大功率无线电波对高电离层的加热

根据动量方程、能量方程和电子的连续性方程，在偶极扩散的假设下，建立了地面入射的大功率无线电波加热高电离层的理论模型．作为应用，对以上方程组数值求解，计算了高电离层(150-400km)电子温度和电子密度随时间的变化．计算结果表明，对于一定参数的发射机，一定的吸收模型，电离层电子温度和密度均有明显的变化．我们发现，应用本文选取的加热参数，在电波反射点附近，电子温度有10％-25％的增加，电子密度有1％-2％左右的减少．电子温度达到稳态的时间要快于电子密度达到稳态的时间．最后，用本文的结果解释了电离层加热实验中的一些观测现象。     

大功率无线电波加热低电离层

等离子体对大功率电波的欧姆耗散会使电子温度升高,进而导致电子密度和其他等离子体参数改变,实现电离层的地面人工变态.本文基于大功率无线电波与低电离层相互作用的自洽模型,分析了不同入射条件下电离层参数的变化,主要结论如下:电离层D区是电波的主要吸收区,并且其吸收强度随入射频率的升高而降低,当入射频率为6 MHz（有效入射功率为200 MW）时电子温度的最大增幅约为520 K,电子密度最大增幅为7300 cm^-3左右;电子温度达到饱和所需时间小于电子密度的饱和时间,前者具有μs量级,后者具有ms量级;停止加热后,电子温度和密度迅速恢复到初始状态,恢复时间均小于各自的饱和时间,但量级相当;入射功率越高,电子温度和密度的增幅越大,并且饱和时间也越长,在相同入射条件下,夜晚的饱和时间要大于白天.     

南京地区斜向加热电离层效应数值模拟

与垂直加热相比,斜向加热电离层具有灵活性高、影响范围广和便于实际操作等优势.在非偏区考虑欧姆吸收,基于电子能量方程和连续性方程构建电波斜向加热低电离层的物理模型,并利用IRI-2007和NRLMSISE-00经验模型提供的背景参数对南京地区斜向加热低电离层进行数值模拟,对比不同加热条件下电子温度和电子密度的扰动情况.研究结果表明:电波加热效果随入射仰角和有效辐射功率的增大而增大;电子温度和电子密度增幅随电波频率增大而减小;X波模比O波模造成的电子温度扰动幅度和电子密度扰动幅度更大,同时X波模比O波模能更快地使电子温度和电子密度达到稳定状态;一定范围内较小仰角、较低频率、较大有效辐射功率的电波能使电子密度更快达到稳定,后两者还能加快电子温度达到稳定的过程;电子温度达到稳定所需时间随入射电波仰角呈单峰变化,仰角为62°时达到最大.      

基于一维模型的高频电波加热电离层F层数值研究

基于电离层一维仿真加热模型,详细介绍了模型中电子的动量方程、连续性方程、能量方程和各类参量表达式,利用对角矩阵追赶法数值求解电离层F层加热过程,分析了不同时次电子数密度和电子温度的变化,讨论了不同频率和不同功率电波加热的情形.结果表明:当高频电波加热高电离层时,电子温度迅速增加,并很快趋近于饱和状态;电子密度的变化较为迟缓,但在加热过程中其变化幅度却越来越大;电子密度变化量在沿磁场方向上形成空洞和上下稠团两峰一谷构型;频率越大、功率越高的电波加热时,电子密度的变化也越大,但存在一适值频率的电波对电子温度的影响最小.      

利用MF雷达对耀斑期间电离层D区电子密度的观测研究

利用MF雷达观测资料对X级别耀斑爆发期间在66-80km高度之间的电子密度进行了研究，观测到了耀斑爆发期间电子密度的突然增加，在较低高度上的电子密度的时间变化趋势与耀斑的软X射线辐射通量相关．电子密度的变化强度依赖于具体的耀斑参数，有些耀斑引起的电子密度增加高达400cm^-3，有些仅为100cm^-3左右．但耀斑期间在这一高度区间增加的总电子含量增量仅占耀斑辐射引起的整个电离层总电子含量增量的千分之一左右．最后，利用恢复阶段电子密度的时间变化过程估算了1997年11月4日耀斑期间部分高度上的有效复合系数．     

