2020年12月14日南美日全食期间的电离层扰动由智利GPS眼球揭示

日食总是让人类着迷，并且仍然是许多突破性发现的关键，因此仍然吸引着科学界寻找与日食有关的发现。日蚀的电离层效应现在是一个被广泛研究的现象，在一些出版物中很明显^{1，2，3.，4，5，6}．此外，众所周知，日食的效果因日食的位置、季节、大气区域、发生时间、持续时间、类型(日偏食、日环食和日全食)而有所不同。因此，它对无线电/电离层科学界仍然具有吸引力。

日食为研究热层/电离层的响应提供了一个机会，这是由于月亮完全堵塞太阳圆盘而导致太阳电离辐射对夜间值的突然减少。因此，最初的重点是研究日蚀引起的电离层的光离和损失过程^7，8．在Hines对大气重力波(AGWs)的详细描述之后⁹以及Chimonas和Hines的后续工作²，这表明日食可能是agw的来源。由Chimonas和Hines提出的详细理论²是基于月球阴影的超音速扫过地球，并在大气中形成一个极好的位置。这种快速移动的阴影在温度和电离通量上产生了强烈的梯度，并以agw的形式在大气中产生了非平衡状态。此外，Fritts和Luo提出了另一种理论¹⁰的研究表明，日食引起的臭氧加热在平流层中造成了扰动，这种扰动可能向上传播，并引起对热层-电离层系统的扰动。进一步的后续工作提出了日食期间电离层高度波动产生和增强的许多不同机制¹¹，还有当地的条件，如当地时间，背景风¹²，地形可能影响agw的传播¹³并且会在日食期间引起电离层电子密度的显著变化。然而，由于不同的日食会产生不同的等离子体运动，日食观测的结果并不确定。的确，每次日食的旅行锥几何形状及其对磁化等离子体的角度影响都是不同的。

随着无线电遥感技术的发展，现在有可能在一个大的地理区域内连续监测日食对电离层的影响。GPS总电子含量是日食期间电离层变化连续监测中应用最广泛、性价比最高的工具之一^{14，15，16，17，18}．当GPS信号(伪距和载波相位)穿过电离层时，由于其与等离子体相互作用的色散特性而延迟。GPS信号在电离层中的传播延时与TEC成正比。一些作者已经报道了与日食相关的TEC的减少^15，17，19．乔纳等人。¹⁹利用GPS TEC信号研究了2019年7月2日南美洲电离层的日全食效应，并报告了沿日全食路径和赤道异常区以南~ 35%的TEC抑制。Afraimovich等人。¹⁵分析了1997年3月9日日全食的gps测得的TEC，观测到TEC下降~ 1-3个TEC单位。Kumar Vijay等人。¹⁷分析了2009年7月22日日全食的GPS TEC数据，报告了最大日全食期间电子密度下降了43%。除了日食期间TEC的变化外，最近的一些研究工作使用GPS导出的TEC信号来研究沿全食路径和贯穿全食路径的日食变化，并报告了日食期间agw的产生对电离层TEC变化的影响^{9，12，18，20.}．

Maurya等人最近的研究。¹²关于2019年日全食(从这里开始称为TSE2019)展示了2019年7月2日在南美地区发生日全食期间产生的agw的有趣特征。他们分析了位于全食路径上的24个GPS站点的TEC信号，观察到位于全食路径南部的GPS站点在日食当天的TEC比未受干扰的日子有所下降，而位于全食路径北部的GPS站点的TEC则有所增加。他们认为，日食期间位于日全食以北的GPS站点的TEC增加可能是由于直接日食对电离层等离子体密度的影响和日食产生的AGWs引起的等离子体密度扰动之间的相互作用，这是由日食在这些GPS站点上产生的强烈AGWs所支持的。

