VLF法预报“神舟二号”发射期间的太阳活动情况

太阳耀斑是最剧烈的太阳活动之一.当太阳耀斑爆发时,辐射出的X射线会引起甚低频信号的相位异常变化.在河南新乡用甚低频接收仪监测了2001年1月10日"神舟二号"发射期间的甚低频信号相位异常数据,并对监测到的甚低频信号相位异常变化量进行了分析和一系列的处理,反演了太阳耀斑的强度和级别,并与美国的GOES卫星观测的结果进行了比较,研究结果表明:预测数据吻合恰好,验证了此法的可行性,为进一步开展我国电离层天阳活动预警和预报奠定了观测基础.     

太阳耀斑期间电离层效应的观测分析

一、一般情况 1989年7月31日到9月9目,在新乡、临潼和乌鲁木齐三点对VLF Omega信号相位变化进行了同时接收。与此同时,乌鲁木齐天文站的太阳色球观测和乌鲁木齐电离层垂测站的电离层探测也同时进行。在这期间,三个VLF信号观测点上同时有记录的太阳活动事件有36次。其中最大的发生在8月15日、16日和17日。特别是8月16日的太阳耀斑造成电离层垂测站的频高图近四个小时内没有回波。     

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.     

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.     

VLF跨赤道传播相位异常的实验研究

本文分析了Omega导航台中E台和G台到河南新乡两条路径上,信号相位的变化。两条路径都跨赤道,但传播方向不同,从而分析了VLF信号跨赤道传播的特点以及方向效应,特别对G台-新乡路径上,相位周期丢失进行了分析,并讨论了TE₁模和TM₁模之间的模转换和模干涉。产生跨赤道传播相位异常的原因虽然很多,但它对VLF信号的影响却是固定的,可以通过它从一个侧面来讨论赤道电离层。     

有限元方法研究精细地-电离层波导VLF波传播特性

基于频域有限元方法仿真了精细地-电离层波导结构甚低频(VLF, Very Low Frequency)电磁波幅度和相位传播特性.首先给出了如何确定VLF波发射点和接收点传播路径所在大圆的方法，接着分析了获取波导结构中不同阶波导模式传播系数的耦合模理论，数值讨论了不同阶波导模式的衰减率和相对相速度随模式数和工作频率的变化关系，给出了波导不同结构参数对一阶模衰减率和相对相速度的影响.与文献结果对比验证了本文有限元方法模拟VLF波传播的正确性和高效性.最后利用实验和数值仿真结果，通过对电子密度国际电离层参考模型进行修正，讨论了澳大利亚—青岛台VLF波幅度和相位日变化的规律.本文工作为研究地-电离层波导结构VLF波电磁特性以及提高陆基超远程甚低频导航系统的精度，提供了新的思路和方法.     

GIM和IRI2012模式在中国地区的时空变化和扰动分析

在合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)定位中,电离层延迟是不可忽略的误差源之一,需要选择合适的电离层模型进行校正.为了验证IRI2012模式和GIM模式在中国不同纬度地区的适用性以及中国地区电离层扰动与太阳耀斑、地磁场等因素的相关性,本文利用IRI2012模式计算的TEC预测值,并结合GIM模式给出的TEC观测值对2014太阳活动低年的中国不同纬度地区TEC时空变化特性进行了分析,包括周日变化、半年变化和年变化等.此外,由于电离层扰动引起的电离层延迟对星载低频SAR定位精度影响比较严重,以IRI2012模式为背景电离层,根据电离层平静期的GIM-TEC观测值确定电离层TEC扰动指数的阈值,在太阳耀斑和地磁异常发生时统计前后一定时间的电离层TEC扰动指数.实验结果表明:IRI2012模式和GIM模式在中国低纬和中高纬度地区的空间和时间变化均符合一般规律,在中国地区具有适用性;电离层扰动指数连续5小时超过阈值0.5判定为电离层扰动事件,当中国地区位于向阳面或处于日冕物质抛射区时,其上空电离层扰动与太阳磁暴和地磁暴紧密相关.     

