demeer卫星的空间背景与磁学特征

demeer卫星的空间背景与磁学特征

0demeter卫星德贝特卫星是法国2004年6月29日发射的极轨卫星。原名为710km，2005年12月调整至660km。卫星上搭载了多种载荷,如电场和磁场观测仪、高能粒子分析器、等离子参数分析器等,关于这些仪器的详细介绍可参见Berthelieretal.(2006a,2006b),Lebretonetal.(2006),Parrotetal.(2006)和Sauvaudetal.(2006)的有关文献。卫星上设置了常规和突发两种观测模式,后一种在预先设定的地震区上空开启使用。自卫星开始记录以来各半轨道的数据和图像可以在DEMETER卫星中心提供的网站上下载查看(rs-orlens.fr)。电子密度是表征电离层变化的重要参量,是一个时空相关函数,由于地理轴与黄道面法线及地磁轴均不一致,以及陆海山脉等地形的不均匀分布对大气环流的影响等因素,所以电子密度在经度方向存在地方时效应(LT),也存在一定的局部(或称世界时)效应(UT)(熊皓,2004),但前人的研究结果多集中在100～300km空间高度,也就是电离层F层的各参量研究,对于更高空间缺乏实际观测资料和研究结果。DEMETER是一颗专门用于观测与地震、火山等自然灾害有关的空间电磁现象的卫星,但是如果没有相对完善的空间背景资料,从中提取分析地震前兆异常是比较困难的,地震异常判定也就缺乏足够的说服力,因此对区域空间背景资料的积累和总结是必不可少的。目前DEMETER卫星运行时间已超过3年,这为各参量长时间内的背景研究提供了坚实的基础。中国是地震多发国家,地震给国家和人民生命财产安全带来了巨大的损害,因此地震预测预报工作一直备受关注。但目前中国的地震观测网都分布在地面上,对于空间的监测少之又少,对于空间资料的合理使用缺乏经验,DEMETER卫星的成功运行为研究中国区域上空的电磁变化提供了很好的平台,积累分析研究卫星资料的经验可为中国地震星的发射和数据的分析利用提供技术储备。1事件的日变化2007年度地磁活动相对比较平静,1～9月份没有磁情指数(Dst)低于-100nT的强烈磁扰活动,其中最平静的时间段是2007年6月。因此选取了6月6日～20日作为地磁平静日的分析时段,期间Dst分布在0nT左右(图1)。参考美国地质调查局的全球地震目录,发现在这段时间内全球没有发生6级以上强震,只在此之前的6月2日(世界时),云南普洱曾发生过1次6.3级地震,6月6日已经是地震结束4天以后,应该不会有太大影响,因此这段资料可以看作是平静时期空间Dst的正常变化。收集DEMETER卫星经过北半球的所有轨道,并整理ISL仪器观测记录的Ne数据,选取了分布在中国上空60°～120°E范围内的轨道上的资料进行分析,结果如图2所示。在这半个月的时间内共有72条半轨经过研究区域,边角地区轨道记录时间短数据缺失比较多,其余轨道几乎已经完全覆盖了整个研究区。将所有轨道的Ne变化曲线绘制在同一张图上(图3),在整个研究区域内,不考虑经度对Ne的影响,只研究Ne随纬度的变化。结果发现各条曲线交叉分布,形态各异,没有统一的特征,分别在10°N和40°N附近起伏最大,在两个高峰值区同时也可见低值变化,而在30°N和60°N附近曲线的重复性较强,但幅度之间的差异也在10000cm-3以上,分布较为离散。因为轨道观测数据既有白天的也有夜间的,因此简单的重叠分析显然是不可取的。2数据结果分析2.1不稳定区域内的运行特征由于所用资料的时段比较长,得到的轨道较多,电离层Ne变化又具有地方时特性,因此考虑将各轨道的世界时均按北京时间调整(世界时+8小时),得到每2小时一组的不同地方时分类结果(图4)。DEMETER卫星是准太阳同步轨道卫星,受卫星的特定轨道所限,在该时段中,一天内总有些时间没有轨道飞过研究区域上空,如02～10时,而有些时段则数据特别集中,如22～24时。分时结果显示曲线之间的相似性较之图3更加明显,同一组数据具有很好的可对比性,不再象图3中那样杂乱无章,说明分时是有效的。不同时间的曲线显示了Ne的地方时特点,00～02时,Ne在10°N附近呈现低谷,之后随着纬度增加,Ne逐渐增大,在40°N左右形成峰值,之后随纬度的提高而缓慢下降。10～12时,绝大多数的轨道都在0°～20°N呈现极大值,之后快速下降,最大幅度甚至达到60000cm-3,多数的峰值也达到正常变化值的2～3倍。在30°～50°N,Ne值稳中有降,50°～70°N有一小幅度上升并稳定在较高值上。12～14时,Ne变化形态与10～12时类似,但低纬度地区的峰值明显减弱,仅在30000cm-3左右,高纬度的变化均值相对10～12时整体略有升高。14～16时的图像中低纬度地区的数据大多不在研究区域内,所以没有显示,从当前的图像看,整体变化平稳,自20°～70°N没有明显的峰值起伏,整体低于20000cm-3。20～22时,低纬地区数据仍然缺失,但Ne整体变化曲线与14～16时不同,30°～50°N之间出现峰值变化,40°N附近达到最大值,50°N以北地区稳定在20000cm-3左右。