雷暴云准静电场和夜间低电离层的电离

用点电荷模型计算雷暴云突然放电后形成的准静电后形成的准静电场随高度的分布，以E/N（E的电场大小，N为大气密度）为输入参量，在一定条件下，对Boltzmann方程数值求解，计算电离层电子数密度的扰动。计算结果表明，在约70-90km之间，在约放电后的10ms内，准静电场大于中性大气的击穿电场，将引起大气的雪崩电离，从而引起夜间低电离层电子密度的显著增加，但这种电子密度的增加是暂的，在很短的时期内就恢复到平静时的水平，恢复时间随高度的变化而不同。     

大气行星波影响低频电波吸收变化的机制

本文根据冬季中低纬低电离层中、低频（ＬＦ）电波振幅扰动与高纬平流层中大气行昨波活动密切相关的观测事实，分析研究了可能引起低电离层对ＬＦ电波吸收变化诸因素的作用后，提出了一种能较好地解释观测现象的物理机制，大气行星波可通过两种方式改变大气离化率ｑ，因而引起低电离层中电子密度Ｎ扰动，进而改变由Ｎ大小决定的电离层电波吸收值，结果导致ＬＦ电波振幅发生相应变化。文中给出了描述这一物理计算公式和某些计算结果。     

磁暴期间中纬度电离层剖面结构变化的数值模拟

利用电离层理论模型模拟了磁暴期间热层大气温度、成分、中性风和电场扰动对电离层电子密度剖面结构，特别是峰值密度和峰值高度变化的影响，结果表明，热层大气温度变化所引起光化反应系数的改变对电离层剖面结构影响不大；热层大气成分特别是Ｎ２／Ｏ的变化能有效地引起密度剖面变化，Ｎ２增加足以使峰值密度产生所观测到的负相暴；由中性风和电场引起等离子体漂移是峰值高度ｈｍＦ２变化的主要原因，但对电子密度的影响不足以抵消     

非相干雷达探测低电离层的结果分析

位于波多黎各的Arecibo非相干雷达可以获得低电离层电子和离子密度, 利用此非相干雷达数据对中纬度低电离层的运动特征进行研究. 得到了电子密度随时间和高度的变化 情况, 结果显著呈现出周日变化特征, 并分析了电子密度随高度的变化规律. 进一步对数据进行频谱分析, 深入研究低电离层电子密度的周日变化效应. 得到电子密度的高度剖面, 发现从F层底部到E层有明显的等离子体沉降. 低电离层的层结构特征及电子密度变化表明, 在该区域还存在不同程度的等离子体扰动, 由此对低电离层的作用因素 进行分析, 认为大气潮汐或声重波可能对低电离层产生扰动, 即低电离层与大气存在一定程度的耦合作用.      

预加热时间对低电离层预加热幅度调制的影响

基于电离层连续方程和能量方程，建立预加热模式下低电离层幅度调制加热理论模型，模拟大功率电波幅度调制电离层电导率和电流随时间的变化，分析预加热时间对幅度调制产生的极低频/甚低频（ELF/VLF）强度的影响.结果表明，低电离层中的电流能够被大功率电波有效调制，可以作为ELF/VLF电波的辐射源.预加热幅度调制模式在预加热时间较长时效果更明显.在考虑能耗的情况下，当有效辐射功率为200MW及高频波的调制频率f_ELF/VLF为1kHz时，预加热幅度调制模式辐射ELF/VLF加热0.1s时效果最好，强度可提高约7.95dB.      

化学物质释放人工改变电离层

考虑中性气体在电离层高度的扩散过程和相应的电离层离子化学过程，研究了利用主动化学物质释放来改变电离层的方法，理论计算了H2O和SF6两种气体释放后电离层随时间的响应过程，结果表明，在电离层高度上气体的扩散过程非常迅速，电离层F区的电子密度有很大程度的减少，而扩散慢且化学反应快的气体对电离层的影响更大，就更加有利于电离层洞的形成。     

不同上边界条件下的极区电离层数值模拟

利用一维自洽的极区电离层模型,研究了沿磁力线方向不同电离层-磁层耦合条件下极区电离层的响应.此模型在110-610km的电离层空间区域内,综合求解描述极区电离层的连续性方程、动量方程和能量方程,以得到电离层数值解.研究发现,上边界条件在200 km以上的高度能显著地影响电离层参量的形态.较高的O+上行速度对应较低的F层峰值和较高的电子温度.不同边界O+上行速度对应的温度高度剖面完全不同.200km以上电子温度高度剖面不但由来自磁层的热流通量所控制,同时还受到场向O+速度的影响.对利用电离层模型研究电离层内部物理过程提出了建议.      

