中高层大气远紫外(FUV)日辉辐射是由光电子和中高层大气碰撞激发产生的, 它包含了中高层大气中性成分(N₂, O₂, O, H)和温度等相关信息^{[1, 2, 3]}。 由于大气中臭氧对远紫外辐射吸收强烈而无法实现该波段的地面观测, 因此只能从空间对此波段进行观测。 通过全球范围观测, 可以获得丰富的中高层大气成分及电离层信息, 从而监测电离层状态, 建立电离层空间天气预报系统。 其中, N₂的LBH日辉辐射是较强的分子辐射波段, 从天基对此辐射进行观测, 可以获得中高层大气的氮分子和氧分子含量及光电子通量等信息, 还可以与135.6 nm波段结合, 获得中高层大气O/N₂的值^[4]。 Meier等通过非线性离散反演理论(DIT)的最大似然(maximum likelihood)方法, 利用临边扫描所得的N₂ LBH带138.3 nm谱线和OI 135.6 nm谱线数据对N₂, O₂, O浓度进行反演, 从而得到热层成分廓线信息^[5]。 Lumpe等利用SUSIM(Solar Ultraviolet Spectral Irradiance Monitor)仪器对144, 161和171 nm三条谱线强度所测临边数据, 反演得到了热层氧分子密度廓线^[6]。 另外, Hecht等提出了另一种方法, 利用O₂大气带(0, 0)跃迁765 nm谱线以及OI 630 nm谱线临边数据来获得140~180 km高度的氧分子密度廓线^[7]。 目前, 对大气氧分子的探测主要集中在其密度廓线, 但如果能获得中高层大气氧分子柱密度, 无疑有助于更全面地了解中高层大气氧分子变化。

在125.0~175.0 nm之间的氧分子Schumann-Runge(SR)连续谱对不同波段的N₂ LBH带有着不同的吸收特性, 对N₂ LBH短波带(LBH_S)的吸收作用较强, 而对N₂ LBH长波带(LBH_L)吸收作用较弱。 因此, 不同N₂ LBH波段柱辐射率的比值可以提供氧分子的浓度信息^{[8, 9]}。 本研究根据氧分子对不同LBH波段吸收特性的不同, 利用N₂ LBH_S和N₂ LBH_L柱辐射率比值来反演中高层大气氧分子柱密度。 通过对辐射传输模型的分析, 得到氧分子柱密度与ln(LBH_S/LBH_L)之间存在比例关系。 建立不同观测条件下, 氧分子柱密度与ln(LBH_S/LBH_L)转换值的插值表, 在此基础上, 根据探测的N₂ LBH_S和N₂ LBH_L柱辐射率比值得到大气氧分子柱密度。 最后, 通过模式模拟的方法对反演结果进行计算, 得到中高层大气氧分子柱密度反演误差, 进而验证了该方法的有效性。

电离层N₂ LBH带日辉辐射是由光电子和氮气分子碰撞激发产生的, 是电离层在远紫外辐射波段中最强的分子辐射之一。 其产生机制如式(1)所示, LBH带辐射是分子带状辐射, 是N₂由激发态(a¹Π _g)跃迁至基态(X¹ Σg+)而产生的, 其辐射大约覆盖从127~280 nm的光谱范围^{[8, 10]}。

N2(a1Πg)→N2(X1Σg+)+hν(LBH)(1)

从空间对N₂ LBH日辉的天底探测为视线方向(LOS)上的柱辐射率, 即此方向上各点的体辐射率与透过率的乘积沿路径上的积分。 N₂ LBH带的辐射传输过程主要受氧分子SR吸收带的影响, 而氮气分子自身的吸收作用可忽略不计。 根据Strickland等和Meier等提出的计算模型^{[4, 5]}, N₂ LBH带日辉辐射的柱辐射率为

4πILBH(λ, μ)=10-6∫zlzujLBH(z)fλe-tλ(z)/μdz/μ(2)tλ(z)=σO2abs(λ)∫zzuρO2(z)dz(3)

