连续太阳耀斑对甚低频信号传播影响分析

甚低频(VLF)是在地-低电离层之间形成的波导内进行传播的.太阳耀斑可引起电离层突然扰动,VLF信号传播出现异常现象,对导航造成影响,同时也会造成短波通讯中断.为了研究连续太阳耀斑与VLF信号传播的关系,观测2002-04-15连续太阳耀斑爆发时,Alpha导航系统西副台VLF信号传播时的幅度和相位变化情况,解释急始型和缓变型太阳耀斑的不同之处,并且分析单个太阳耀斑与连续太阳耀斑的区别,然后根据观测数据和美国GOES卫星观测数据比较和分析,以此来研究分析连续太阳耀斑爆发对VLF信号传播造成的影响.研究结果显示连续太阳耀斑爆发与VLF信号相位的异常变化情况之间有较好的关联性.     

利用甚低频信号相位变化特性判断X射线耀斑类型的研究

甚低频(Very Low Frequency, VLF)信号在地面—电离层波导中传播,当太阳耀斑爆发时日地空间中X射线通量增大,使电离层电子密度分布受到影响,进而导致地面—电离层波导状态发生改变,造成接收到的VLF信号出现异常.本研究利用位于河南省新乡市的VLF信号接收站,对俄罗斯Alpha导航系统发射的VLF信号进行长期的监测和观察后,发现X射线耀斑爆发引起VLF信号相位产生缓变型和急始型两种类型响应.与美国气象卫星(GOES)观测的耀斑数据进行对比,发现VLF信号相位产生两种类型响应与耀斑到达峰值所用时长在耀斑持续时长中的占比有关,缓变型相位对应的耀斑到达峰值时长在耀斑持续时长中占比通常在30%～40%之间,急始型则不高于30%.研究X射线耀斑与VLF信号相位响应之间的对应关系,对进一步研究VLF信号传播及不同类型X射线耀斑的成因有积极的推动作用.     

JJI甚低频台站信号对太阳耀斑事件的响应特性

太阳耀斑发生时,日地空间的X射线通量会随之增大,进而影响到地球电离层的电子密度分布,导致地球-电离层波导状态发生改变,因此接收到的甚低频(VLF,Very Low Frequency)信号会表现出对应的扰动现象.2017年9月8日,位于湖北省内武汉和随州两站点的VLF接收机分别监测到与X射线太阳耀斑相关的来自日本宫崎县(130°49′E,32°04′N)的JJI甚低频台站信号(22.2 kHz)的振幅异常事件.分析当日的数据发现JJI信号的振幅对不同的太阳耀斑出现不同的响应类型,而且对于同一个耀斑,两地的信号响应类型不尽相同.通过统计2017—2019年间与太阳耀斑相关的JJI信号振幅扰动事件,发现两接收站点的JJI信号响应类型都与耀斑强度及其发生时间存在一定的关系,且呈现出四种响应类型,即两次上升下降型、先上升后下降型、下降型和上升型,但是四种响应类型的事件占比不同.拟合结果表明信号的扰动幅度与X射线通量的积分成正相关,但是两站点的线性拟合斜率存在差异.JJI信号到武汉和随州均属于近似沿纬度方向的短距离传播,且两接收站点相距较近,因此两传播路径大致相似.研究两路径上JJI信号对太阳耀斑响应的差异性有助于理解VLF信号的传播以及探索其在太阳活动监测方面的应用.     

电离层异常能否作为地震前兆的研究

分析日本４次地震前５个电离层垂测站资料,发现地震前后震中附近夜间电离层偶发Ｅ层的临界频率ｆ０Ｅｓ值多数呈下降趋势,少数呈增加趋势。分析国际地球物理年（ＩＧＹ）期间多个地震震中附近电离层垂测站资料,提出ｆ０Ｆ２参数变异的统计特性是震前有正扰趋势。本对震源电场影响电离层的机制进行了探讨。研究表明,地城前的电离层异常有可能作为地震前兆。     

远东地区一次典型的微粒E层事件

本文介绍了在1986年2月6日21时12分开始的急始型强磁暴主相期间,我国乌鲁木齐、兰州、北京、长春、满洲里、重庆和海南站观测到微粒E层的情况,结合同时的地磁、宇宙线和TEC的观测结果,电离层的各种变化和日本国分寺等5个地面垂测站的月报表,对1986年2月7日和8日午夜前后在远东地区出现微粒E层事件的概貌和特征作了初步概括和讨论。作者认为,粒子沉降可能是形成此次微粒E层事件的主要原因。     

