各條數(shù)據(jù)分別在這3個(gè)緯度的觀測(cè)值取平均,并按每小時(shí)劃分,得到以上研究期間的平均時(shí)均值,結(jié)果示于圖5。從圖5中可以看到,不同緯度在10～14時(shí)的4個(gè)小時(shí)內(nèi)變化形態(tài)類似,并且緯度越高Ne變化幅度越小,30°N和40°N在13時(shí)左右有個(gè)峰值變化,其中30°N最大,超過(guò)20000cm-3。從21時(shí)開(kāi)始,40°N的Ne值整體增加到20000cm-3以上,而且在21時(shí)達(dá)到最大值,超過(guò)其他兩個(gè)緯度上的Ne值大約10000cm-3,而另兩個(gè)緯度上的Ne的變化值此時(shí)段內(nèi)都穩(wěn)定在15000～20000cm-3,同時(shí)白天平均變化幅度最大的30°N在夜間Ne變化幅度最小,低于兩個(gè)在高緯度的變化值。比較兩個(gè)時(shí)段,40°N和50°N兩個(gè)緯度點(diǎn)在夜間的Ne變化幅度要明顯高于白天,在30°N時(shí)基本持平。因此可知,Ne在不同的緯度呈現(xiàn)了各自不同的變化特點(diǎn),在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)必須針對(duì)不同時(shí)間、不同緯度區(qū)別對(duì)待,否則將導(dǎo)致錯(cuò)誤判定。3升軌軌道與參考軌道數(shù)據(jù)的比較在數(shù)據(jù)分析和地震異常識(shí)別過(guò)程中最常使用的方法就是將相鄰軌道的數(shù)據(jù)作對(duì)比,那么相鄰軌道數(shù)據(jù)之間相關(guān)性到底如何?或者說(shuō)相關(guān)性比較好的軌道之間最遠(yuǎn)能延伸到多大的范圍呢?這對(duì)于劃分未來(lái)研究區(qū)域的范圍非常關(guān)鍵。因?yàn)槊織l軌道跨越不同的時(shí)空,即使它們所經(jīng)過(guò)的緯度范圍相同,每條軌道所飛行的距離和時(shí)間也很難完全一致,為便于數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,將所有軌道數(shù)據(jù)歸一化,即按每條軌道每隔0.5°個(gè)緯度取一個(gè)點(diǎn),來(lái)模擬原來(lái)Ne的變化曲線,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Ne的模擬曲線與其原始記錄曲線的形態(tài)很相似(圖6)。間隔采樣數(shù)據(jù)能忠實(shí)反映原始記錄曲線的變化特征,將所有軌道均照此處理,就得到一組在各緯度點(diǎn)上對(duì)齊的數(shù)據(jù),這為數(shù)據(jù)對(duì)比提供了極大的便利。取6～20日期間磁情指數(shù)KP最小、記錄軌道也最完整的6月12日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,這一天中最大KP指數(shù)僅為1,空間電磁環(huán)境非常平靜。圖7中給出了6月12日當(dāng)天經(jīng)過(guò)全球的所有升降軌軌道及相應(yīng)的軌道時(shí)間(世界時(shí)),軌道1是這一天經(jīng)過(guò)的第一條軌道,之后隨著衛(wèi)星飛行和地球的自轉(zhuǎn),軌道逐漸西移,箭頭指示了軌道的移動(dòng)方向。在升軌軌道中選取了軌道9與其他軌道做對(duì)比,在降軌軌道中選取了軌道2作為參考軌道,計(jì)算了它與各軌道在0°N～60°N之間的Ne數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù),右圖中箭頭指示的是參考軌道自身的相關(guān)系數(shù)為1的點(diǎn)。結(jié)果顯示,升軌軌道中從第7軌道開(kāi)始,數(shù)據(jù)呈現(xiàn)了明顯的正相關(guān),而且相關(guān)系數(shù)大于0.7,高相關(guān)性一直持續(xù)到最后一條即第14條軌道,這條軌道的經(jīng)度已經(jīng)位于360°E左右,與第9軌道相差100°以上。從軌道的記錄來(lái)看,前面的5條軌道在1～8時(shí)之間,相當(dāng)于北京時(shí)間的白天,而當(dāng)衛(wèi)星飛過(guò)第7條軌道時(shí)北京時(shí)間已開(kāi)始進(jìn)入夜間,因此數(shù)據(jù)的相關(guān)性差異應(yīng)該與白天和夜間數(shù)據(jù)變化比較大有關(guān)。降軌軌道的相關(guān)性相對(duì)升軌軌道而言要差一些,與第2條軌道相鄰的軌道只有2條軌道相關(guān)系數(shù)比較大,當(dāng)經(jīng)過(guò)1天時(shí)間再次接近軌道1時(shí),有5條軌道又呈現(xiàn)了比較高的相關(guān)性。由此可以看出,在全球軌道中有大約一半的軌道與參考軌道有比較好的相關(guān)性,如果選取比較可靠的研究區(qū)域的話,還是以向東向西各取1～2條軌道間距(約為2000～4000km)為宜,這樣無(wú)論在時(shí)間還是空間上都比較接近,以保證觀測(cè)數(shù)據(jù)之間具比較高的相似性,可用于對(duì)比分析,或建立可靠的區(qū)域背景場(chǎng)。如果選擇更大范圍,在作統(tǒng)計(jì)分析時(shí)要注意區(qū)分地方時(shí)是白天還是夜間的軌道,或者做更細(xì)致的時(shí)間劃分,才能保證結(jié)果的可信度。4不同中緯度的特征本文分析了夏季6月份地磁活動(dòng)平靜時(shí)期電離層660km高度中國(guó)大陸上空Ne的變化特征,并對(duì)軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)了不同時(shí)間、不同軌道之間Ne變化的規(guī)律性,以及空間變化的復(fù)雜性,為分析提取與地震相關(guān)的異常信息提供了基礎(chǔ)資料?？偨Y(jié)以上研究結(jié)果,結(jié)論如下:(1)夏季中國(guó)大陸上空Ne有明顯的日變化,不同地方時(shí)的Ne曲線形態(tài)差異很大,如北京時(shí)間00～02時(shí)與12～14時(shí)曲線的變化形態(tài)幾近相反。(2)不同緯度的Ne具有不同的日變特征,低緯度(≤20°N)時(shí)最大值出現(xiàn)在地方時(shí)北京時(shí)間的10～12時(shí),最大幅度可達(dá)60000cm-3,最低值出現(xiàn)時(shí)間因缺乏數(shù)據(jù)無(wú)法確定。(3)幾個(gè)中緯度地區(qū)的日變形態(tài)對(duì)比發(fā)現(xiàn),在目前的兩個(gè)觀測(cè)時(shí)段內(nèi),10～11時(shí)3個(gè)緯度區(qū)都呈現(xiàn)最小值,夜間Ne的平均變化幅度要高于白天;40°N地區(qū)日變化非常顯著,日變幅度超過(guò)10000cm-3,且與低緯地區(qū)明顯不同,其最大日值出現(xiàn)在北京時(shí)間21～22時(shí);30°N的日變峰值出現(xiàn)在13～14時(shí),日變幅度在5000cm-3左右;50°N與其他兩個(gè)緯度區(qū)不同,基本沒(méi)有明顯的日變起伏,幾