2020年12月14日的日全食(从这里开始称为TSE2020)发生在南美地区。据报道，最大日食星等约1.0254，在阿根廷可见到最大日全食约2分10秒。在南太平洋、南美洲南部和南大西洋地区都能看到日全食。这次日偏食在智利、秘鲁、玻利维亚、厄瓜多尔、巴拉圭、乌拉圭和巴西等更广泛的地区都能看到。有关这次日食的详情，请浏览网页(https://eclipse.gsfc.nasa.gov/SEgoogle/SEgoogle2001/SE2020Dec14Tgoogle.html)．在智利上空，日全食在萨维德拉港(西经73.3987°，南纬38.7837°)登陆，并穿过Araucanía和Los Ríos地区的部分地区。智利当地时间11:59:57.4到12:01:59.9 (CLT = UTC-4:00:00)日全食从东南向西北移动。然而，日偏食持续时间要长得多，从10:38:32.2 CLT到13:28:18.6 CLT，大约2小时49分46.4秒。作为参考，2020年12月14日智利Temuco市(处于全食路径)的日出和日落时间分别为06:19和21:11。因此，日食发生在上午到下午早些时候，智利地区的最大日食发生在中午。这项工作的主要目的是了解日蚀产生的agw在修改电离层电子密度中的重要作用。TSE2019的结果显示，由于直接日食效应和日食产生的agw之间的相互作用，位于全食线以北的地点的TEC值增加。我们从位于全食路径南北两侧的智利GPS眼球网中选择了类似配置的GPS站点，并评估了背景条件，以更好地了解agw的传播。

TSE2020的详细信息如图所示。1及其子剖面(A、B和C)。地面的日食情况如图所示。1作为彩色编码100%至70%的日食遮蔽。地面上的日全食路径中心线以黑色显示。中央日全食线在地面的整体路径如图所示。1a .图中350公里高度的日全食路径用一条连续的绿线表示。1答:日食的全球路径是从南太平洋、南美洲南部和南大西洋地区开始的。我们总共使用了24个GPS站点，这些站点位于日全食以及日全食线两侧高达80%的太阳遮蔽处。为了与TSE2019的结果进行比较，并验证TSE2020的TEC是否增强，我们分析了12个额外的GPS站点，6个GPS站点位于全食的北部，6个GPS站点位于全食的南部。这些结果在补充信息中提供(见图。S1，S2，S3、表S1)，从而覆盖日全食两侧约50%的遮阳部分。在350千米高度的电离层刺穿点(IPP)上，日全食路径上有2个GPS站点PECL和LNQM，用橙色填充圈表示(如图所示)。1和表1)，全食以南的10个站点(IMCH、CRRH、pll、CURR、OSOR、PTRO、MUER、LNCM、QLLN和TPYU)用绿色填充圈表示，全食以北的12个GPS站点(RCSD、PCMU、SBLL、ILOC、CONS、SJAV、PELL、VITA、CLL1、HLPN、PLVP和UDEC)用蓝色填充圈表示。红色填充圈所示的12个GPS站点(全食线两侧各6个站点)作为补充信息(图2)S3)．有关GPS站点和地面日食情况的详细信息见表1．此外，由于日食效应随高度的变化而变化，而GPS TEC对F区域~ 350 km高度贡献较大，因此我们也采用Verhulst等人建议的方法估算了350 km电离层高度的日食情况。²¹并以绿色线表示(全食中心线为纯绿色线，全食北、南极限线和90%遮蔽线为虚线)。

目前工作中使用的GPS数据来自智利Sismológico国家中心(CSN)的持续运行和管理。GPS接收机以不同的采样率采集L1 (1575.42 MHz)和L2 (1227.60 MHz)的双频信号。从每个接收机获得的数据采用接收机独立交换格式(RINEX)，并按TEC格式处理，所有站点的采样率统一为30秒。格式转换采用GPS_GOPI软件(http://seemala.blogspot.com/2017/09/gps-tec-program-ver-295.html)，利用差分码偏差(DCBs)文件(从ftp://ftp.aiub.unibe.ch/CODE/)，利用卫星仰角和方位角的Rinex观测文件获得TEC参数^22，23．VTEC是利用映射函数根据视距TEC (STEC)值估计的，并与IPP经纬度相关联，假设电离层在电离层峰值高度350公里处被压缩成薄壳单层电离层模型(SLIM)²⁴．

