太阳活动低年时太阳同步轨道电场高频(HF)波的观测特性研究

文章使用搭载在DEMETER卫星上的电场探测仪器(Instrument Champ Electrique,ICE)在太阳活动低年(2007年2月4日到2008年2月3日)所探测的数据,研究频率从10 kHz到3.33 MHz宽频段的高频(HF)电场波功率谱的空间分布特征.地磁宁静期间,从2.08 MHz到3.33 MHz的高频段,电场HF波功率谱密度随频率升高而升高,且电场HF波功率谱密度的全球分布比较均匀,基本上不随地球的经度和纬度变化.向阳面时,不同经纬度间HF波功率谱密度的差异小于背阳面的.电场HF波功率谱的季节变化主要表现为:向阳面1.25 MHz和1.66 MHz频段,在低纬度出现峰.地磁平静时期电场HF波功率谱密度的区域分布变化比较大的是0.42 MHz和1.66 MHz两个频段,尤其是在背阳面的北半球高纬度区域.地磁活动引起电场HF波功率谱扰动的非均匀性增强,主要表现在电场HF波的低频段(3.25~416 kHz),扰动响应区域发生在高纬度区.在赤道和低纬附近(纬度:~±40°之间),地磁活动的响应很小.在背阳面的磁尾方向,电场HF波功率谱表现出明显的磁暴增强.磁暴(DstAE>200 nT)和高纬磁扰动(Kp >3)期间,功率谱的最大增幅比地磁平静时期大一个数量级.考虑到亚暴和高纬磁扰期间,来自空间的扰动影响主要是高纬度区域,电场HF波功率谱的增强主要受空间物理过程的影响.鉴于本文使用的是在太阳活动低年的数据,观测到的磁暴基本上都是弱磁暴,最大的也只是中等磁暴;可以推测强磁暴、烈磁暴甚至巨磁暴发生时,电场HF波功率谱的增强应该更加显著.如果在地磁平静时期尤其是没有磁暴期间,地球的局部区域出现电场HF波功率谱(尤其是1.66 MHz以上的)异常增大,那么就要着重考虑是否为地球内部的异常现象(如地震)所导致的电离层响应.     

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.     

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...     

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.     

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.     

玛尼7．5级地震前磁场与电离层异常特征研究

利用中国地磁台网与电离层台站资料，总结了1997年11月8日玛尼7．5级地震前出现的地磁低点位移、地磁日变异常及电离层，f0F2(F2层临界频率)异常现象。对比研究了玛尼7．5级与2001年11月14日昆仑山口西8．1级地震前磁场与电离层异常分布及特征，研究结果显示:2次巨大地震前磁场与电离层短临时空异常特征有较好的一致性，震中周围出现日变异常、拉萨台出现电离层，f0F2明显异常；震前约1个月出现低点位移，其突变分界线通过震中地区。     

汶川地区夏季电离层VLF背景分析

西南地区是我国地震灾害频发的区域,本文以汶川(31.0° N,103.4° E)为例,运用了空间网络化的方法对DEMETER卫星2005-2007年三年的5、6、7、8月的夏季电离层低频电场数据进行时空规律分析.通过将卫星接收到电场信号分为SLF、ULF、VLF和LF四个频段,研究了以汶川为中心纬度为21.0°～41....     

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Alfven谐振器对地面观测到的地磁信号的影响初步研究

本文研究了0.1~10 Hz频率范围内的ULF波从磁层到地面的传播,得到了解析解,分析了电离层Alfven谐振器、磁倾角、电离层电导率、以及波频率对地面观测到的地磁信号的影响.数值结果表明:在磁层中剪切波在竖直方向有明显的谐振结构;地面观测到的信号在IAR谐振频率出现极大值,其谐振频率随磁倾角的增大而增大;电离层电导率的变化可以改变IAR的谐振频率,并能改变波的透射,从而影响地面地磁信号的频谱.     

