极区电离层加热的数值模拟与实验对比

大功率无线电波能加热电离层等离子体,可以引起电离层电子温度和密度的扰动,实现电离层的人工变态.从电子的连续性方程、动量方程和能量方程出发,我们给出了地面人工大功率无线电波加热电离层的数值模型.通过对方程的数值求解,计算了极地电离层条件下,电子温度、电子密度的加热效应,讨论了泵波参数对加热效应的影响.研究结果表明,电子温度几乎在整个高度上表现为一致性的幅度增强,且在反射高度附近形成温度增强峰很平缓.电子密度在峰上高度附近形成密度谷,谷两侧存在密度增强.加热效应基本随加热功率的增大而增大,随加热频率的增大而减小.使用我国2008年1月在挪威进行的电离层加热实验的电离层参量作为仿真初值,对6个O波加热时刻进行了数值仿真,仿真结果与实验观测基本保持一致.     

基于人工电离层扰动对地-电离层波导传播的VLF波的影响

基于低电离层加热理论和甚低频电波在地-电离层波导中传播理论,建立低电离层扰动对甚低频电波传播影响的分析模型,并利用实验数据验证了该模型的正确性.据此模型,研究了加热功率、加热波极化以及背景参数所导致的低电离层扰动对不同频率甚低频电波传播的影响.结果表明,低电离层扰动越强,则通过该区域内甚低频波幅度和相位的相对变化越强,通过研究地-电离层波导甚低频信号通过人工扰动区域后幅度和相位的变化,可望用于诊断人工电离层扰动强度.     

低纬地区电离层电流的人工调制数值模拟

利用高频泵波能对低电离层进行有效的人工扰动.采用ELF/VLF调幅高频电波对电离层进行加热,电子温度会随着调制频率振荡,并引起电导率周期性变化,从而使加热区内电离层电流周期性变化,形成等效的ELF/VLF电离层虚拟天线,辐射调制频率范围内的无线电波.早期的电离层人工调制研究主要集中在高纬和极区,本文讨论低纬地区电离层人工调制的可能性.本文的理论研究和数值模拟结果表明,低纬地区低电离层电导率在周期性加热的条件下能有效地被调制,使加热区域形成ELF/VLF波的电流辐射源,并分析了不同加热参数和入射条件对调制效果的影响.     

高纬电离层中非麦克斯韦分布等离子体的非相干散射谱的模拟

使用一个修正的双麦克斯韦分布函数，通过最小均方适应技术使它与高纬电离层Ｆ区中离子的非麦克斯韦速度分布函数相适配．结果表明，使用这样的分布函数可以简化非相干散射谱的计算，并有助于简化高纬地区电离层非相干散射谱的反演．     

高纬电离层中非麦克斯韦分布等离子体的非相干散射谱的模拟

使用一个修正的双麦克斯韦分布函数，通过最小均方适应技术使它与高纬电离层Ｆ区中离子的非麦克斯韦速度分布函数相适配．结果表明，使用这样的分布函数可以简化非相干散射谱的计算，并有助于简化高纬地区电离层非相干散射谱的反演．     

我国极区冬季电离层加热实验研究

通过对非相干散射雷达观测数据的处理分析,研究了2008年1月我国在挪威Troms进行的冬季电离层加热实验效应.研究结果表明,电离层临界频率大于泵波频率的O波加热事件扰动效应明显,电子温度存在60%~120%的增强,扰动范围从150 km一直延伸到400 km,电子密度扰动不显著,最大可以观察到12%的密度衰减.受加热影响,离子声波频率有1~2 kHz的增加,离子线谱峰谷比增加,有时伴随有高阶谐振线出现.离子线和等离子线功率存在过冲现象,等离子线的功率剖面存在单峰、双峰和三峰结构,等离子线的功率增强幅度随频率负指数衰减.     

考虑电子吸附效应的低电离层加热研究

基于低电离层自洽加热模型,综合考虑了低电离层中电子的复合效应及典型吸附效应,本文数值仿真了大功率高频无线电波持续加热低电离层所产生的电子温度、电子密度的扰动,并且首次模拟分析了由于电子温度扰动造成的加热电波自吸收效应.结果表明：电子吸收大功率加热电波能量导致了电子温度的增加,同时改变了电离层的吸收指数,引起了加热电波的自吸收效应.加热电波的自吸收效应对低电离层较高区域的电子温度扰动有重要的抑制作用.因此,随着加热频率的减小或有效辐射功率的增大,低电离层较低区域的电子温度增量明显增大而在高度100 km以上区域的电子温度增量始终较小.另一方面,随着电子温度的增加,电子的复合系数减小而电子的吸附系数增加,导致了电子密度在低电离层中较高区域出现正扰动而在较低区域出现负扰动.当饱和电子温度较大时,继续减小加热频率或增大有效辐射功率对电子密度扰动所造成的改变较小,尤其当电子温度超出复合系数和吸附系数的温度敏感区间.此外,电子温度与电子密度的饱和时间相差较大,电子温度的饱和时间为微秒量级而电子密度的饱和时间为秒量级.     

