原子与分子物理学报
JOURNAL OF ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS
第37卷第6期
2020年12月
Vol. 37 No. 6
Dec. 2020
doi : 10.19855/j.l000-0364.2020.066001
利用LBH 辐射图像数据反演大气O/)方法
丁广兴，陈波
(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春市130033)
摘 要：利用极光Lyman - Birge - Hopfield ( LBH )辐射图像数据可用来研究太阳风磁场与地球磁场耦合
、 亚暴与磁暴等过程，综合LBH 辐射图像数据和O 原子135. 6 nm 辐射数据可反演电离层氧原子与氮气分子
O/)比值分布，进而研究高层大气组分信息及电电层分布变化，对科学研究和空间天气预报具有重要意
义.本文给出了 LBH 辐射传输机理和和国自主研制的搭载在风云三号。星(FY-3D )上的广角极光成像 仪(Wide-field Auroral Imager , WAI )在轨获得广LBH 140 - 180 nm 波段极光辐射图像数据.结合大气紫
外辐射积分代码(Atmospherie Ultraviolet Radiance Inteerated Code , AURIC )计算 O135. 6 nm 辐射数据、LBH
辐射光谱以及MSISE00大气模型计计广0、)数据，给出了利用WAI 观测广LBH 辐射图像数据反演大气
0/)比值理论计算方法，该方法将为利用用国自主观测LBH 辐射数据和O135.6 n m 辐射数据开展空间信 息反演研究打下基础.
关键词：莱曼-伯奇-霍普菲尔德(LBH )辐射；广角极光成像仪(WAI )；电电层光度计(IPM )； 0/)
中图分类号：P352 文献标识码：A 文章编号：1000-0364(2020)06-0946 05
Calculation of the atmospheric O/J bad on the LBH radiation image data
DING Guve-Xing, CHEN Bo
(Changchun Institute of Ophcs , Fine Mechanics and Physics , Chine Academy of Sciences , Changchun 130033 , China )
Abstract : The aurorat LBH radiation image date can be ud te study the coupling process of solao wind mdgne-
ic fiat and eath maanetic fielt , substorm and maanetic storm. The ionospheric O/) ratio distribution can be re- trmid using LBH radiation imaae date and O135. 6 nm radiation date, and then the uppea 毗^^卩丘比 composi
tion information and ionospheric distriCution can be studied, which is of greai significance foa scientific reerch
diguand spaca weathea forecast. In this papea , the mechanism of LBH radiation transmission and the date of LBH 140
-
180 nm auroral radiation irndge obtained by Chine lf 一 developed wide 一 Oeld auroral imageg ( WAI ) mounted on FY - 3D a ro prented. Combined with tte O135. 6 nm radiation date calculated by AURIC, LBHS radiation spectrum and O , ) date calculated by MSISE00 atmospheric model , the theoretical calculation mettod
of tmospheic O/) ratio inversion using LBH radiation image date obrved by WAI is given. This metiod will lay a foundation foa spatial information inversion reerch using LBH radiation date and O135. 6 nm radiation date
obrved by Chine instruments.
Key worit : Lyman - Birae - Hopfield ( LBH ) radiation ； Wide - field Aueal Imaaea ( WAI ) ； Ionospheric
Photometea (IPM) , O/N?
收稿日期：2020-07-03
基金项目：国家自然科学基金"U1531106)
作者简介：丁广兴(1991—)#男，山东聊城市人#博士，助理研究员，主要研究领域为空间观测数据反演计及空间物理现象研究. 通讯作者：陈波(1961—)#男#吉林长春市人#博士#研究员#主要从事X 射线-极紫外-远紫外空间短波光学遥感技术研究.
E-mat ： chenb@ciomp. ac. cn
第6期丁广兴，等：利用LBH辐射图像数据反演大气0/N*方法947
1引言
极光LBH辐射是太阳风携带能量粒子沿地球磁力线沉降进入极区高层大气并与高层大气中的N分子碰撞激发产生，中低纬度电离层LBH辐射与0135.6nm辐射是太阳短波辐射电离高层大气产生的光电子碰撞激发高层大气中的N分子与0原子产生[1，2].通常极光卵位置介于磁纬65。与75。之间，但在磁暴或亚暴发生时，极光会向夜侧低纬度偏移.从空间对极光成像可以提供沉降粒子的时空分布信息，推断出沉降粒子碰于磁层位置，进而研究磁层能量传输过程[3,4].综合利用空间LBH观测图像数据和0135.6nm观测数据反演电离层0/N*比值，研究高层大气中粒子组分变化等问题.