地磁钩扰的全球响应特征研究与初步统计结果

地磁钩扰是太阳耀斑效应的直观表现之一，其研究有助于深入理解太阳爆发对地球空间环境的影响过程，并能为空间天气建模和预报提供科学依据.本文利用山东大学威海地磁台和Intermagnet地磁链与子午工程的地磁观测数据，联合GOES卫星及数字测高仪等的数据，研究了一个由M5.6级太阳耀斑引发的地磁钩扰事件的全球响应特征.研究发现：地磁钩扰特征呈现出南北半球与午前/午后的差异，且地磁响应相对于太阳耀斑存在约3 min的滞后现象，而夜侧无明显扰动；利用位于日侧的50余个地磁台站的数据统计分析后发现地磁钩扰幅度呈现正态分布，且在当地时正午附近达到峰值；利用地磁数据反演出钩扰发生时电离层的电流体系S_s和宁静日电流S_q，并用该电流体系解释了此事件中地磁数据的变化特征.另外，本文初步统计了1996-2015年的地磁钩扰事件数以及相关的太阳耀斑事件数，分析后发现X级耀斑引发地磁钩扰的可能性最大，达42%，由M级耀斑引发的地磁钩扰事件数最多，A、B、C级等小耀斑引发地磁钩扰的可能性很小.     

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.     

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.     

ZH-1卫星观测的VLF人工源信号特征分析与全波模拟

中国地震电磁监测试验卫星张衡一号(ZH-1)已于2018年2月2日成功发射,正在开展卫星数据在轨测试,并对卫星数据质量进行判定.本文对ZH-1卫星2018年5月至6月夜侧的VLF频段电场功率谱数据进行了分析.通过分析位于不同L值、具有不同发射频率的多个VLF人工源上空的卫星重访轨道观测数据,发现ZH-1卫星记录的人工源信号电场变化标准差与DEMETER卫星记录电场变化标准差几乎一致,说明ZH-1卫星观测数据具有较好的稳定性.通过重访轨道均值与全波模型计算结果对比,发现两者在数值上较为接近,在形态上较为一致,说明ZH-1卫星VLF频段电场功率谱数据具有一定的可靠性.此外,研究了VLF人工源上空及共轭区的电场分布特征和电波传播规律,并与DEMETER卫星的结果进行了对比,结果表明VLF人工源产生的电磁辐射穿透电离层后以导管或者非导管的哨声波模向共轭区传播,因为传播过程中的朗道阻尼,共轭区的电场能量比辐射源顶空更小.VLF人工源位于L1.5时,电磁波传播更容易发生非导管传播,VLF人工源信号导管传播模式在共轭区的电场响应相对于共轭点会发生一定程度北向偏移.     

根据VLF的相位变化确定D层宇宙线强度变化的可能性

银河宇宙线是电离层D层的重要电离源之一,它的急剧变化会使D层电子密度发生改变,从而影响VLF波的夜间传播。本文根据在西安接收英国GBR台的VLF波（16kc/s）的相位变化,讨论了在有宇宙线暴（Forbush下降）和强磁暴时,中纬D层电子浓度的变化和相应的VLF波的相位漂移;并根据VLF的相位变化,估计了相应的宇宙线强度变化。由于D层中的宇宙线强度变化通常难于观测,通过VLF波的相位漂移来估计它,这是很有意义的。所以,VLF波的传播效应可能成为间接探测宇宙线强度变化的有用工具。     

基于陆态网络GPS数据的电离层空间天气监测与研究

中国大陆构造环境监测网络(简称陆态网络)是以全球卫星导航定位系统(GNSS)为主,辅以多种空间观测技术,实时动态监测大陆构造环境变化,探求其对资源、环境和灾害的影响的地球科学综合观测网络.基于陆态网络约200个基准站的GPS观测数据,本文探讨了其在电离层空间天气监测与研究方面的应用.包括磁暴期间电离层暴扰动形态,大尺度电离层行进式扰动,太阳耀斑引起的电离层骚扰和低纬电离层不规则体结构等.研究结果表明:陆态网络布局合理,观测数据质量良好,完全可用于中国及周边地区电离层空间天气监测与研究,为进一步开展我国电离层空间天气预警和预报奠定了观测基础.     

