基于SAMI2模式的电离层加热模拟

通过在SAMI2模式的电子能量方程中添加人工加热项,数值模拟了在加热条件下磁场线上电子温度与电子密度的扰动情况,并对比了不同加热条件下的扰动效应.结果表明,入射到电离层中的大功率无线电波与等离子体相互作用,能够有效造成整条磁场线上电子温度的升高而产生电子温度扰动,尤其是加热点处,温度可增加3倍多;由于电子温度升高,压力平衡受到破坏,引发等离子体扩散进而导致电子密度扰动;电子密度扰动使得垂直于磁场线的电子密度梯度发生变化,这有可能形成电离层管(Ionosphere duct);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,即扰动逐渐趋于稳定.电子温度与密度的扰动与加热率存在一种非线性关系.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

大功率高频电波加热电离层中参量衰减不稳定性研究(1):数值模拟

参量衰减不稳定性(Parametric Decay Instability,PDI)在大功率高频(High frequency,HF)电波与电离层等离子体相互作用的过程中扮演着十分重要的角色,本文采用广义Zakharov方法对常规的等离子体流体力学方程组进行相应处理后,并在近似实际的电离层背景和电波传播模型下,构建了高频电波加热电离层激发PDI的数值计算模型.模拟结果发现:在毫秒量级的时间尺度上,大功率高频电波在寻常波(Ordinary wave,O波)反射点高度附近激发出了朗缪尔波(Langmuir wave)和离子声波(Ion-Acoustic wave)两种等离子体静电波模,模拟中产生的朗缪尔波和离子声波相应波数为5~11rad·m~(-1),结果与利用色散关系求出的理论值4~7 rad·m~(-1)近似一致,密度扰动幅值从10~6m~(-3)量级指数级增长到了10~(10)m~(-3)量级,直至能显著影响与"低频"密度背景相关的等离子体频率后,出现了等离子体"空穴"结构以及朗缪尔波被"俘获"现象,在扰动空间内的小尺度静电场幅值最高能达到100 V·m~(-1)量级,最终造成一种强烈的局地化"空穴"湍流现象.本文的研究有助于深入理解PDI的物理机制,对研究大功率高频电波与电离层等离子体之间复杂的非线性相互作用也有着非常重要的意义.     

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.     

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.     

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。     

利用射线追踪方法研究化学物质释放对高频加热的聚焦效应

电离层化学物质释放能导致释放区域电子密度的损耗,从而产生明显的电离层空洞现象.高频电波通过电离层空洞时,由于电子密度不同,对电波产生折射效果进而形成聚焦效应.本文利用射线追踪方法,评估高频电波通过空洞形成聚焦加热的效果.结果表明,释放水分子与SF6都能对电离层产生明显的空洞,空洞半径约为25～50 km,电子密度的损耗...     

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.     

Disturbances of the ionospheric conductivity owing to the generation of magnetic pulsations in the Pc1 frequency range by means of the heating of electrons by a ground-based high-power high-frequency transmitter

Experiments on the generation of artificial electromagnetic pulsations constitute an important part of investigations of the magnetosphere-ionosphere system with the use of an active action. The investigation of the generation of magnetic pulsations in the Pc1 frequency range has shown that the response of the ionosphere to heating is detected only in a few experiments. Although the primary perturbed parameter is the electron temperature, the efficiency of the generation of pulsations is determined by the perturbations of the ionospheric conductivity. The magnitude of these hertz perturbations depends complexly on the electron density profile and the parameters of a pump wave. The numerical experiment demonstrates the determining effect of the electron density in the D region on the magnitude of perturbations of the ionospheric conductivity. Under conditions of a low electron density, it is impossible to create a large perturbation of the conductivity in the Pc1 frequency range, although perturbations of the electron temperature can be large in this case. In view of a large number of electrons at altitudes of 70–90 km, which absorb a considerable fraction of the energy of a high-frequency wave, the electron temperature in the E region of the ionosphere cannot be sharply increased, but the amplitude of the variations of the ionospheric conductivity in this case is larger than that for the profiles with a low electron density. In the presence of the developed D region, the efficiency of the modification of the conductivity in the indicated frequency range can be increased by choosing the optimal frequency and polarization of the pump wave. A low efficiency of the experiments on the generation of artificial magnetic pulsations in the Pc1 frequency range is apparently explained by the fact that they were performed in winter in the absence of a well-developed D region of the ionosphere.     

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.     

First EISCAT measurement of electron-gas temperature in the artificially heated D-region ionosphere

The ionospheric electron gas can be heated artificially by a powerful radio wave. According to our modeling, the maximum effect of this heating occurs in the D-region where the electron temperature can increase by a factor of ten. Ionospheric plasma parameters such as N_e,T_e and T_i are measured by EISCAT incoherent scatter radar on a routine basis. However, in the D-region the incoherent scatter echo is very weak because of the low electron density. Moreover, the incoherent scatter spectrum from the D-region is of Lorentzian shape which gives less information than the spectrum from the E- and F-regions. These make EISCAT measurements in the D-region difficult. A combined EISCAT VHF-radar and heating experiment was carried out in November 1998 with the aim to measure the electron temperature increase due to heating. In the experiment the heater was switched on/off at 5 minute intervals and the integration time of the radar was chosen synchronously with the heating cycle. A systematic difference in the measured autocorrelation functions was found between heated and unheated periods.