针对极光与电离层的空间遥感观测已经发展了40余年，在此期间，多种成像相机及光谱仪(工作在X射线波段、远紫外波段、可见光波段)发射升空用于研究极光电离层现象，这些仪器大致可分为两类.第
一类仪器属于运行在极轨椭圆轨道上的多光谱相机，如在DE-1卫星上的极光扫描相机(SAI)[5]，IMAGE卫星上的宽带成像相机(WIC)和光谱成像仪(SI)[6]，Polar卫星上的紫外相机(UVI)[7]等等.这些仪器工作在远紫外波段，对极光某些特征谱段(H121.6n叫0130.4 nm，0135.6nm和)LBH)进行成像观测.由于卫星轨道和仪器设计的原因，这些仪器只能在远地点获得相对较大但分辨率较低的极光图像.另一类仪器搭载在低轨道高度卫星上，能够获得较高分辨率的极光图像，但观测视场的限制使得无法瞬时获得极光全貌，例如TIMED卫星上的GU-VI和DMSP系列卫星上的SSUSC，9/.综合上述两类仪器的特点，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制出的大视场(130。0130。)高分辨率极光观测设备一广角极光成像仪(WAI)，用于监测极光动态变化，研究磁层动力学过程.
极光形态往往被认为是电离层-磁层系统的投影，在过去的十年中，利用空间极光观测数据，研究学者发现了许多极光的大尺度结构，对磁层中的物理化学过程有更深入的理解[10，11].远紫外波段极光辐射与日辉辐射遥感观测数据可用来反演计算多种重要空间物理参数，如电离层0/N*比值、极光边界位置、有效沉降电子通量、电子平均能量和电离层电导率等等[1-4].电离层0/N*比对大气组分变化极其敏感，该比值反应了大气内部加热等动力学过程[12，13].当太阳风暴来临时，太阳风携带的大量能量粒子轰击地球大气层，产生的焦耳加热和高能粒子沉降会导致大气温度升高和大气0/N*比值下降，这是由于该过程中0原子含量将减小而N*分子数量相对稳定导致的，所提0/N*比值通常被用作监测热层扰动的指标.此外，0/N*比值的变化也与电离层F层峰值电子密度和总电子密度含量有关[I4]-许多研究表
小学语文教研工作计划明，综合利用空间观测0135.6nm辐射数据和LBH辐射数据可反演计算电离层0/N*比值[15，16]-参考AURIC计算LBH辐射光谱结果，本文最后给出了利用WAI观测的LBH辐射图像数据反演大气0/ N*比值理论计算方法.
2LBH辐射传输机理
N*LBH辐射是分子带状辐射，覆盖远紫外波段127nm处至中紫外波段240nm处的光谱范围.如式⑴所示，该辐射是N由激发态(-<)至基态(05_)的辐射跃迁而产生，此为电偶极禁止跃迁.由选择定则可知，在这两个态之间可可发生的是电四极矩跃迁和磁偶极矩跃迁.实际上，在分子光谱中最先被观测到的是电四极矩跃迁贡献的LBH带.每个LBH带由"0,P,Q,R,S)五个分支组成，其中"P,Q,R)三个分支是由磁偶极矩跃迁和电四极矩跃迁混合组成的，对应于0=-1,0,1；其余两个分支(0,S)则为纯电四极矩跃迁，对应于0=-2, 2.
