哨聲和甚低頻發射
正文
通過電離層和磁層傳播的聲頻範圍的電磁波。哨聲主要是由閃電的電磁輻射所產生，甚低頻發射一般是由磁層中高能帶電粒子流激發所產生。哨聲和甚低頻發射的出現，常受到傳播條件、背景噪聲水平、觀測時間和地點等因素的影響；又與太陽活動、雷雨活動及地磁活動等日、地物理現象密切相關。一般說來，冬季夜間哨聲比較頻繁，高緯台站的觀測結果比中低緯台站的豐富，衛星和火箭在高空中觀測到的類型比地面觀測到的多。研究簡史 1894年3月 30日和31日出現北極光的同時，普里斯（W.H.Preece）首先在電話中聽到一種“鳥鳴”的聲音。隨後，第一次世界大戰期間,巴克豪森(H.G.Barkhausen)在竊聽敵方電話中,又聽到類似於手榴彈飛行的聲音，並認識到這與閃電有關。到20世紀30年代，埃克斯利 (T.L.Eckersley)首次從磁離子理論出發，導出了低頻極限下電磁波的色散方程，解釋了哨聲頻率和時間之間的色散關係。同時，伯頓(E.T.Burton)和博德曼(E.M.Boardman)進行了大量觀測，開始研究哨聲和甚低頻發射的頻譜特徵，以及它們與地磁活動的關係。
1953年，斯托里(L.R.O.Storey)套用測向器證實哨聲起源於遠處的閃電，還在理論上證明哨聲基本上沿著地磁力線傳播，哨聲射線方向與地磁力線的夾角要小於19°29′。1956年，赫利韋爾 (R.A.Helliwell)等人首次在高緯地區觀測到鼻哨，並用於確定哨聲傳播的路徑。
1957年國際地球物理年大會上，總結了以往哨聲和甚低頻發射的研究成果，規定了觀測的國際程式。會後，在繼續研究閃電所產生的哨聲的同時，還發現核爆炸也能激發哨聲；於是開始套用固定頻率的人工信號，進行哨聲方式的傳播實驗。特別是套用衛星和火箭，在電離層和磁層中還觀測到哨聲的許多新類型，大大加深了對哨聲和甚低頻發射的認識。70年代，主要致力於研究哨聲和甚低頻發射在地球電離層和磁層中的傳播特徵，以及它們與空間電漿的相互作用過程；並利用哨聲和甚低頻發射的觀測結果，間接獲取地球磁層的環境資料。
哨聲的主要類型 由於閃電源和空間環境的複雜變化，產生了豐富的哨聲形態。地面台站觀測到的主要哨聲類型有短哨、長哨、重哨、鼻哨、擴展哨和小色散哨。根據衛星和火箭觀測，還有不完全哨、離子哨、離子截止哨和亞質子層哨聲等類型。已經觀測到的主要哨聲類型如圖1。 短哨 閃電所激發電磁波的聲頻部分，能量進入電離層和磁層，大致上沿著地磁力線傳播到另一半球，即為短哨。由於不同頻率電磁波在電離層和磁層中的傳播速度不同，較高頻率部分到達較早，較低頻率部分到達較遲，形成色散現象，故哨聲聽起來是一種富有音樂感的下滑調。短哨可以在磁共軛點之間來回傳播多次，形成回波列。
還有部分閃電所激發電磁波的能量,可以在地球-電離層波導中經過一次或多次反射，傳播到遠處，此即吱聲，聽起來好似小鳥吱吱叫。
長哨 閃電所激發電磁波的聲頻部分兩次通過電離層和磁層，回到與閃電同一半球被接收到的哨聲。由於經過的路徑較長,長哨的頻時（頻率-時間）曲線較短哨平坦。長哨也能形成回波列。
重哨 主要分為多路哨和多源哨兩種。前者系幾支哨聲起源於同一閃電，但沿著不同路徑傳播到另一半球；後者系起源於不同的閃電，但沿著同一路徑傳播。
鼻哨 頻時曲線呈現為上升和下降兩支，鼻哨一般僅在磁緯40°以上的高緯度台站才能觀測到。
擴展哨 頻時圖上較低頻率處的描跡變寬，聽起來哨聲音調吵啞，低音豐富。磁暴期間出現較多。
小色散哨聲 是在中低緯度台站觀測到的一種色散遠小於正常值的哨聲。
甚低頻發射的主要類型 大體上可以分為連續發射和分立發射兩大類。甚低頻發射的主要類型如圖2。 嘶聲 頻譜圖上表現為連續的噪聲譜，接收機中聽到“嘶嘶”的聲音。有些嘶聲相當穩定，其振幅在幾分鐘甚至幾小時內無顯著變化，稱為穩定嘶聲；有些嘶聲的振幅在一秒鐘內都發生很大改變，稱為脈動嘶聲。嘶聲與極光活動密切相關，通常在高緯度台站才能觀測到。