在日食日(2020年12月14日)以及日食日之前和之后(2020年12月13日，15日)记录的GPS TEC数据在本工作中使用的是UTC时间14:00:00到18:00:00。数据经过过滤，只包括仰角为> 20的所有卫星的信号^ο避免多径干扰、高层建筑或高大树木引起的噪音等。两个伪随机数(prn)。根据PRN29和PRN31的路径、仰角和持续时间，选择它们进行日食分析。为了避免多径等信号衍射现象，在日食前后和高程范围内有较长的卫星覆盖时间是很重要的。PRN29和PRN31在IPPs的路径细节根据仰角(以度为单位)进行彩色编码，如图所示。1分别是B和C。两个无花果上的红色箭头。(1B和1C)为卫星传播方向。

本工作利用了每个GPS站点三天的VTEC数据。这三天包括日食日(2020年12月14日)、日食前一天(2020年12月13日)和日食后一天(2020年12月15日)。两种prn(29和31)的结果如图所示。2分别是A和B。数字2A和B显示了VTEC变化作为平均时间的函数(蓝线，使用两天(2020年12月13日和15日，VTEC数据)和日食日(红线)估算，并为每个GPS站点绘制。每个图显示了4小时的持续时间(即14-18 UTC)，这对应于该地区的日食持续时间。每个子图上的灰色虚线表示最大日食时间，灰色虚线表示日食的开始和结束。图中各子图的GPS位置。2A和B是根据350公里高度的日食遮蔽百分比进行颜色编码的。全食GPS站点(PECL和LNQM)以橙色显示，而遮挡度< 90%且位于全食以北的GPS站点以蓝色显示。位于全食线以南且遮挡< 90%的GPS站点以绿色显示。

12月是南半球的夏季，白天长约1.5小时。如表所示1，即所有GPS站点的日食时间约为~ 14.50 UTC - 17.50 UTC，对应于~ 10.50 CLT - 13.50 CLT。这个时间接近智利GPS站点的当地午时，这为研究电离高峰期间日全食效应中的电离层扰动提供了机会。PRN29的VTEC时间序列变化显示了最大日食时间和日食当天VTEC最大下降之间的时间差。在GPS站点上，最大的下降发生在最大日食后平均30分钟左右(表2)1)．PECL和LNQM的GPS全食滞后时间分别为40分钟和35分钟。随着人们在全食路径的北部和南部移动，时间滞后减少，而且，位于全食路径南部的GPS站点的时间滞后相对较低(~ 20-25分钟)，而位于全食路径北部的GPS站点的时间滞后(~ 30分钟)。对于PRN31, VTEC最大日食和最大减少的时间几乎与少数GPS站点重合。例如，全食GPS站点PECL和LNQM的时滞估计为~ 11分钟和1分钟。因此，目前的结果进一步验证了延迟(时滞)，这在以前的许多工作中都有很好的报道^16，17．为了可视化24个GPS站点的VTEC明显降低，我们在图中提供了绝对VTEC的时间序列。3.．在3天内:食日(DOY, 349)、食日前(DOY, 348)和食后(DOY, 350)的最大食时，即表中所述1对PRN29和PRN31都有效。prn和3天的TEC值均呈现由北向南递减的趋势。数字3.说明背景TEC值在全食路径的北部高于南部。平均而言，在日食的北部，背景TEC变化在15到20 TECU之间，而在南部，两个prn的背景TEC变化在10到15 TECU之间。在日食日，两个prn均显示绝对TEC值(见图)。3.A和C，棕色线)与正常日值相比。有趣的是，在日食当天，全食以北的GPS站点的绝对TEC值再次高于全食以南的GPS站点。从南到北，PRN29和PRN31的VTEC降低幅度分别为2 ~ 6 TECU和4 ~ 8 TECU。因此，位于全食路径以北的站点TEC值较高，很可能与这些站点的低纬度有关。此外，还估算了两种prn在日食当天相对于两天平均值的TEC下降百分比，如图所示。3.B和D. PRN29沿日食路径经过的趋势线显示，在全食点最大程度地减少(~ 35%)，而在全食线两侧减少了~ 20%。PRN31垂直于日食路径通过时，也观察到类似的趋势，但在全食点最大减少~ 40%，而在两端减少~ 30%。因此，PRN31的TEC下降幅度大于PRN29，这可能与卫星路径和日全食路径的几何形状有关。如上所述，对于PRN29，卫星路径沿日全食路径，观测到的日全食效应几乎不变，持续时间较长;而对于PRN31，卫星路径穿过日全食路径，观测到的日全食效应变化较大，持续时间较短。如上所述，两个prn在每个地点的TEC最大减少时间和最大日食时间也支持这一点。

