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.     

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.     

基于LAIC电场渗透和SAMI2模拟的地震-电离层扰动现象研究

地震会造成电离层电子密度扰动。 基于三维电场渗透模型和SAMI2模型, 模拟地震发生前产生的异常电场对电离层电子密度的影响。 模拟结果表明, 地震前形成的附加电流会引起电离层产生异常电场, 且异常电场值与地震震级和地震发生时间有着明显的相关。 同时异常电场会使电子产生E×B漂移, 造成电子密度扰动。 随着时间的推移, 电子密度扰动逐渐减小且扰动区域会向着靠近磁赤道方向或远离磁赤道方向漂移。     

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.     

释放化学物质耗空电离层电子密度的研究

电离层作为电波传播的主要通道和载体,影响着无线电通信的质量,因此人工电离层扰动具有广阔的应用前景,在电离层中释放具有较强电子亲和力的化学物质可以耗空电离层F区的电子密度,是人工电离层扰动的有效手段之一.本文通过对CO2和SF6气体在电离层中的扩散和离子化学反应过程的分析,理论计算了在我国北京地区上空释放这两种气体后电离...     

化学物质释放激发中低纬扩展F的数值模拟

利用离子和电子动量方程、连续性方程以及电流连续性方程建立了适合描述中低纬spread-F发展的物理模型,并对模型进行了数值求解,讨论了利用H₂O释放来激发电离层Rayleigh-Taylor不稳定性的可能性. 结果表明,电离层处于不稳定状态时,H₂O在电离层底部释放后,造成电子的大量消耗,增强了峰值高度以下电子的密度梯度,有利于spread-F的发展,在spread-F发展的过程中,释放中心附近会形成电子密度的消耗区,两侧出现密度的增强区;而电离层比较稳定时,初始扰动会逐渐稳定下来,但化学物质释放仍能造成电子较长时间、较大范围的扰动.     

不同初始扰动对电离层扩展F影响的数值模拟

重力波、中性风场、电场是激发电离层扩展F的主要影响因子,本文基于中低纬电离层扩展F发展的物理模型,通过电场强度、背景风场对扩展F影响作用的分析和经验对比,首先验证了模型的有效性,后借助该模型数值模拟了给定背景环境下三种尺度初始电子密度扰动条件下扩展F的发展情况,同时研究了利用化学物质释放实现一定尺度扰动,进而激发扩展F的过程.结果表明,较强的背景电场、东向风场有利于扩展F的形成和抬升,与经验结论相吻合;电离层从被作用初始扰动到激发扩展F的过程中存在拐点效应,拐点之后扩展F被激发形成并且抬升迅速,同时短波长扰动相对于长波长扰动更有利于扩展F的激发和发展;化学物质H_2O释放通过耗散电子密度,形成了一定尺度扰动并诱发了扩展F的形成,该方法可作为一种人工激发扩展F的探索手段.     

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.     

大功率高频电波加热电离层中人工沿场不均匀体散射特性的理论与数值模拟研究

大功率高频电波与电离层的相互作用会引起电子密度扰动,进而产生人工沿场不均匀体,其对无线电波特别是超短波信号有强的定向散射能力,可形成一种新型的超短波通信方式.基于各向异性介质的散射理论,首先通过求解电子密度扰动产生的附加极化势获得电子密度扰动散射方程,然后对电子密度扰动进行高斯自相关处理,并结合入射波/散射波与地磁场方向的空间几何关系,获得电子密度扰动的波数谱表达式,建立了人工沿场不均匀体的散射系数理论模型.利用模型对Platteville站实验中产生的人工不均匀体散射截面积进行了数值模拟,并通过与实测值对比验证了模型的正确性.根据人工沿场散射原理给出了利用其进行无线电信号传输的约束条件.重点仿真分析了人工沿场不均匀体的散射系数和散射覆盖区范围,结果表明：同等条件下,相对于高纬度地区,低纬度地区人工沿场不均匀体的散射系数小5~10 dB,但其散射覆盖区的地面范围大,东西向可达3000 km,南北向可达1500 km,完全可用于超短波信号的超远距离传输.本文结果为中低纬度地区开展相关实验研究提供了理论指导,对利用人工沿场不均匀体进行无线信号的超远距离传输应用研究具有重要意义.     

1986年2月特大电离层暴的动力学表现

1986年2月的太阳耀斑爆发导致了强烈的磁暴和电离层暴。 对我国多个台站有关电离层观测记录的分析表明:这次电离层暴呈现出显著的纬度效应,井在武昌、广州等地区形成了明显的“暴中心”。在暴变期间,伴随有大尺度的TID。在某些时段内,F区电子密度剖面产生了特殊的畸变。 对暴变形态特征及其形成机制进行了一些初步讨论。     