确定尼泊尔地震震前电磁前兆的多种实验方法

实验数据来自三种不同的技术:(i)利用钻孔天线测量的地下固定频率(VLF)电场;(ii)利用全球定位系统(GPS)接收机测量的电离层总电子含量(TEC)和(iii)SoftPAL监测的电离层下固定频率(f=19.8kHz)海军通信台站NWC发射信号的VLF振幅,分析了2015年4月25日(M=7.8)和5月12日(M=7.3)发生的两次尼泊尔大地震。VLF电场数据和VLF发射信号数据取自印度的马图拉台站和阿格拉台站,而TEC数据取自三个互联网全球服务(IGS)台站,其中一个位于印度的勒克瑙(Lck3),其他位于中国的拉萨(Lhaz)和武汉(Wuhn)。除了武汉的台站位于2 865km外,其余均在距两次地震震中800km以内。分析结果表明,VLF电场和TEC数据显示,在4月25日地震前8～15天内,在正常变化中出现了异常变化,在5月12日地震前5～7天内也出现了类似的异常。电离层VLF振幅的变化在震前4天也出现了异常。根据当时的雷电和磁扰因素对这些异常进行了严格的检查。然而,这些因素并不影响观测数据。文中简述了孕震辐射的产生和传播机制。     

基于范阿伦双星EMFISIS观测数据的NWC和NAA人工甚低频台站信号的内磁层全球统计分布

地球表面的人工甚低频台站信号可以穿透电离层泄漏进地球磁层导致内辐射带电子沉降到两极大气.因此研究人工甚低频台站信号的空间全球分布特性对于分析辐射带电子的损失具有重要科学意义.本文使用范阿伦双星从2013年到2018年共计6年的高质量的波动观测数据,统计了 NWC(19.8 kHz)、NAA(24.0 kHz)两个人工VLF台站信号的全球分布,分析了台站信号的电场功率谱密度对地理经纬度、磁壳值L、磁地方时MLT、地磁活动水平的依赖性.结果表明,在内磁层中,人工台站VLF信号主要沿着台站位置对应的磁力线传播,夜侧强度高于日侧,冬季高于夏季.这种日夜和夏冬差异的形成是因为夜侧和冬季的日照强度较弱,电离层电子密度较低,VLF信号较容易穿透电离层进入磁层.此外人工VLF台站信号的全球分布受地磁活动的影响很弱.这些统计观测结果给出了 NWC和NAA两个重要人工VLF台站信号强度的全球分布特征,为进一步分析人工VLF台站信号与地球辐射带电子的波粒相互作用提供了关键信息.     

地面VLF波穿透电离层的能量衰减变化

地面VLF人工源可以导致辐射带高能粒子沉降.为研究辐射带粒子加速和沉降机制,乃至实现对辐射带电子"人工控制"的设想,需要在精确计算得到VLF人工源在电离层激发电磁场能量分布的基础上,计算哨声波对辐射带电子的调制作用.以往计算VLF人工源在电离层中激发的电磁场能量分布多基于Cary给出的波导中VLF波衰减率和Helliwell提出的经典电离层吸收曲线,但近期研究表明,这些模型结果存在较为明显的误差.本研究建立了地面VLF信号穿透电离层传播的全波计算模型,将计算结果与DEMETER卫星记录的NWC通讯台激发的电磁响应进行对比.虽然模型没有考虑电离层参数水平不均匀性,但模型计算结果与卫星观测值也有较好的一致性.利用经过验证的全波模型计算了不同地磁参数、电离层参数情况下,不同辐射特性的地面VLF辐射在波导中的衰减和穿透电离层时D/E区的吸收值,探讨了上述参数对电磁波能量在波导和D/E区中衰减的影响规律.     

DEMETER卫星探测到可能与汶川地震有关的地面VLF发射站信号的信噪比变化

中国周边有多个应用于导航的VLF发射站,当DEMETER卫星飞经中国大陆上空时,它可以接收到来自这些发射站的信号．利用DEMETER卫星接收到的来自5个不同发射站发出的VLF信号数据,对发生在四川汶川8．0级地震进行研究,发现震中上空区域不同频率信号对应的信噪比在地震前后都发生明显的变化：震前明显降低,震后有所恢复．这个现象可能与地震和电离层耦合有关．     