南美洲的TSE2020提供了一个难得的机会来研究日食产生的agw对电离层等离子体密度的改变的重要作用。TSE2020对电离层影响的主要观测特征是:PRNs 29和31日全食路径两侧站点的VTEC比日全食日平均值降低;即使在日食当天，两个prn的日全食以北的VTEC值也高于日全食以南;日食当天，位于日全食以北的GPS站点VTEC值较日全食以南波动较大;VTEC降幅在接近全食点处最大，在全食线两侧均有减小;与PRN29相比，PRN31的VTEC百分比下降幅度相对较高。在350 km高度的全食区PECL和LNQM站点，相对于PRN29和PRN31的未扰动VTEC值，日食期间VTEC分别降低了~ 6.0-6.4 TECU和~ 4.0-8.0 TECU。

在研究日食对电离层的影响之前，有必要确定空间天气(太阳耀斑和地磁暴)条件，这些条件是VTEC变率的重要贡献者^25，26．我们已经从https://www.spaceweatherlive.com/发现在2020年12月14日14时37分(UTC)发生了一次小型太阳耀斑C4.03，最大值为C级耀斑，发生在日食之前，因此对TEC没有显著影响。地磁数据可从日本京都的全球数据中心(http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/)．我们已经检查了三个小时行星K指数(K_p)和扰动风暴时间指数(Dst)为2020年12月13日至15日三天的地磁活动提供了条件。最大K_p2020年12月13日，03 UT期间指数为+ 3。最小夏令时在UTC时间13日07时为-13nT^th2020年12月。这些值显示安静的地磁条件。因此，在2020年12月13日至15日的分析期间，没有磁层输入。

基于日蚀对电离层等离子体密度的影响与日蚀产生的agw之间的相互作用，解释了TSE2019期间观测到的特殊特征，日蚀产生的agw在背景风的支持下向北传播。因此，TSE2019的结果表明，日食产生的agw和背景风在影响电离层等离子体方面发挥了重要作用。在目前的工作中，我们正在回顾日食引起的agw的作用及其对电离层的影响，以解释观测结果。为了看到agw的存在，我们使用Morlet小波分析技术分析了VTEC数据，就像之前许多工作中讨论的那样^4，27，28也用于Maurya等人。¹²．我们对prn29和PRN31的12个GPS站点进行了小波分析。GPS站点的选择以这样一种方式覆盖站点，以达到80%的日食遮蔽。小波分析结果如图所示。4A和B分别用于prn 29和31。对于分析，首先，我们过滤了大于2小时的波动，以看到由日食引起的高频波动。对于滤波后的时间序列，我们对从南到北的站点进行Morlet小波分析。在无花果。4，显示了日全食区GPS站点参照绿色实线(PECl, LNQM)、偏食区(CRRH, CURR, MUER, QLLN和TYPU < 90%日食遮蔽)和极南极北GPS站点(RCSD, PCMU CONS, VITA和PLVP < 90%日食遮蔽)的小波分析。从图中可以看出。4A，对于PRN29，沿着GPS站点的日食路径移动，感知到清晰的AGWs特征，周期为~ 30-60 min。日全食站点AGWs强度非常弱，而远离日全食站点AGWs强度较强。这是因为波幅在远离源区的地方增大。此外，在日全食线的北部和南部，强度也非常弱。此外，相对于日全食线以南的GPS站点，位于日全食线以北的GPS站点的agw强度相对较强。如图所示。4B对于PRN31，穿过GPS站点的日食路径，在不同GPS站点的AGWs扰动与PRN29相似，但强度非常弱。两个prn在不同GPS站点的agw表现出相似的周期(~ 30-60 min)，除了远离全食的站点的波浪强度更强，这表明这些波浪来自同一来源，即日食。正如Somsikov所说²⁹，由日食产生的agw以波的形式传播，远离全食路径。此外，在日全食以北的地点和PRN29沿日食路径移动的地方，agw的振幅更高。因此，我们推测，背景条件可能支持agw向北传播并沿着日食路径传播。