不同太阳活动及地磁条件下的电导率分布变化

电离层电导率在不同的太阳活动和地磁条件下会发生变化. 本文通过中性大气经验模式NRLMSISE_00（Neutral Atmosphere Empirical Model_2000,简称NRLMSISE_00）和电离层经验模式IRI_2001（International Reference Ionosphere_2001,简称IRI_2001）计算电离层的电子、离子碰撞频率以及电导率,并简要讨论了120 km和300 km高度上的电导率在不同季节、不同太阳活动和地磁指数下的经纬分布. 结果显示,电导率的分布与日照密切相关,且随太阳活动的变化而变化. 磁暴时电导率随地磁活动的变化相对于随太阳活动的变化要小,在120?km高度,磁暴期间电导率在低纬地区和高纬地区发生不同变化,且Pedersen电导率和Hall电导率变化趋势相反,向两极靠近,电导率变化幅度略有增长;在300?km高度上,磁暴对低纬地区和高纬地区电导率的影响要比120?km处大,Pedersen电导率和Hall电导率变化趋势相同,且越向两极靠近电导率的变化幅度越大.     

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.     

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.     

Ionospheric response to geomagnetic disturbances in the north-eastern region of Asia during the minimum of 23rd cycle of solar activity

We present the results of studies of the subauroral and mid-latitude ionosphere variations in the north-eastern region of Asia. We used the data from network of vertical and oblique-incidence sounding ionosondes and optical measurements. Long-term experiments on the radio paths Magadan–Irkutsk and Norilsk–Irkutsk were carried out within the period 2005–2007. Vertical sounding stations operated in standard regime. Observation of airglow near Irkutsk was provided by the zenith photometer that measured intensities of 557.7 and 630.0 nm atomic oxygen emissions. The results may be summarized as follows. (1) Large daytime negative disturbances are observed during the main and recovery phases mainly at high latitudes, whereas the positive disturbances observed during the main phase at mid latitudes. The disturbances changed their sign between Yakutsk and Irkutsk. (2) During the main and recovery storm phases the fall of foF2 associated with the equatorward wall of the main ionospheric trough is observed in the afternoon and evening. (3) Fluctuations of the electron density more intensive at mid latitudes during the storm main phase are observed during all considered periods. They are classed as traveling ionospheric disturbances (TID). Such sharp gradients of electron density are responsible for the strong changes in the characteristics of the radio wave propagation, particularity MOF. (4) A large-scale ionospheric disturbance is noted at the meridional chain of ionosonds in December 2006 as the sharp increase of foF2. It appears in the evening in the minimum of D_st at high latitude and propagate to equator. (5) A maximum of 630 nm emission above Irkutsk corresponds to the foF2 increase. (6) The obtained experimental data on the net of vertical and oblique-incidence sounding with high time resolution show that such net is the effective facility to study the conditions of the radio wave propagation and can be used for the diagnostic of the ionosphere.     

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.     

非洲磁异常对地磁场结构及其长期变化的控制作用

地球非偶极磁场在主磁场结构及其长期变化中起着重要作用.非偶极磁场主要表现为行星尺度磁异常,它们是南大西洋磁异常、非洲磁异常、欧亚大陆磁异常、澳洲磁异常和北美磁异常.在这5块磁异常中,非洲磁异常对磁赤道的形状和位置以及全球长期变化特征有极大的影响.非洲磁异常的重要性主要表现在3方面：第一,由于异常区位于赤道这一特殊的地理位置,所以它极大地影响磁赤道的形状和位置.相对于偶极场的地磁赤道而言,异常区所在的中北非洲和中大西洋地区的磁赤道向北移动,最大移动量可达约15°.第二,非洲磁异常的快速西漂对全球长期变化的分布起着决定性作用,它在该异常区西边的中美洲形成了全球最主要的长期变化区,在1900~2005年期间,最大年变率Zmax超过200 nT/a.第三,非洲负磁异常区与其南面的南大西洋正磁异常区相结合,〖HJ〗它们的变化使西半球地磁场强度大大减弱,也使全球磁场发生显著畸变.这两块磁异常与深部的反极性斑区有着成因联系.     

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.