分立發射 是時間間隔達幾秒以上的短暫發射，按頻譜特徵，又可分為上升調、下降調、鐮刀型、準平音等。
合聲 很多相似的分立發射重疊在一起，聽起來十分悅耳，猶如“百鳥合鳴”。
周期發射 是周期重現的分立發射，重複時間一般不變，偶爾變長。按其頻譜特徵，又分為色散型、非色散型、漂移型等。
準周期發射 一種周期較長的噪聲爆發，每組可由分立發射、合聲及周期發射組成，其周期可長達幾十秒。與周期發射相比，表現很不規則。
觸發發射 由哨聲、分立發射、地面工業系統諧波輻射以及其他電磁信號在磁層中所觸發產生的甚低頻發射的統稱。其形態特徵與觸發源關係密切。
傳播特徵 地磁場與空間電漿的分布，決定了電磁波的傳播特徵。地面台站所觀測到的哨聲和甚低頻發射，大都是在哨聲導管中傳播的。所謂哨聲導管，是指電離層和磁層中按地磁力線排列的路徑。它類似於波導管，能捕獲甚低頻電磁波，使波法線方向只能位於與地磁力線相交一定的角度以內。哨聲沿導管傳播過程如圖3所示。 哨聲導管並不是連續分布的，導管的寬度約在10～100公里的範圍，導管之間的間隔,比導管寬度還要大些。因此，當甚低頻電磁波的能量不能為哨聲導管所捕獲時，就會出現非導管傳播。非導管傳播的特徵是：哨聲的波法線方向逐漸地偏離地磁力線，以致它們在電離層或磁層中即被折回，而不能穿過電離層的下邊界到達地面。因此，地面台站接收不到非導管傳播的哨聲，而僅能在衛星和火箭上觀測到。這就是衛星和火箭在高空中的觀測結果遠比地面豐富的主要原因。
除上述導管傳播和非導管傳播之外，還有一些混合傳播方式。一種是導管傳播方式與吱聲傳播方式相結合，可以解釋小色散哨聲的特徵，還有一種是在電離層 E層（約100公里）與質子層底（約900～1200公里）之間來回傳播，可以解釋亞質子層哨聲。
產生機制 哨聲主要由雲－地閃電的電磁輻射所產生，核爆炸也可以產生哨聲。
在磁層中帶電粒子的運動能夠產生甚低頻發射。當帶電粒子的速度大於介質中電磁波的相速度時，將產生切連科夫輻射；另一方面，當帶電粒子沿地磁力線作回旋加速運動時，該帶電粒子的運動過程可產生回旋加速輻射。
大多數分立發射是由天然或人工信號觸發產生的，例如莫爾斯電碼就能觸發上升調和下降調。首先觸發信號的能量被磁層中的電子流所吸收，然後由於回旋加速不穩定性而引起甚低頻發射。
研究意義及套用 利用地面台站及衛星、火箭取得的哨聲資料，可以推算出空間電子密度的分布。地面台站觀測到的沿導管傳播的哨聲，由於地磁場和空間電漿的影響而引起色散現象。對於頻率 f遠小於空間電漿頻率f0和地磁場中電子磁鏇頻率 fH的甚低頻電磁波，近似滿足關係式：
根據上式，在知道空間磁場分布的情況下，根據實測的哨聲色散值D,套用“模式法”即可推算出沿磁力線的空間電子密度分布。1963年卡彭特 (D.L.Carpenter)根據哨聲資料，首先測出電漿層頂的位置及其隨時間的變化。因在電漿層頂兩側,空間電子密度發生突然改變，電子密度隨高度的分布曲線呈現出一“膝狀”，故將相應的哨聲稱為“膝哨”。
哨聲和甚低頻發射的觀測和研究，還廣泛用於研究磁層中的電場和各種動力學過程。在衛星和火箭上向周圍空間人工發射電子束，為電漿物理學的研究提供了地面實驗室中無法做到的實驗條件。例如,日本於1973年6月17日發射的探空火箭K-9M-41，進行了電離層電漿中非線性波-波、波-粒子相互作用的控制實驗，在能量低於3電子伏的電子束注入周圍空間後,觀測到一種頻時曲線為V形的分立發射。
哨聲和甚低頻發射的傳播特徵和形成機制，仍然是有待進一步研究的兩大課題。（見彩圖） 參考書目
R.A.Helliwell, Whistlers and Related Ionosphe-ric Phenomena,Stanford Univ.Press,Stanford,1965.