正如之前的许多作品所暗示的那样^{12，30.，31}背景风和垂直切变水平风影响agw的传播。高层大气的观测报告还表明，agw的水平传播往往表明与背景风向水平或垂直。南北方AGWs振幅的对比特征(图2)。4)可以通过了解这些背景条件和水平风的垂直切变来解释。在这里，我们首先展示了与中间层和平流层相关的背景风的垂直切变(图2)。5A,B) 2020年12月14日日食。以前对日食产生的agw的研究表明，源也可能在平流层^2，3.，4．因此，了解水平风方向的变化很重要。数字5A和B表示日食当天的风切变强度和方向。由于日食时间在14-17 UTC期间，我们使用6小时的ERA5数据显示了12 UTC和18 UTC期间的风切变。该数据来自欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析5产品ECMWF³²，可从以下连结下载(https://cds.climate.copernicus.eu/)．在日全食区，在中间层和平流层之间存在强烈的风切变。350公里高度的日全食也用“实线”表示。这表明，在日食中心区域，东风从平流层到中间层高度逐渐增加。而日全食的南北，风切变强度没有太大变化。因此，南北对比可能与垂直风切变没有显著的联系。另一个引起日全食南北方AGWs振幅对比强度的原因可能与水平风的经向切变有关。

过去的一些研究讨论了由于背景风导致的agw滤波的作用，即重力波的方向滤波³³．垂直切变风的影响是众所周知的，但变化的水平风对agw传播的影响尚不清楚^30.．模拟研究指出，agw的水平反射通过经向切变纬向风传播³⁴．如果超过临界反射点，经向切变风不强，则agw将部分传播。当波浪的传播方向与背景风向相似时，波浪将动量传递到背景气流中，波浪能量会减小并最终消失。相反方向移动的波浪从背景风中获得动量。此外，还注意到垂直于风移动的波不受流的影响^30.，35．因此，我们进一步显示了ERA5再分析在中间层高度的背景流。这是来自再分析产品的最高高度，它将给出更真实的大气风。数字5C、D分别为80 km左右风速和风向的空间分布。需要注意的是，从风向上看，日全食区位于偏北和偏南。在日全食的北侧，我们可以看到强烈的东南风，而在南侧，东南风在12点至18世界时盛行。这表明在日食路径的北部和南部的盛行风向发生了变化。因此，agw向北传播的概率高于向南传播的概率。这是因为agw的传播方向可以或多或少地与船头波有关，如船舶尾迹³⁶．考虑到图中所示的日食路径，这个波的方向。5A和B可能垂直于背景风向。因此，我们在这里推测，波的方向与北侧的垂直程度要大于南侧，并且当波沿日食路径向北传播时，受到的影响相对较小，这支持了目前在全食以北的地点和PRN29观测到的相对高振幅的agw。然而，需要更详细的建模研究来进一步确认风向和日食产生的agw的作用。这将进一步支持我们讨论来自日食路径的agw振幅的南北差异的论点。