大功率电波加热电离层中热自聚焦不稳定性的理论研究和数值模拟

本文首先从电子密度及电子温度的输运方程和考虑自作用时的电磁波波动方程出发,利用简正模展开的方法推导出泵波在反射区域激发出热自聚焦不稳定性(thermal self-focusing instabilities,TSFI)所需电场阈值以及其增长率的完整数学表达式,并估算了TSFI激发阈值及所对应的有效辐射功率(ERP)的量级.随后利用三维垂直加热的理论模型,结合国际参考电离层(IRI-2012)和中性大气模型(MSIS-E-00)给出的背景参数,数值模拟了大功率高频泵波加热电离层时泵波反射区域电子密度及电子温度因TSFI而产生的变化及发展的过程,并对比分析了不同背景参数对较热效果的影响.结果表明:当高频泵波的加热阈值达到或超过百毫伏每米的量级时,即可激发TSFI,发展出大尺度电子密度及温度不均匀体,这些不均匀体内的密度耗空约为4%~10%,而电子温度剧烈增长,到达背景温度值的1.6~2.1倍;且在相当的加热条件下,背景电子温度越低、电子密度越小,加热效果越显著;电子密度及电子温度的扰动幅度随着加热时间的推移而逐渐减小,即扰动逐渐趋于饱和,且电子温度要快于电子密度达到饱和状态.本文还对泵波反射高度处的电子密度及电子温度变化率进行采样并求得其功率谱密度,分析结果表明:TSFI发展出的大尺度不均匀体满足幂律谱结构,谱指数随着加热的进行逐渐趋于稳定,白天与夜间的幂律谱指数区别不大,但电子密度与电子温度的幂律谱有所区别.     

Response of the convecting high-latitude F layer to a powerful HF wave

A numerical model of the high-latitude ionosphere, which takes into account the convection of the ionospheric plasma, has been developed and utilized to simulate the F-layer response at auroral latitudes to high-power radio waves. The model produces the time variations of the electron density, positive ion velocity, and ion and electron temperature profiles within a magnetic field tube carried over an ionospheric heater by the convection electric field. The simulations have been performed for the point with the geographic coordinates of the ionospheric HF heating facility near Tromso, Norway, when it is located near the midnight magnetic meridian. The calculations have been made for equinox, at high-solar-activity, and low-geomagnetic-activity conditions. The results indicate that significant variations of the electron temperature, positive ion velocity, and electron density profiles can be produced by HF heating in the convecting high-latitude F layer.     

Spatial structure of auroral day-time ionospheric electron density irregularities generated by a powerful HF-wave

We describe an experiment in satellite radio-wave probing of the ionosphere, modified by powerful waves from the HF heating facility at Tromsø (Norway) in May 1995. Amplitude scintillations and variations of the phase of VHF signals from Russian navigational satellites passing over the heated region were observed. We show that both large-scale electron density irregularities (several tens of kilometers in size) and small-scale ones (from hundreds of meters to kilometers) can be generated by the HF radiation. Maximum effects caused by small-scale irregularities detected in the satellite signals are observed in the directions sector approximately parallel to the geomagnetic field lines although large-scale structures can be detected within a much larger area. The properties of small-scale irregularities (electron density fluctuations) are investigated by applying a statistical analysis and by studying experimental and model mean values of the logarithm of the relative amplitude of the signal. The results indicate that satellite radio probing can be a supporting diagnostic technique for ionospheric heating and add valuable information to studies of effects produced by HF modification.     

南京地区低电离层加热效应的初步模拟

从电子能量方程和连续性方程出发,利用国际参考电离层(IRI-2007)和中性大气模型(NRLMSISE-00)得出背景参数,数值计算了大功率无线电波加热南京地区低电离层的电子温度和电子密度扰动幅度,并对比了不同加热条件下的电离层扰动效应.结果表明,大功率无线电波入射到电离层后,与等离子体相互作用,能够有效造成电子温度的升高而产生电子温度扰动;由于电子温度升高,等离子体碰撞频率增加且电子的复合系数减小,导致电子密度扰动;电子温度和电子密度的扰动幅度随着加热时间的推移而减小,即扰动逐渐趋于饱和;电子温度扰动的弛豫时间尺度为微秒量级,电子密度扰动的弛豫时间尺度为毫秒量级;在欠密加热条件下,X波模比O波模更容易吸收.     

Results of Russian experiments dealing with the impact of powerful HF radiowaves on the high-latitude ionosphere using the EISCAT facilities

We present the results of complex experiments dealing with the impact of powerful HF radiowaves on the high-latitude ionosphere using the European Incoherent Scatter Scientific Association (EISCAT) facilities. During the ionospheric F-region heating by powerful extraordinary (X-mode) polarized HF radiowaves under the conditions of heating near the critical f _H frequency f _H ≈ f _x F2 of the extraordinary wave of the F2-layer, we were first to detect the excitation of intense artificial small-scale ionospheric irregularities (ASIs), accompanied by electron temperature increases by approximately 50%. The results of coordinated satellite and ground-based observations of the powerful HF radiowave impact on the high-latitude ionosphere are considered. During ionospheric F-region heating by powerful HF radiowaves of ordinary polarization (O-mode) during evening hours, the phenomenon of ion outflow accompanied by electron temperature increases and thermal plasma expansion was revealed. Concurrent DMSP-F15 satellite measurements at a height of about 850 km indicate an O⁺ ion density increase. The CHAMP satellite observations identified ULF emissions at the modulation frequency (3 Hz) of the powerful HF radiowave, generated during modulated emissions of the powerful HF radiowave of O-polarization and accompanied by a substantial increase in the electron temperature and ASI generation.     

利用气辉测量结果研究高频电波加热电离层实验中电子能量分布

研究了高频电波加热电离层实验期间电子能量分布函数,利用美国HAARP和欧洲EISCAT实验中630.0 nm、557.7 nm与844.6 nm等气辉辐射测量结果,给出了在红光与绿光强度比值小于10和比值大于等于10两种情况下电子能量分布函数表达式,在3~100 eV电子能量范围内,分段幂指数因子随电子能量的增加而下降,并利用获得电子能量分布函数对其他电离层加热期间气辉辐射进行计算,红光与绿光辐射强度之比与实验测量结果相符,从而验证了获得的电子能量分布函数.