N*((<)"N(015i')+5(LBH)(1)
每个LBH带的辐射强度的计算需要实验室测量的原子物理参数，其中关于基态(05_)的测量数据由Loftus与Krupenie整理[17]，而激发态(-<)的测量数据是由Vanderslice等人整理[18]-LBH带的体辐射速率人可通过式⑵来计算
V(z)=/!•/(Z)(2)式中，人表示某个LBH带占总的LBH带系的辐射组分，V z表示海拔高度z处于-比态氮气分子的产生速率.对于E勺值，计算可采用Ajelif与Shemansky的实验室测量结果[19].处于—态的氮气分子的产生速率Z，可采用电子碰撞直接激发理论来计算，其值等于1因子与氮气分子密度的乘积，如式(3)和(4)所示
认Z)=*2(Z)41(Z)(3)
948原子与分子物理学报第37卷
f^nax
1(z)=I4(E,z)・#9(E$%E(4)
J e+
上式中，4(E,z代表海拔高度Z处的电子通量, #9(E)表示态的激发截面，E表示态的激发势能阈值，E na表示所考虑的电子能量的上限.
从空间对LBH辐射进行观测，观测量为LBH 柱辐射率•某一观测视线LOS方向的柱辐射率D等于此方向上各点处的体辐射率与一个光子由发射点处传输至观测点处而不被散射的几率的乘积沿该方向的积分，可通过下式来计算(单位为Rayleigh)
D s-$I Z・exp(-：)dz/6(5)
：二#oI(入)・I P，2(Zdz T(6)式中，O表示辐射产生区域的下边界；O表示辐射产生区域的上边界;"表示观测角的余弦值，即6=cos0，观测角3的定义如图1所示，即观测视线LOS方向与当地天底方向之间的夹角；人表示某个波长的体辐射率；：表示氧气分子对某个LBH波长吸收的光学厚度；曲表示氧气分子对某
Fig.1Definition of linx of sight and obr
vation angle of space obrvation in
strument
LBH带光子的辐射传输过程主要考虑的是氧气分子的吸收效应，而忽略氮气分子自身的吸收作用，即氮气分子对于LBH带光子是“光学薄”的.因此LBH带光子的散射几率可通过计算氧气分子的吸收光学厚度来解决，氧气分子的吸收截面数据参考文章.2+/.
3WAI观测LBH极光辐射
WAI在国内外首次实现通过观测)LBH带辐射对极光和电离层进行大视场、高分辨率成像. WAI观测波段
为140nm-180nm，成像仪由两个相同的成像镜头组成，每-个成像镜头的瞬时观测视场为68。010。，其中68。为跨轨方向，10。为沿轨方向.两个镜头拼接从而使瞬时视场达到130。o10。，通过机身转动结构，在2min时间内实现对极区130。o130。扫描成像•每个光学镜头均由一套离轴四反光学系统、氟化化滤光片和一个光子计数成像探测器组成•在110gm的参考观测高度上，WAI的星下点分辨率为10gm，两个探测头部的灵敏度均大于0.01counts/s/Rayleigh/ pixel，从而保证了无论是在亚暴发生还是磁暴发生过程中，成像仪能够观测到极光的边界以及内部精细结构.21/.截至目前，WAI在轨成功工作并下传积累了大量极光与电离层观测数据，其观测极光图像如图2所示.
图2WAI在2018年5月5日20点44分观测到的南半球极光图像.由图可以得出，WAI在跨
轨方向瞬时可观测范围达5000km.
Fig.2The aurorai image in southern hemisphere was
obrved by WAI at20:44on May5，2018.