TSE2019和TSE2020对电离层等离子体密度影响的比较

两次日食(TSE2019和TSE2020)发生在几乎相似的地理位置和地磁条件下，因此，为比较它们对电离层等离子体密度的影响提供了独特的机会。TSE2019的主要观测结果是VTEC变化的奇特特征，显示位于中央日全食线以北的GPS站点在日食当天的VTEC比正常日增加。位于日全食线以南的地点显示出正常的日食效应，即与正常日相比，日全食日的VTEC下降。在本例中，日食当天的VTEC呈现正常变化，即与位于全食路径两侧的GPS站点的平均值相比，VTEC值有所下降。TSE2020年的背景风分析结果表明，日食期间盛行东南风，而在TSE2019年，发现西南风突出。因此，两次日食期间的背景风向均支持agw向北传播。虽然我们在TSE2020期间确实观察到位于日全食线以北的地点有更强的振幅AGWs，但与TSE2019期间相比，它并没有转化为日食当天电子密度的增加。为了更好地理解这种差异，我们分析了两次日食期间的背景VTEC。背景TEC是在添加卫星和接收机偏差后24小时内所有prn的平均TEC(2西格玛迭代)。这是为每个场址计算的，并提供给定场址的总TEC变化。 The background TEC is estimated using GPS_GOPI software (http://seemala.blogspot.com/2017/09/gps-tec-program-ver-295.html)，并载于“。”Std "输出文件。数字6A和B显示了日食前一天(蓝色线)、日食日(红色线)和日食日之后(绿色线)的VTEC变化。上图显示的是全食线以北的GPS站点，下图显示的是全食线以南的GPS站点。6A和b对于TSE2019(图。6A，上面板)VTEC日变化在日食前一天(蓝色图)的峰值为~ 17UT，在日食当天(红色图)的峰值为~ 21ut，而在日食后的一天(绿色图)的峰值为~ 19UT，因此在三天内有很大的逐日变化。日全食以南的地点(图。6A，较低的面板)显示较小的每日变化。对于TSE2020，(图;6B，上下面板)TEC在3天达到了~ 18 UT的峰值，因此显示出较少的逐日变化和观测到的更明显的日食效应(VTEC下降)。因此，除了agw之外，背景电子密度每天的巨大变化也可能在决定日食期间的合成电子密度方面发挥重要作用。在这里，我们还应该注意两次日食的基本差异，当地时间，季节(TSE2019发生在冬季的傍晚到傍晚，而TSE2020发生在夏季的上午到下午)，地理位置和日食几何形状(TSE2019发生在更北的地方，接近全食路径的终点，而TSE2020发生在更南的地方，接近最大日食)。另一个重要的值得注意的差异是TSE2019的背景风向为西风，而TSE2020的背景风向为东风。由于这些值得注意的差异，比较两次日食的观测结果总是具有挑战性的。尽管有这些限制，我们的结果表明日蚀产生的agw和背景电子密度的重要作用。

TSE2020于2020年12月14日在南美地区上空发生。日全食的星等为1.012，经过智利南部比利亚里卡地区14:41:02.0 UTC (10:41:07.9 CLT)至17:30:58.1 UTC (13:30:58.1 CLT)，最大值为16:03:49.5 UTC (12:03:49.5 CLT)。这次日食对电离层的影响是利用智利全球定位系统(GPS)在全食路径上的连续站点进行研究的，其中包括位于全食线两侧的约36个站点。选择两个最合适的PRN(29)和31(31)，推导每个站点的VTEC值。VTEC值显示与环境值相比降低了近20-40%。在接近全食点的地方，降幅最大，在全食点两侧，降幅平缓。有趣的是，利用VTEC时间序列的小波分析得到的周期为~ 30 ~ 60 min的AGWs显示了位于全食线以北的GPS站点存在较强的AGWs。但agw对这些站点的VTEC值没有显著影响。由于地理位置相似，我们进一步比较了两次日食TSE2019和TSE2020的观测结果，发现TSE2020期间背景VTEC值存在较大的逐日变化。因此，有可能由于背景等离子体密度的大变异性的存在，以及日食产生的agw诱导的等离子体密度扰动相互平衡，只有日食诱导的电离率的降低被视为日食期间等离子体密度的平稳降低。 Therfore we propose a more detailed study by taking many cases of eclipse event with similar conditions supported by modelling work to further confirm these finding and to reach a conclusion.