利用GPS计算TEC的方法及其对电离层扰动的观测

在总结用ＧＰＳ研究电离层电子总量ＴＥＣ的数据处理方法基础上,分析了利用伪距观测量和载波相位观测量计算电离层ＴＥＣ的特点及误差来源．在处理过程中考虑了卫星的硬件延迟偏差,分析了应用ＩＲＩ模型进行接收机硬件延迟偏差修正的可能性,发现利用少量ＧＰＳ数据和ＩＲＩ模型修正接收机硬件延迟偏差有一定的困难．最后,利用一些ＧＰＳ观测数据有针对性地研究了电离层对若干次扰动事件的响应．包括一次大的太阳耀斑期间的电离层ＴＥＣ变化、一次较典型的电离层行扰以及日食期间的电离层ＴＥＣ的相对变化等电离层物理问题．结果表明,利用该方法计算ＴＥＣ的精度可满足电离层扰动现象的研究．     

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.     

根据低频天波的SPA效应计算太阳耀斑期间1-8X射线的通量

一、引言 电离层扰动观测是监视太阳耀斑活动的重要手段之一,其中D层的响应更为灵敏。这主要是由于太阳耀斑期间,发射大量的X射线,有时比平时增加几个数量级,它们以光速向地面传播,并很快造成向阳面D层的强烈附加电离,从而引起电离层高频吸收异常     

利用GPS三频数据计算电离层垂直总电子含量变化率

研究了通过采样间隔为1 s的GPS三频载波相位观测数据计算1 Hz电离层垂直总电子含量变化率(RVTEC)的方法,推导了直接采用双频载波相位观测量计算RVTEC的公式,对一般空间环境与电离层活动剧烈两种条件下L1L2、L1L5、L2L5三种载波相位组合计算的RVTEC进行了一致性分析,给出了通过三频载波相位观测数据计算电离层RVTEC的修正方法,比较了X射线太阳耀斑期间RVTEC与由传统方法计算的总电子含量变化率(ROT)响应,在双星串飞编队测高模式下对计算方法进行了应用.结果表明,L1L2、L1L5两种组合之间的一致性较好,由L1L2、L1L5组合计算的RVTEC的中误差约为0.004 TECu/s,RVTEC较ROT更能体现TEC变化的细节,在双星串飞编队测高模式下海面高梯度的计算中,电离层延迟之差可以忽略.     

基于北斗、GLONASS和GPS系统的中低纬电离层特性联合探测

基于GNSS(Global Navigation Satellite Systems)的发展,我们利用具有北斗、GLONASS和GPS三系统信号接收功能的接收机观测的数据,结合电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)的反演算法,提取出GNSS三系统观测的电离层TEC;同时,将GNSS三系统获取的TEC应用到电离层TEC地图、行进式扰动、不规则体结构和电离层的太阳耀斑响应等方面的研究中,这也是首次使用三种GNSS系统数据对电离层进行联合探测研究.研究结果表明,增加了北斗系统的GNSS三系统在研究中国地区电离层TEC地图、周日变化、逐日变化,行进式扰动以及电离层的实时监测等方面较单系统的GPS具有明显的优势.     

南极长城站哨声波监测仪设备及其初步观测

在子午工程二期项目的支持下，武汉大学（Wuhan University, WHU）联合中国极地研究中心研制了一套甚低频（very low frequency, VLF）波动探测系统，并在2022年由中国极地研究中心部署于南极洲的中国长城站（Great Wall Station, GWS, 62.22°S, 58.96°W）.该探测系统的动态范围为～110 dB，时间精度为～100 ns，可为空间物理和空间天气研究提供高分辨率的波动观测数据.本文详细介绍了WHU VLF（子午工程编码：OCHCH＿WHWM01）波动探测系统在GWS的初步观测结果，充分验证了系统的优越性能和稳定性.在过去一年的常规运行中，此系统能精确探测北美和欧洲等区域内各种地基VLF台站信号的动态变化.初步分析结果表明，在多次X级太阳耀斑爆发期间，GWS观测到的人工VLF台站信号特性与以往的研究结果高度一致.由于HWU-GWS(HWU为发射台站的名称)路径穿过南大西洋异常（south Atlantic anomaly, SAA）区域，观测结果同时表明，在磁暴期间，HWU VLF信号的扰动与磁层电子沉降在时空关系上具有很强...     

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.