lWA6ge
5000km in the cross orbit direction
4O/N#比计算
单独利用高纬度WAI观测极光数据可用来研究极光动力学过程，综合WAI观测的中低纬度LBH辐射数据与空间观测的O135.6nm辐射数据，可以反演电离层O/)柱密度比.Meiee和Anderson给出了远紫外波段O和)日辉辐射谱线的系统研究，Strickland给出了O(5S)135.6nm 和)(-<)LBH辐射谱线柱密度计算公式如下.12/(单位：Rayleigh
)
第6期丁广兴，等：利用LVH 辐射图像数据反演大气0/N *方法949
4 /011356 (6$ = 10 "6 + J 011356 " J J ( S #6)e )(
J z l
(7)
4/1 L BH (入,#6$ 二 10 "6 +V *(
dz/T
(8)
式中，訂和分别表示辐射产生区域的上下边界,
是观测角的余弦值，入表示光谱波长，办是体辐
射率V *在波长入处占的组分，丿01135.6是包含复合
散射效应在内的总的体辐射率，：(/表示在波 长入处0*吸收光学深度，T (/表示0原子自吸
收方程.参考Strickland 等人的研究.12/，0/N*柱
密度比值的理论方程可由公公(9)给出
J f 0( K t )
,
00356
N j
~0 —
2 [
(9 $
8BH
f f 2
( N t
) %N
t
山
n t
式中，N j 表7K 总的垂直柱密度.公式"9 )表明,
0/N 柱密度比值与0135.6/LBH 比值成线性关
系.图3是利用AURIC 算法计算的电离层中低纬 度120 -240 nm 波段辐射光谱，图中蓝色实线标
注的是0135. 6 nm 谱线，橘色实线之间谱线表示 的是LBH 140 -180 nm 辐射谱线.20/.图4是利用
AURIC 算法模拟计算的2018年5月5日和2018
年6月22日两天中0135.6 nm 辐射强度与LBH 140 - 180 nm 辐射强度比值与MSISE00大气模型
计算的大气0与N 比值关系图.图中数据显示
0135.6 nm/LBH 与0/%之间存在高的线性相关
关系•红色实线代表了 0135. 6 nm/LBH 与0/N
的线性拟合，拟合公式如式(10)所示.
0/N 2 二 2. 305 x 0135. 6/LBH WAI - 0. 165
(10)
该公式给出了利用WAI 观测LBH 辐射图像
数据计算大气0/N 比值的计算方法•
5结论
本文给出了 N LBH 波段辐射产生及传输理
论计算公式与WAI 在轨获得的极光LBH 波段辐
射图像.结合AURIC 模拟计算的0135. 6 nm 辐射 数据、LBH 140 - 180 nm 辐射数据以及MSISE00 大气模型计算的0、N 数据，给出了利用WAI 观
测图像数据反演大气0/N 比值的计算方法，理论
分析表明，该方法反演出的0/N 比与大气模型计
算的0/N 比线性相关性为0.989.在FY-3D 卫
星上搭载WAI 和电离层光度计(I PM )两台仪器,
1200 1400
1600 1800 2000
2200 2400
Wavelength (A)
I
LBH
-i
图3 AURIC 算法计算的电离层中低纬度120 -240nm 波段辐射光谱，蓝色实线标注的是 0135. 6nm 谱线，橘色实线之间谱线表示的 是LBH 140 - 180nm 辐射谱线.
Fig. 3 The 0135. 6nm spectral line marked by blueright是什么意思
solid line and the LBH 140 一 180nm spectral
lines marked by orange solid lines ara calculat
ed by AURIC algorithm.
8
£
4.2
.O
Q l e cr z 1、° 1
.8
£
CC=0.989
0.3
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
0.9
AURIC O135.6/LBH 140_180nm
图4 0135. 6nm 谱线辐射强度与LBH 140 - 180nm
辐射谱线强度比值与MSISE00大气模型计算 的大气0与)比值关系图•两类数据拥有高
的线性相关系数CC= 0.989，红色实线表示 两类数据的线性拟合，拟合公式为0/N *二
2. 305 x 0135. 6/LBH 140_180nm - 0. 165.
Fig. 4 The relationship between the ratio of 0135. 6nm
to LBH 140 - 180nm intensity and the atmos-
pheria 0/N * calculated by MSISE00 atmosphea- ia model. The too date have a high lineaa coa- relation coefficient CC 二 0. 989. The red solid
line indicates the lineaa fitting of the too date ,
the formull ie 0/N * 二 2.305 x 0135.6/
950原子与分子物理学报第37卷
可以同时监测全球极光、电离层图像和0135.6 nm辐射，但是IPM仅观测到卫星星下点处不同地理位置点的0135.6nm辐射亮度分布，而WAP 拍摄到的是全球140-180nm波段内的图像分布.在后续的WAP和
IPM观测数据反演大气O/N*比值中，拟根据星上观测视线采用插值的方法来计算全球大气O/N*比，获得全球O/N*比高分辨率分布•
致谢：针对文中研究所用到的数据，作者们特此感谢中国国家气象局气象卫星中心提供的FY-3DWAI观测数据，感谢美国计算物理实验室提供的AURIP算法.感谢中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间一部极紫外研究室各位同事在文章写作期间给予的指导和帮助.
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