电离层人工调制在水平分层电离层中所激发的ELF波辐射

通过大功率ELF/VLF调幅高频波能有效地扰动低电离层,形成等效的ELF/VLF电离层虚拟天线,用来辐射ELF/VLF波,所辐射出的低频信号可以进入中性大气层形成地球-电离层波导.本文基于调制加热模型,采用全波有限元算法计算由人工调制电离层所形成的电偶极矩所辐射出的ELF波在水平分层电离层中的波场,计算结果将与地面观测结果进行比较.模拟结果表明,所辐射出的ELF波在电离层中形成一个窄的准直波束,海面所能接收到的ELF信号强度为pT量级,并且频率越低,海面所接收到的场强就越小,与HAARP实验数据一致.结果还表明,低纬电离层对低频信号的传播衰减较大,并且所能透射出电离层的角度小,因此高纬地区更适合地球-电离层波导的激发.     

电离层ELF/VLF电磁波激发研究

调制电离层激发ELF/VLF电磁波为深海潜艇通信提供了一种可能的天线产生方式.本文介绍了国外电离层ELF/VLF电磁波激发理论的研究情况和实验结果,引进了HF电磁波加热电离层理论和物理模型并介绍了相应的实验结果,讨论了加热系统的激发效率提高问题.展望了该领域的未来研究方向,并提出了在我国的地理条件下激发电离层ELF/VLF电磁波需要解决的问题.     

电离层联合探测传播模式特性分析

本文提出了一种能够同时获取不同区域电离层传播模式特性的电离层联合探测体制.通过对联合探测体制下垂直探测数据的处理,并与电离层模型仿真结果进行对比分析,验证不同理论模型结果表明NOAR与实测结果的一致性.通过分析不同地理位置分布的电离层传播模式特征参数的联合分布,获取了电离层不同传播模式特性随地理经度、纬度的分布规律.     

电离层极风的EISCAT-VHF雷达观测

极风现象从理论上提出已20多年了,实验上一直没有充分地证实这种现象的存在,以及它的形成区域位于高纬顶部电离层中.我们利用欧洲非相干散射协会（EISCAT）的VHF雷达（在挪威Tromsφ）,对H⁺离子极风进行了首次实验研究,结果表明,实验期间观测到H⁺离子在顶部电离层中的运动速度始终向上,且随高度的增加而增大,从而证实在高纬顶部电离层中确实存在着一个永久向上的H⁺离子流,即H⁺离子极风,其速度在1000km 高度上达到1km/s,其通量在此高度上接近于饱和,达到10¹²m^s（-1）,而温度小于0.26eV.在我们的探测高度上仍未发展成超声速极风.     

电离层人工调制激发的下行ELF/VLF波辐射

通过大功率ELF/VLF调幅高频波对电离层进行加热,形成电离层虚拟天线,可以作为发射ELF/VLF波的一种有效手段.本文使用汪枫(2009)的调制加热模型,计算高频加热电离层产生的低频辐射源强度,采用全波解算法分析辐射的低频波向下传播过程中的衰减和反射问题,并采用HAARP实验参数,模拟出在海面上接收到的低频信号强度为...     

Alfven波在低纬电离层中的传播研究

Alfven波在低纬地区电离层的传播有其特殊性,一方面,低纬地区同样存在Alfven速度梯度的巨大变化,导致电离层Alfven谐振器(Ionospheric Alfven resonator, IAR)的形成;另一方面,由于在低纬地区磁倾角很小,所以剪切Alfven波在传播的过程中纬度方向跨度很大,不同纬度电离层参数将共同对其产生影响;并且,由于电离层水平分层,故磁力线与电离层不正交.本文选取双流体力学模型,在忽略场向电场的条件下,利用非正交坐标系,结合IRI07模型与MSISE00模型模拟低纬地区Alfven波的传播,得到其反射及耦合特性.结果表明,低纬地区同样存在电离层Alfven谐振现象,由耦合产生的压缩模有向磁赤道方向传播的趋势,夜间电离层状态相对于白天更适合IAR的形成,谐振频率沿磁力线L值增大单调递增.     

低电离层调制激励VLF/ELF辐射参数优化理论分析

针对低电离层幅度调制加热过程中甚低频/极低频（VLF/ELF）激发效率较低的问题,该文利用低电离层调制加热模型分析方波幅度调制加热过程中占空比和加热频率对VLF/ELF辐射效率的影响,在此基础上获得最大VLF/ELF辐射效率下的优化占空比和加热频率选择范围.研究表明,随着调制波占空比的增大,激发的VLF/ELF等效辐射源强度先增大后减小,占空比的优化范围为40%~70%;随着加热频率的增大,激发的VLF/ELF等效辐射源强度先增大后减小,加热频率的优化范围为（0.8~0.9）倍低电离层临界频率.     