22～24时得到的曲线比较多,整体变化特征为0°～10°N是一个变化的低值区,而30°～50°N呈现变化高值区,50°～70°N变化平稳,所有曲线分布在15000～25000cm-3范围内,70°N以上有个别突跳点,可能与极区存在的某些电磁扰动有关。2.2不稳定区域内两个5个月内的新能源形态变化图4中Ne在低纬度点有多个时段缺失比较严重,而30°N以北的数据比较全面,所以取30°N、40°N、50°N区作为分析对象,将图4中的各条数据分别在这3个纬度的观测值取平均,并按每小时划分,得到以上研究期间的平均时均值,结果示于图5。从图5中可以看到,不同纬度在10～14时的4个小时内变化形态类似,并且纬度越高Ne变化幅度越小,30°N和40°N在13时左右有个峰值变化,其中30°N最大,超过20000cm-3。从21时开始,40°N的Ne值整体增加到20000cm-3以上,而且在21时达到最大值,超过其他两个纬度上的Ne值大约10000cm-3,而另两个纬度上的Ne的变化值此时段内都稳定在15000～20000cm-3,同时白天平均变化幅度最大的30°N在夜间Ne变化幅度最小,低于两个在高纬度的变化值。比较两个时段,40°N和50°N两个纬度点在夜间的Ne变化幅度要明显高于白天,在30°N时基本持平。因此可知,Ne在不同的纬度呈现了各自不同的变化特点,在进行数据分析时必须针对不同时间、不同纬度区别对待,否则将导致错误判定。3升轨轨道与参考轨道数据的比较在数据分析和地震异常识别过程中最常使用的方法就是将相邻轨道的数据作对比,那么相邻轨道数据之间相关性到底如何?或者说相关性比较好的轨道之间最远能延伸到多大的范围呢?这对于划分未来研究区域的范围非常关键。因为每条轨道跨越不同的时空,即使它们所经过的纬度范围相同,每条轨道所飞行的距离和时间也很难完全一致,为便于数据的对比分析,将所有轨道数据归一化,即按每条轨道每隔0.5°个纬度取一个点,来模拟原来Ne的变化曲线,结果发现Ne的模拟曲线与其原始记录曲线的形态很相似(图6)。间隔采样数据能忠实反映原始记录曲线的变化特征,将所有轨道均照此处理,就得到一组在各纬度点上对齐的数据,这为数据对比提供了极大的便利。取6～20日期间磁情指数KP最小、记录轨道也最完整的6月12日的数据进行分析,这一天中最大KP指数仅为1,空间电磁环境非常平静。图7中给出了6月12日当天经过全球的所有升降轨轨道及相应的轨道时间(世界时),轨道1是这一天经过的第一条轨道,之后随着卫星飞行和地球的自转,轨道逐渐西移,箭头指示了轨道的移动方向。在升轨轨道中选取了轨道9与其他轨道做对比,在降轨轨道中选取了轨道2作为参考轨道,计算了它与各轨道在0°N～60°N之间的Ne数据的相关系数,右图中箭头指示的是参考轨道自身的相关系数为1的点。结果显示,升轨轨道中从第7轨道开始,数据呈现了明显的正相关,而且相关系数大于0.7,高相关性一直持续到最后一条即第14条轨道,这条轨道的经度已经位于360°E左右,与第9轨道相差100°以上。从轨道的记录来看,前面的5条轨道在1～8时之间,相当于北京时间的白天,而当卫星飞过第7条轨道时北京时间已开始进入夜间,因此数据的相关性差异应该与白天和夜间数据变化比较大有关。降轨轨道的相关性相对升轨轨道而言要差一些,与第2条轨道相邻的轨道只有2条轨道相关系数比较大,当经过1天时间再次接近轨道1时,有5条轨道又呈现了比较高的相关性。由此可以看出,在全球轨道中有大约一半的轨道与参考轨道有比较好的相关性,如果选取比较可靠的研究区域的话,还是以向东向西各取1～2条轨道间距(约为2000～4000km)为宜,这样无论在时间还是空间上都比较接近,以保证观测数据之间具比较高的相似性,可用于对比分析,或建立可靠的区域背景场。如果选择更大范围,在作统计分析时要注意区分地方时是白天还是夜间的轨道,或者做更细致的时间划分,才能保证结果的可信度。4不同中纬度的特征本文分析了夏季6月份地磁活动平静时期电离层660km高度中国大陆上空Ne的变化特征,并对轨道数据进行了相关性分析,发现了不同时间、不同轨道之间Ne变化的规律性,以及空间变化的复杂性,为分析提取与地震相关的异常信息提供了基础资料。总结以上研究结果,结论如下:(1)夏季中国大陆上空Ne有明显的日变化,不同地方时的Ne曲线形态差异很大,如北京时间00～02时与12～14时曲线的变化形态几近相反。(2)不同纬度的Ne具有不同的日变特征,低纬度(≤20°N)时最大值出现在地方时北京时间的10～12时,最大幅度可达60000cm-3,最低值出现时间因缺乏数据无法确定。(3)几个中纬度地区的日变形态对比发现,在目前的两个观测时段内,10～11时3个纬度区都呈现最小值,夜间Ne的平均变化幅度要高于白天;40°N地区日变化非常显著,日变幅度超过10000cm-3,且与低纬地区明显不同,其最大日值出现在北京时间21～22时;30°N的日变峰值出现在13～14时,日变幅度在5000cm-3左右;50°N与其他两个纬度区不同,基本没有明显的日变起伏,几