电离层参数短期预报研究进展

对国内外电离层参数短期预报方法进行了综述,重点介绍了几种作者最新研究的电离层foF2参数短期预报方法.包括基于混沌时间序列分析的电离层foF2参数提前15 min(分钟)准实时预测方法、基于人工神经网络技术的提前1 h(小时)现报方法、提前1～3 d(天)的神经网络预测方法、相似日短期预报方法以及综合预报模型方法.利用中国垂测站多年的观测数据对各种算法的预测精度进行了评估,并与国内外相关算法进行了定性或定量比较,各种预报方法都在前人的预报精度基础之上有了一定的提高.其中提前15 min(分钟)预测方法平均相对误差小于4%,平均绝对误差小于0.2 MHz,可以用于实时性和精度要求较高的短波系统;提前1小时预报方法在太阳活动高年平均预测相对误差小于6%,均方根误差小于0.6 MHz,太阳活动低年平均预测相对误差小于10%,均方根误差小于0.5 MHz,平均相对误差比前人研究的自相关方法提高3个百分点左右;对于提前1～3 d(天)短期预报,综合预报模型方法充分利用了神经网络方法、自相关方法以及相似日方法的优点,获得了高于任何一种单一方法的精度,对于中国9个垂测站(海口、广州、重庆、拉萨、兰州、北京、乌鲁木齐、长春、满洲里)在不同太阳活动性条件下的历史数据进行了精度测试,提前1天和提前3天预测的平均相对误差分别小于10%和小于15%,达到了国内先进水平.此外,该方法还可以综合更多预报方法,具有进一步提高预报精度的潜力.文中提出的针对不同尺度进行电离层参数预测的方法具有一定的理论基础,且精度高、易实现,对从事电离层短期预报算法研究及相关专业的学者具有一定的参考价值.     

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.     

NWC通信台在电离层中激发电磁响应的时变特征

本文利用DEMETER卫星VLF频段电场和磁场频谱数据对DEMETER卫星运行期间2005年至2009年澳大利亚甚低频(Very Low Frequency)通信台NWC发射的通信信号造成的电离层电磁响应的日变化、季节变化及年变化特征进行了统计分析,统计结果表明电磁响应日变化显著,夜间电场强度明显增强可达40dB,磁场变化略小也可为15dB左右,而季节变化不显著,年变化主要受太阳活动的影响,太阳活动越强,电磁响应越小.为解释数据分析结果,对地-电离层电磁波传播过程采用传递矩阵方法进行了模拟计算,模拟结果与数据分析的结果一致.我们认为这种随时间变化的特点可能由250km以下电离层电子密度分布特征导致,因此研究250km以下的电离层电子密度变化可能对寻找地震电离层电磁异常有重要意义.     

基于人工源的甚低频电磁波空间传播特征统计分析

利用2005年1月至2010年11月DEMETER卫星记录的NWC发射站的VLF电场功率谱数据,采用指数拟合的方法,分析了VLF电磁波在卫星高度激发的电场空间分布和衰减特征.研究结果表明:(1)VLF电场在发射站上空及其磁共轭区有着很强的对应关系,存在南、北2个强电场中心涡;(2)相对于发射站的位置,VLF电场中心点具有经度和纬度偏移,日侧地磁经度偏移均值大于夜侧,而地磁纬度偏移均值则小于夜侧;(3)日侧VLF电场强度呈现出周期性的年变化;(4)在VLF电场中心10°范围内,电场强度随距离快速衰减,衰减常数b在长达6年的时间内保持稳定.在以上研究结果基础上初步构建的卫星高度人工源电磁波空间分布特征,将为研究地表-电离层电磁波传播机理提供基础技术支撑.     

智利地震前DEMETER卫星对空间高能粒子的观测

在地震的孕育或发生期间,地球内部岩石圈的活动可能会发出电磁辐射,引起空间电磁扰动,并通过波粒相互作用引起高能电子的投掷角散射,导致高能电子的沉降.本文基于法国DEMETER卫星的观测数据,研究了智利周围区域在智利地震期间空间高能电子的通量、能谱的分布及演化,发现在智利地震发生前第11天和12天,在以震中为中心,经度跨度10°,在DEMETER卫星轨道高度上L跨度0.1的区域内,有超出背景4到6倍的高能带电粒子暴的出现,期间在其北半球磁镜像区域也观测到了显著的电子通量涨高.粒子暴对应的能谱与2010年前三个月的平均能谱存在较大差异.同时观测到在出现粒子暴的两条轨道上VLF(Very Low Frequency,甚低频)电场频谱分别在300 Hz以下以及13~20 kHz的频段存在显著增强,此扰动在时间和地理位置上与高能粒子暴是一致的.基于回旋共振耦合作用的准线性扩散理论,本文对所观测事例的电子能量与电磁场扰动频率做了分析计算.观测数据和理论计算有较好的一致性,表明该粒子暴源自ICE(Instrument Champ Electrique,电磁探测器)观测到的空间电磁扰动,这是典型的空间波粒耦合事例.进一步分析排除了可能引起粒子暴和VLF电场扰动的环境因素,本文认为本次粒子暴和电场扰动的观测可能与智利地震的震前地壳活动存在一定关联.     

