电离层人工调制激发的下行ELF/VLF波辐射

通过大功率ELF/VLF调幅高频波对电离层进行加热,形成电离层虚拟天线,可以作为发射ELF/VLF波的一种有效手段.本文使用汪枫(2009)的调制加热模型,计算高频加热电离层产生的低频辐射源强度,采用全波解算法分析辐射的低频波向下传播过程中的衰减和反射问题,并采用HAARP实验参数,模拟出在海面上接收到的低频信号强度为PT量级,与实验数据一致.模拟结果表明,加热泵波功率、低频调制波频率、以及加热纬度位置是影响ELF/VLF波辐射和传播的三个主要因素.     

全球电离层VLF电场功率谱特征

分析2006年3月至2009年2月DEMETER卫星VLF电场功率谱数据发现,卫星高度上全球电离层电场功率谱有以下特征:高纬度区域电场辐射强度平均高于低纬度区域,几个地磁场异常区相应的电场辐射增强;全球电场功率谱,向阳侧强于夜侧,大陆强于海洋,夏季强于分点季,冬季最弱;不同频段的电场功率谱特征有显著差异,某些频段的功率...     

玉树地震前电离层VLF信号信噪比变化

2010年4月13日23点49分38秒(世界时), 青海省玉树县发生了M_S7.1地震. 根据法国DEMETER卫星电场探测仪(ICE)实验数据, 研究震区上空半径500 km范围内电离层10—20 kHz甚低频(VLF)电场频谱信噪比发现, 玉树地震前3个不同频率的地面VLF发射站信号对应的信噪比均出现相同的变化特征, 即震前DEMETER卫星1个重访周期内的平均信噪比明显减弱, 而2009年相同时段和区域的平均信噪比并未出现相似变化趋势. 分析认为, 玉树地震孕震期信噪比衰减现象很可能是由地震-电离层耦合所致.     

玉树地震前电离层VLF信号信噪比变化

2010年4月13日23点49分38秒(世界时),青海省玉树县发生了Ms7.1地震.根据法国DEMETER卫星电场探测仪(ICE)实验数据,研究震区上空半径500 km范围内电离层10-20 kHz甚低频(VLF)电场频谱信噪比发现,玉树地震前3个不同频率的地面VLF发射站信号对应的信噪比均出现相同的变化特征,即震前DEMETER卫星1个重访周期内的平均信噪比明显减弱,而2009年相同时段和区域的平均信噪比并未出现相似变化趋势.分析认为,玉树地震孕震期信噪比衰减现象很可能是由地震-电离层耦合所致.     

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L < 1.5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.

     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

SNR changes of VLF radio signals detected onboard the DEMETER satellite and their possible relationship to the Wenchuan earthquake

Here we used the VLF signal data received by the DEMETER satellite, transmitted from various ground VLF transmitters which are located around China, to study the changes in the signal to noise ratio (SNR) before and after the Wenchuan earthquake, which had a magnitude of 8.0. We also found that the SNRs of different frequency signals decreased significantly over the epicenter region before the earthquake, and reverted to their original levels after the earthquake. This phenomenon may be related to the earthquake. Special Foundation of Basic Research from Institute of Geophysics, China Earthquake Administration (Grant No. DQJB08Z08), National Key Technology R & D Program (Grant No. 2008BAC35B01)     

不同方位甚低频电磁波衰减的初步研究*

利用2005—2010年DEMETER卫星记录NWC发射站的19.8kHz电场功率谱数据,采用统计和线性拟合等方法,研究了NWC站发射的电磁波在顶部电离层及磁共轭区激发的电场效应及其在不同方位的衰减特性。结果发现:(1)在NWC发射站上空,卫星记录电场呈椭圆状扩散分布,电场最强中心点位置相对地面人工源位置有一定偏移;(2)研究区上空电场北部衰减梯度最小,东部衰减梯度最大;(3)在其磁共轭区,南部电场衰减梯度最小,北部衰减梯度最大。综合分析认为人工源(NWC)发射的VLF电磁波传播到电离层高度后,受地磁场影响,电磁波主要沿磁力线方向传播,空间电场最强中心点位置相对发射站的位置发生偏移,向磁赤道方向倾斜,而且偏于磁赤道方向的电场衰减梯度最小。     

DEMETER卫星观测到的智利7.9级地震前的电离层电磁扰动

利用法国DEMETER卫星观测的电离层电磁数据,分析了2007年11月14日智利7.9级地震前10天内的电磁信号记录,结果发现在震前1周内,低频电磁扰动开始在比较宽的纬度范围内增强,震前3天异常信号幅度达到最大,并在低纬度地区尤其突出.以5天为间隔,比较分析了多参量的空间图像,发现在震前5天异常幅度和范围扩大,震中位于异常区域的边缘地带.分析认为,这次地震前的异常信号与孕震区电磁辐射信号增多及空间加热扰动有关.     

强震前ELF/VLF磁场的扰动特征统计研究

本文利用DEMETER卫星记录的变化磁场数据统计研究了2005—2009年北半球7级以上强震前后空间磁场的扰动特征.在震中±10°范围内利用震前2个月至震后1个月的5年同期观测的ELF/VLF[370~897 Hz]频段磁场功率谱密度数据构建了背景场,定义了表征空间磁场在地震时段相对于背景场的扰动幅度指标.统计研究发现26个强震中42%的地震主要表现为震前磁场扰度幅度逐渐上升,超过3倍标准差,随后在扰度幅度下降过程中发震.35%强震在地震前10天内最大扰动幅度超过3倍标准差,在扰度幅度处于最高值期间发震,震后磁场扰动幅度逐渐回落.23%的强震在震前震后无明显规律.随机事件测试发现在空间天气平静且无强震条件下随机地点上空的磁场无明显的时空演化规律,且随机地点上空的空间磁场相对于背景场的平均扰度幅度很小,最大扰度幅度从未超过2倍标准差,并且没有明显的随时间变化特征.