式(2)和式(3)中, z_u为辐射产生区域上边界, 即卫星高度; z_l为辐射产生区域下边界; μ 为观测角的余弦值(天底观测时为1); j_LBH为LBH带的总体辐射率; λ 为波长; f_λ 为j_LBH在波长λ 处所占比例; σO2abs为氧分子对LBH带波长处的吸收截面; t_λ (z)为氧分子对LBH带波长λ 处的吸收光学深度。

首先分析天底观测情况, 即μ =1。 氧分子SR连续谱对N₂ LBH带的吸收截面如图1所示^[11], 由图可见, 中高层大气氧分子对N₂ LBH_S带的吸收作用很强, 而对N₂ LBH_L带的吸收作用很弱。 根据此特性, 利用式(2)和式(3), 将N₂ LBH_S和N₂ LBH_L的柱辐射率相除, 可得式(4)

图1

Fig.1

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	图1 氧分子在N2 LBH带的吸收截面Fig.1 Cross section of absorption for molecule oxygen

Ajello等列出了f_LBH的实验室测量结果^[12], 根据此测量结果, 对在N₂ LBH_S(141.0~152.8 nm)和N₂ LBH_L(167.2~179.2 nm)波段的谱线求和, 可得这两波段占总的N₂ LBH带的辐射组分为 fLBHS=19.5%, fLBHL=12.3%。 然后对式(4)进行化简, 可得氧分子柱密度 NO2见式(5)

式(5)中, k是与f_LBH以及氧分子吸收截面相关的系数。 NO2为氧分子从海拔105 km到卫星高度处的积分柱密度。 利用N₂ LBH_S和N₂ LBH_L柱辐射率比值ln(LBH_S/LBH_L)反演中高层大气氧分子柱密度, 因此原则上, 氧分子积分初始高度应选在N₂ LBH带发射高度以上的区域。 N₂ LBH带的体发射率廓线如图2所示, 由图2可见, N₂ LBH辐射带从约90 km高度开始出现, 但强度非常小, 到约105 km高度以上时, N₂ LBH带的体发射率变得很强。 为统一将105 km定为氧分子积分的初始高度。

图2

Fig.2

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	图2 N2 LBH体发射率廓线Fig.2 N2 LBH volume emission rates profile

目前, 进行中高层大气气辉辐射传输模拟的通用模型只有大气紫外辐射传输模型AURIC(Atmosphere Ultraviolet Radiance Integrated Code)^[11]。 利用该模型对氧分子柱密度以及N₂ LBH_S和N₂ LBH_L柱辐射率进行计算, 进而研究它们之间的比值与氧气含量的关系。

首先, 考虑不同太阳天顶角(SZA)对反演的影响。 表1中A, B, C, D和E五组参数对应的太阳天顶角分别为1.88° , 28.13° , 38.13° , 48.13° 和58.14° 。 AURIC模型中分别输入表1中A, B, C, D和E五组参数, 来讨论五组参数时氧分子柱密度与ln(LBH_S/LBH_L)之间的关系。 各组参数的F_10.7和A_P都分别设为150和20。 观测角为天底方向。 其中氧分子柱密度的积分下限取为105 km, 积分上限取为800 km。 在每组参数条件下, 通过设置模式中的氧分子密度标定因子(Scale Factor), 使其在0.5~2.0范围内变化, 来获得不同氧分子柱密度时对应的ln(LBH_S/LBH_L)值。 计算结果如图3所示。 从图中可以看出, 在相同的氧分子柱密度下, 当太阳天顶角减小时, 即地方时间越来越接近于正午12点, N₂ LBH带的体辐射率不断增强, 但由于氧分子在LBH_S波段的吸收要比LBH_L强, 因此N₂ LBH_S与N₂ LBH_L柱辐射率的比值变小。 每一个氧分子柱密度的值由太阳天顶角和ln(LBH_S/LBH_L)共同确定, 所以通过建立氧分子柱密度和SZA, ln(LBH_S/LBH_L)之间的反演因子插值表, 就可以在已知观测量N₂ LBH_S和N₂ LBH_L柱辐射率以及相应太阳天顶角的情况下推算出中高层大气氧分子柱密度。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 AURIC模型输入参数 Table 1 Input parameters of AURIC model Parameters YYDDD UTSEC GLAT GLON A 92266 14400 0 120 B 92266 7200 0 120 C 92266 4800 0 120 D 92266 2400 0 120 E 92266 0 0 120

