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.

     

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.     

电离层S_q发电机理论的研究和数值模拟

本文回顾了近百年来（１８８９－１９９０）电离层发电机理论中Ｓｑ电流体系的研究进展，分别阐述了Ｓｑ电流体系的研究意义、获得Ｓｑ等效电流体系的正演和反演方法、给出了主要代表学者的研究成果及方法，并对Ｓｑ发电机理论存在的问题和需要进一步研究的课题进行了讨论，可以看出Ｓｑ等效电流体系研究虽然取得了很大进展，二维理论也在日渐完善，但三维发电机研究无论在理论上和计算方法上都还有改进的余地，如何最大程度上合理地解释Ｓｑ的变化规律，并与磁层物理和大气动力学联合起来综合考虑是今后三维理论工作所必须解决的问题。     

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.     

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.     

电离层声重波引起的高频多普勒频移

本文给出了电离层中存在电离运动时的高频无线电波的多普勒频移的表达式,讨论了用高频多普勒阵研究电离层声重波扰动有关的若干电波传播问题。     

电离层声重波引起的高频多普勒频移

本文给出了电离层中存在电离运动时的高频无线电波的多普勒频移的表达式,讨论了用高频多普勒阵研究电离层声重波扰动有关的若干电波传播问题。     

瑞利面波地形效应的数值模拟研究

在地震工程中,经常观测到地震波受地表起伏的影响而产生地形效应.本文基于数值模拟,研究了地震远场区域起伏地形对地表瑞利面波传播影响和对应的地形效应特征.结果表明:起伏地形的转折点或面的散射或反射,产生反方向传播的反射RR波和向空间扩散传播的转换RS体波,导致通过地形的瑞利面波能量极大的减弱,地形总体表现出强的隔震效应.地形起伏与地震动的波长比越大,隔震效应越强.凹陷地形表现出远比隆起地形更大的隔震效应.起伏地形转折引起的地表张角变化,导致地震动能量分布密度改变,是地形出现局部放大或减弱特征的主要因素.地表张角小于180°,地震动放大,张角越小放大作用越明显.地表张角大于180°,地震动减弱,张角越大减弱作用越强.当地形对地震动产生放大作用时,地震动水平分量比垂直分量放大效果更明显,而当地形产生减弱作用时,相对于水平分量,垂直分量更容易被减弱.     

地下空洞的面波场地效应数值模拟研究

工程中存在大量的地下空洞结构,这些空洞会影响地震波的传播从而产生场地效应.通过数值模拟方法研究分析地下空洞对面波传播的影响和场地效应.结果表明:面波在传播中遇到地下空洞会发生散射和反射,产生反方向传播的反射面波和向空间传播的转换体波,使得空洞的远源侧中部和下方能量大幅增强,远源侧地表及近地表处能量有所减弱,近源侧能量稍...     

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.

     

基于谱元-简正振型耦合方法的核幔边界D″区地震波波形模拟方法研究

本文拓展了一种模拟地震波在地球核幔边界D″区各向异性介质中传播的数值方法:谱元-简正振型耦合方法(CSEM).该方法通过在球对称各向同性介质空间采用简正振型方法,在各向异性的D″区采用谱元方法,并在两种介质的边界采用"DtN"算子耦合的策略计算一维模型PREM(见文献[1])或修改后的D″区横向各向同性VTI-PREM模型的理论地震图.模拟所得数值解结果与采用简正振型方法得到的解析解结果进行对比以验证方法的精度.在中国科学院地球深部结构重点实验室高性能计算机上使用128个CPU计算得到的结果显示,在10^-5～0.125 Hz的频率范围内谱元简正振型法得到的波形与简正振型方法能很好拟合.此外,对于VTI介质结构模型,谱元简正振型法能够准确模拟S波分裂现象,从而验证了谱元简正振型耦合方法对各向异性介质中地震波传播数值模拟是一种有效的方法.     

电离层人工调制激发的VLF波在磁层的传播特性及应用研究

电离层人工调制可以激发甚低频（VLF）波,其中向上传播进入磁层的VLF波,不但能够用来研究磁层中的各种物理现象,且具有人工沉降高能粒子,消除辐射带等实际用途.本文使用射线追踪方法,模拟电离层调制激发的VLF波在磁层的传播路径,分析激发纬度和调制频率对传播路径和传播特性的影响;并基于低频波的色散方程和波粒共振条件,分析VLF波传播路径上与磁层高能粒子的最低共振能及其分布.研究表明,VLF波通过在磁层来回反射向更高的L-shell传播,最终稳定在某一L-shell附近.以较低的调制频率或者从较高的纬度激发的VLF波能够传播到更高的L-shell,但是,当激发纬度过高时,低频波也可能不发生磁层反射而直接进入电离层和大气层.低频波在磁层的传播过程中,在较高的纬度或者较低的L-shell能够与较高能量的电子发生共振相互作用,在较高的L-shell并且低纬地区,能够与较低能量的电子发生共振相互作用.共振谐数越高,能发生波粒共振的电子能量越高.     

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.     

Tutorial on the numerical modeling of edge diffracted waves by the ray method

Summary The concept of diffracted rays introduced by Keller (1962) opened the way for a ray approach in the numerical modeling of the diffraction phenomena frequently seen in the seismic field records. Unlike the computation of travel times, which has never caused any difficulties being governed by the same eikonal equation as are the rays of ordinary seismic body waves, the evaluation of the diffracted ray amplitude has been another story. In this paper we give a tutorial account of a highly promising technique for the computation of the ray amplitude of seismic waves diffracted by linear edges on seismic interfaces originally presented by Klem-Musatov (1980, 1995). We demonstrate the adequacy of this technique on a series of SH synthetic traces containing diffracted arrivals, some of them diffracted more than once. Our computer program is based on a successful combination of Klem-Musatov's approach with the zero order approximation of the Asymptotic Ray Theory (Červeny and Hron, 1980). We showed in the paper that both techniqúes are ideally suited for such a combination, since the ray amplitude evaluation in each of them is based on the same transport equation. In our tutorial review we present all formulae which are needed for a practical implementation of the method and provide their physical interpretation, wherver possible, by using the numerical examples presented in the paper.