不同能谱沉降电子对极区电离层的影响

利用极区电离层自洽模型,考虑沉降电子引起的电离,计算了极区电离层的高度积分电导率和F层电子浓度,模拟了不同能谱分布的沉降电子对极区电离层的影响.研究发现不同能谱分布沉降电子对电离层电导率的影响不大,在能通量一定的情况下,平均能量是影响电导率大小的决定因素.而能谱对F层电子密度影响较大,随着平均能量的增加,能谱对电子浓度的影响越显著.在平均能量大于1 keV（甚至更低）时,修正的麦克斯韦分布谱能明显地增强F层电子浓度.     

大功率高频X波欠密加热电离层的理论与数值模拟

基于电离层中电子的加热物理机制,构建了左旋圆极化(X波)欠密加热理论仿真模型,通过对已知实验的模拟验证了模型的正确性.并利用此模型分析和研究了不同加热参数和背景参数对X波欠密加热效果的影响,结果表明,在X波欠密加热中,加热效果随加热功率增加而增强,随加热频率增加而减弱,在相当的加热条件下,背景电子温度越低、电子密度越小,加热效果越强.最后简单分析了X波欠密加热的一些应用.     

利用GCITEM-IGGCAS模拟DE2潮汐Hough波模对电离层的影响

本文利用GCITEM-IGGCAS模式,从电动力学耦合作用和直接上传两种作用方式,详细模拟研究了DE2潮汐4种Hough波模分量对电离层的影响.我们将不同种类的Hough波模分别输入到模式当中作为底层边界条件,驱动模式模拟得到电离层的电子密度变化,从中分离两种作用机制的响应进行分析.模拟结果发现电离层对DE2的4种Hough波模的响应都表现为半年变化,波峰出现在春季和秋季,波谷则出现在冬季和夏季.一天的变化特性上,赤道对称波模的响应出现明显的4个峰值和谷值,其他3种波模响应主要表现为一个峰值和谷值.4种波模当中赤道对称波模对电离层的作用最为明显,占据主导地位,对电离层的影响表现为波动效应,其中3波分量的响应最强,主要由电动力学作用控制.其他3种波模对电离层则是削弱作用.本研究可以帮助我们更深刻的理解非迁移潮汐对电离层的作用方式和效果.     

大功率高频电波加热电离层的非线性物理过程

地基大功率电波加热电离层是通过地基大功率短波发射机向电离层发射无线电波,通过波-粒和波-波的相互作用将无线电波的能量注入电离层.通过这种有目的可操控的方式改变电离层电子密度和温度的分布,可以深入研究电离层中等离子体能量和物质的非线性演化过程,特别是电离层电子的非平衡态分布和加速问题.本文通过对电离层加热中几个比较重要物理过程的评述,对过去20年来我国研究学者在这一研究方向上取得的重要进展进行了介绍.     

电离层加热实验中超强电子密度增强特征

2011年11月利用欧洲非相干散射雷达协会(EISCAT)的大功率加热设备和诊断设施开展了挪威高纬度地区电离层加热实验. 在此次加热实验中, UHF雷达探测到了十分明显的电子密度增强现象, 反射高度附近电子密度最大增幅可达269.3%, 而在远离谐振区的300~500 km及以上高度的增幅也可达30%~50%. 通过对加热前后离子线谱和数据残差的对比分析, 表明300~500 km的电子密度增强是真实可信的, 在如此大的空间范围出现增幅如此大的电子密度增强特征实属罕见. 另外通过对等离子体线谱的分析, 得到了等离子体线双谐振峰结构, 本文利用电子的速度分布函数和等离子体线谱之间的关系, 对加热实验中观测到的等离子体线谱进行了仿真, 提出了超热电子是引起本次电子密度增强的可能机制. 并利用仿真中所使用的超热电子速度参数对超热电子的电离能力、横向和纵向自由程进行了计算, 最终验证了所提出的物理机制的合理性.     

高频加热中低纬电离层激励不稳定性研究

高频泵波加热电离层实验二维数值模拟结果显示,虽然背景电离层状态能够明显影响模拟加热结果,但是在大部分平静电离层状态下,模拟加热一段时间后,加热区域内电子浓度、电子温度会趋于稳定,这一结论已为实验所证实.然而部分模拟结果显示,当电离层电子浓度、电子温度空间结构满足一定条件后,过密加热中泵波反射区域,电子浓度、电子温度在加热机开关机后将产生不稳定的时空效果.激发该不稳定性的正反馈过程如下：当泵波反射区域内电子温度受到泵波加热上升后,其引起的等离子体膨胀导致该区域内电子浓度减小,受到电子温度、电子浓度变化的共同影响,电子能量方程中由于电子-离子碰撞导致的电子能量损失项减小,电子温度将进一步升高,一种正反馈机制建立.最后得到以下结论,当电离层电子温度剖面呈明显的双峰结构,被加热区域内电子温度较高,且电子-离子碰撞引起能量损失项成为电子主要的能量损失项后,一种不稳定性被激发,加热将产生更明显的电子浓度、电子温度的变化.以上条件在下午电离层更容易被满足.