表1 AURIC模型输入参数 Table 1 Input parameters of AURIC model

图3

Fig.3

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	图3 不同太阳天顶角下氧分子柱密度与ln(LBHS/LBHL)关系Fig.3 Molecular oxygen column density vs. ln(LBHS/LBHL) in different SZA

不同卫星观测角(OZA)对反演曲线也有影响。 输入表1中的A组参数, 分别计算OZA在0° , 20° , 40° , 50.4° 和60° 下ln(LBH_S/LBH_L)和氧分子柱密度值, 结果如图4所示。 从图中可以看出, 观测角为0° 和20° 的反演曲线非常接近, 而观测角为40° 和60° 的反演曲线分层效应很明显。 随着观测角的增大, LOS方向上的积分路径越长, N₂ LBH辐射被氧分子吸收的越多, 但由于氧分子在LBH_S波段的吸收要比LBH_L强, 导致N₂ LBH_L与柱辐射率比值变小。 因此在反演算法中, 特别是观测角较大时, 也应该将OZA考虑到反演因子中。

图4

Fig.4

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	图4 不同卫星观测角下氧分子柱密度与ln(LBHS/LBHL)关系Fig.4 Molecular oxygen column density vs. ln(LBHS/LBHL) in different OZA

太阳活动的变化能够显著地影响中高层大气密度的高度分布情况, 特别是中高层大气中性成分(N₂, O, O₂)的密度分布情况, 从而影响远紫外日辉的高度分布情况。 在AURIC模型中, 通过改变F_10.7, 得到一系列氧分子柱密度、 N₂ LBH_S柱辐射率、 N₂ LBH_L柱辐射率以及ln(LBH_S/LBH_L)的值, 结果如图5所示。 从图5中蓝线可以看出, 氧分子柱密度随太阳活动的增强而减小。 其主要原因为当太阳活动增强时, 在海拔100~200 km区域, 更多的氧分子被分解, 从而导致氧分子柱密度变小。 当太阳活动增强时, N₂ LBH_S和N₂ LBH_L柱辐射率都将显著增强, 但N₂ LBH_S柱辐射率增强的幅度要大于N₂ LBH_L柱辐射率增强的幅度, 因为氧分子对N₂ LBH_S带的吸收较强, 而对N₂ LBH_L带的吸收较弱。 也即ln(LBH_S/LBH_L)将随着太阳活动的增强而变大, 如图5中红线所示。

图5

Fig.5

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	图5 氧分子柱密度及ln(LBHS/LBHL)与太阳活动关系Fig.5 Molecular oxygen column density and ln(LBHS/LBHL) vs. solar activity

由此, 需要考虑太阳活动对反演算法的影响。 输入表1中A组参数, 太阳活动参数分别设为100, 150, 200, 250, 300, 得到不同太阳活动状态下氧分子柱密度与ln(LBH_S/LBH_L)之间的关系, 计算结果如图6所示。 从图中可以看出, 氧分子柱密度反演曲线在不同的太阳活动情况下有比较明显的区别。 因此, 在利用N₂ LBH_S和N₂ LBH_L日辉辐射进行中高层大气氧分子柱密度反演时, 必须考虑太阳活动的影响。

图6

Fig.6

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	图6 不同太阳活动状态下氧分子柱密度与ln(LBHS/LBHL)关系Fig.6 Molecular oxygen column density vs.ln(LBHS/LBHL) of different solar activity

另外, 分析了不同地磁活动下, 氧分子柱密度与ln(LBH_S/LBH_L)之间的关系, 结果显示地磁活动对该反演几乎没有影响。

综上所述, 可以建立中高层大气氧分子柱密度在不同太阳活动、 卫星观测角(OZA)、 太阳天顶角(SZA)下的ln(LBH_S/LBH_L)与氧分子柱密度反演插值表。 利用此插值表, 可以在已知观测量 ILBHS, ILBHL及相应F_10.7, OZA, SZA的情况下获得中高层大气105 km高度以上的氧分子柱密度。