Satellite launch vehicle effect on the Earth’s lower ionosphere: A case study

The effect of the rocket exhaust products on the D-region of the ionosphere is investigated with the help of Very low frequency (VLF) electromagnetic wave propagation characteristics within the Earth-ionosphere waveguide. The changes in the electron density profile are computed from the observed VLF signal amplitude perturbations about 3 dB during the rocket launch. We find a localized electron depletion in the lower ionosphere at an altitude of around 58 km, that is thought to be originated by the attachment of ionospheric ion and molecular hydrogen along with water molecule in the exhaust product of first stage burn of Geosynchronous Launch Vehicle (GSLV) rocket at the time of GSLV launched from Sriharikota, India, on 27 August 2015 at 11:22 UT (16:52 IST). The ionospheric depletion perturbed the navigational VLF signal (VTX = 17 kHz) 134 s after the launch of the GSLV rocket.     

大功率高频无线电波对赤道E区双流不稳定性的影响--PIC静电粒子模拟研究

地面入射的大功率高频无线电波(泵波)和电离层等离子体之间的参数相互作用，能够引起静电波的激发，在一定条件下，产生不稳定性．本文用PIC静电粒子模拟方法，研究泵波与赤道电离层E区等离子体的相互作用．研究结果表明，泵波能够控制双流不稳定性的发生，在不同条件下，泵波对双流不稳定性起着稳定与不稳作用，模拟结果定性地与理论研究结果相符合，这为我们对不规则体产生的地面人工控制提供了依据．     

低纬地区夜间电离层底部电子浓度与磁扰的关系

本文利用100kHz的低频无线电波资料,计算分析了1986—1987年期间,几种不同磁扰情况下,低纬地区夜间电离层中100km以下区域积分电子浓度及其变化的起因.结果表明:该区域电子浓度的变化与地磁扰动关系密切.在磁静日期间,其值较小,且随磁扰而变化,但比磁扰滞后1到2天.在磁暴后,其值较大,会出现几次剧烈起伏.该区域积分电子浓度的起伏可大于一个量级.沉降电子产生的动致辐射可能是引起该区域电子浓度变化的主要原因之      

Effects of geomagnetic storms on the bottomside ionospheric F region

The geomagnetic storm is a complex process of solar wind/magnetospheric origin. The variability of the ionospheric parameters increases substantially during geomagnetic storms initiated by solar disturbances. Various features of geomagnetic storm act at various altitudes in the ionosphere and neutral atmosphere. The paper deals with variability of the electron density of the ionospheric bottomside F region at every 10 km of altitude during intense geomagnetic storms with attention paid mainly to the distribution of the F1 region daytime ionisation. We have analysed all available electron density profiles from some European middle latitude stations (Chilton, Pruhonice, Ebro, Arenosillo, Athens) for 36 events that occurred in different seasons and under different levels of solar activity (1995–2003). Selected events consist of both depletion and increase of the F2 region electron density. For European higher middle and middle latitude the F1 region response to geomagnetic storm was found to be negative (decrease of electron density) independent on the storm effect on the F2 region. For lower middle latitude the F1 response is weaker and less regular. Results of the analysis also show that the maximum of the storm effect may sometimes occur below the height of the maximum of electron density (NmF2).     

Observation of wave structures in the upper atmosphere by means of radio holographic analysis of the radio occultation data

A radio holographic approach, developed by Pavelyev (1998), Hocke (1999), Igarashi (2000), is applied to observation of wave phenomena in the upper atmosphere using Global Positioning System — “Microlab-1” satellite (GPS/MET) radio occultation data. In the current state the radio holography approach uses the radar focused synthetic aperture principle to obtain high spatial resolution, and to remove the interference part corresponding to scattering from the upper ionosphere. High spatial resolution and accuracy of the radio halographic method is validated by means of revealing the weak signal reflected from the sea in the GPS/MET radio occultation data. The radio holographic method gives a new possibility to measure directly the vertical gradient of the electron density altitude profile in the D-layer using the radio occultation signal. The results of the application of radio holographic analysis to two GPS/MET occultation events (07 February 1997, No. 0447, 0158), in the D-region of the ionosphere, are discussed. Wave structures in the electron density concentration with a vertical spatial period of 1.4–6 km, and variations in the electron density gradient from ±5·10⁹ to ±8·10⁹ [1/(m³km)], have been retrieved from the D-layer data. The features observed in the vertical electron density profiles may be connected with breaking of gravity waves in the D-layer of the ionosphere.