基于LWPC和IRI模型的NWC台站信号传播幅度建模分析

频率为3~30 kHz的甚低频（VLF,Very Low Frequency）电磁波具有波长长、传播距离远的特点,能够沿地面-低电离层波导进行传播,在通信、导航等许多领域都被广泛应用.基于波导模理论的长波传播模型（LWPC,Long-Wavelength Propagation Capability）能够用于计算甚低频波的传播路径及幅度,进而研究耀斑、磁暴、地震等事件对电离层的扰动.本文利用国际电离层参考模型（IRI,International Reference Ionosphere）对LWPC中电子密度和碰撞频率进行改进,并将模拟结果与武汉大学VLF接收机实际观测到的NWC （North West Cape）台站信号幅度进行比较分析,结果表明改进后LWPC模型得到的幅度及变化趋势与实际值更加接近.LWPC模型给出的电子密度与IRI模型得到的电子密度在日间基本一致,但是在夜间存在差异,造成夜间部分区域NWC台站信号幅度的差异性,验证了电离层电子密度对于VLF信号传播具有的重要影响.传播路径上的晨昏变化也可以引起VLF信号幅度分布的突变,在日出和日落时间段内存在明显的过渡区域.基于IRI模型的LWPC,改善了VLF电波传播过程的预测分析效果,提供了一种长波导航通信质量的评估方法.     

A Study of Early/Slow VLF Perturbations Observed at Agra,India

We present here the results of sub-ionospheric VLF perturbations observed on NWC (19.8 kHz) transmitter signal propagating in the Earth-ionosphere waveguide, monitored at our low latitude station Agra. During the period of observation (June-December 2011), we found 89 cases of VLF perturbation, while only 73 cases showing early character associated with strong lightning discharges. Out of 73 events, 64 (~84%) of the early VLF perturbations are found to be early/slow in nature; the remaining 9 events are early/fast. The onset duration of these early/slow VLF perturbations is up to ~ 5 s. A total of 54 observed early events show amplitude change lying between ± 3.0 dB, and phase change ± 12 degree, respectively, and found to occur mainly during nighttime. One of the interesting results we found is that the events with larger recovery time lie far away from the VLF propagation path, while events with smaller duration of recovery are within the ± 50–100 km of signal path. The World Wide Lightning Location Network (WWLLN) data is analysed to find the location of causative lightning and temporal variation. The lightning discharge and associated processes that lead to early VLF events are discussed.     

1982年6月12日耀斑的巴耳末线半宽特征

Usually,because of the Starkbroadening for the spectrum lines,the half widths of hydrogen higher Balmer emission lines of the solar flare increase with the principal quantum number N. Their variation curve,as observed before,has a minimum value near N=8 or 9. However,a curve for the solar flare which occurred at the limb of solar disk on June 12,1982shows an all-time decline with increasing N. How to explain this phenomena remains to be discussed.     

First results of simultaneous recording of VLF emissions at two closely located points at auroral latitudes

For the first time, simultaneous observations of very low frequency (VLF) emissions at auroral latitudes (L = 5.3) are carried out at two points located at close geomagnetic latitudes and spaced in longitude by 400 km: the Finnish Kannuslehto station (Φ = 64.2°) and the Russian Lovozero observatory (Φ = 64.1°). A recording equipment with similar frequency responses was used. The first results of a comparison of simultaneous observations showed that, in the overwhelming majority of cases, bursts of VLF emission appeared at both points synchronously with an identical (more often right-handed) polarization of the magnetic field of VLF waves, which can be evidence in favor of large dimensions of the ionosphere exit region of VLF waves. A simultaneous burst of quasi-periodic VLF emissions that occurred on February 02, 2013, during a substorm at 23–24 UT is discussed in detail. Additionally, VLF bursts were recorded which were observed only at one point, e.g., the appearance of left-hand polarized periodic emissions (PEs) in band 2.5–4.0 kHz with a repetition period of 3–4 s.     

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.