为了对该反演算法进行验证, 采用模式模拟的方法, 选取在不同年份、 不同经纬度、 不同卫星观测角下的18组AURIC模型参数, 如表2所示, 输入参数中的时间地点后, 记录此时的太阳天顶角SZA和太阳活动指数F_10.7。 分别将该18组参数的F_10.7, OZA, SZA值以及对应时空的 ILBHS, ILBHL输入到插值表中, 得到氧分子柱密度的反演值。 比较所得反演值和模拟真值的误差, 如表2所示, 反演误差都在10%以内, 误差可能是由于不同时空的氧分子廓线与计算插值表所用廓线的差异造成的。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 验证结果 Table 2 Validation results 序号 日期 时间 纬度 经度 SZA OZA F10.7 ln(LBHS/LBHL) 模拟真值 /(1017 cm-2) 反演值 /(1017 cm-2) 误差/% 1 92266 14400 0 120 1.88 40 112.3 0.302 2 4.366 4.585 5.03 2 92266 14400 0 90 28.12 40 112.3 0.310 6 4.333 4.333 0.02 3 92266 14400 0 60 58.12 40 112.3 0.349 1 3.897 3.898 0.03 4 92266 14400 30 120 30.11 40 112.3 0.312 8 3.966 4.304 8.53 5 92266 43200 40 0 40.23 0 112.3 0.341 3 3.865 4.200 8.67 6 92266 14400 60 120 60.08 40 112.3 0.349 8 3.467 3.742 7.95 7 92266 14400 60 90 63.89 40 112.3 0.357 1 3.257 3.134 3.77 8 92266 14400 0 120 1.88 0 112.3 0.328 5 4.366 4.350 0.37 9 92001 14400 0 60 63.32 0 240.3 0.379 8 3.041 2.910 4.31 10 96266 14400 0 120 1.88 40 69.1 0.291 8 4.898 4.929 0.63 11 96266 14400 0 90 28.12 40 69.1 0.297 3 4.867 4.878 0.23 12 96266 14400 0 60 58.12 0 69.1 0.361 8 4.384 4.380 0.01 13 96266 14400 30 120 30.12 40 69.1 0.299 7 4.413 4.718 6.91 14 96266 43200 20 20 29.47 0 69.1 0.331 6 4.275 4.297 0.51 15 96266 14400 30 60 62.82 40 69.1 0.348 1 3.879 3.802 1.99 16 96266 14400 60 90 63.9 40 69.1 0.349 1 3.565 3.728 4.57 17 96266 14400 0 120 1.88 0 69.1 0.318 9 4.898 4.969 1.46 18 98300 14400 0 80 37.86 0 101.8 0.344 4 4.296 4.156 3.26

表2 验证结果 Table 2 Validation results

N₂ LBH带的探测对于研究地球中高层大气非常重要, 通过它可以得到太阳极紫外通量、 O/N₂、 温度以及极区变化等相关信息^{[4, 13]}。 并提出利用N₂ LBH天底探测得到中高层大气氧分子柱密度信息的反演算法, 为中高层大气氧分子探测提供了一种新的途径。 氧分子对N₂ LBH_S带的吸收作用较强而对N₂ LBH_L带的吸收作用较弱, 根据此特性, 利用N₂ LBH_S和N₂ LBH_L柱辐射率比值对中高层大气氧分子柱密度进行反演, 可得氧分子柱密度与ln(LBH_S/LBH_L)值之间存在比例关系, 模拟计算表明, 反演时需要考虑太阳天顶角、 卫星观测角以及太阳活动的影响。 通过气辉模型计算得到一个用于估计氧气含量的插值表, 计算得到在不同氧分子柱密度、 不同太阳天顶角、 卫星观测角和太阳活动条件下的ln(LBH_S/LBH_L), 根据探测的ln(LBH_S/LBH_L)及相应的太阳天顶角、 卫星观测角和太阳活动指数, 进而拟合得到氧分子含量。 这是对中高层大气氧分子探测方法的一次新尝试, 用实测卫星数据对该方法进行检验是下一步要开展的工作。