VLF波渗透电离层传播计算研究进展

3~30kHz的甚低频（Very-Low-Frequency,VLF）电磁波对近地空间的高能粒子分布具有非常重要的作用.闪电和地面VLF通信台等VLF波主要辐射源产生的VLF波能够渗透进入电离层,并以哨声波模式继续传播至磁层与高能粒子发生相互作用.本文从VLF电磁波渗透电离层传播计算方法的发展、计算模型验证以及模型在电离层现象研究中的应用等方面对VLF波渗透进电离层之后的传播计算的研究进展进行综述,并对未来研究进行初步展望.      

VLF波从大气层到低电离层的传输特性分析

基于传播矩阵法计算了均匀半空间电离层的反透射系数, 同时解Booker复系数四次方程得到电离层的复折射指数, 分别研究了电离层反射透射系数及折射指数随VLF频段入射电波频率、入射角和地磁倾角、电离层电子浓度及碰撞频率的变化规律. 计算结果表明, 在VLF频段, 垂直电偶极子辐射的横磁(Traverse Magnetic)波更易透射进入电离层, 而水平电偶极子辐射的横电(Traverse Electric) 波易被限制在地-电离层波导内来回反射. 电离层电子密度较低时 (如夜间), 在高纬度地区, 观测到地震电离层VLF异常的概率更大. 当考虑地磁场 的影响时, 电离层将允许地震辐射的超低频(Ultra Low Frequency ,ULF)/甚低频 (Very Low Frequency, VLF)部分的电磁波透射进入电离层, 这一点已有很多卫星观测事实为证, 但其进一步的物理机制尚需深入研究.      

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.      

VLF电波渗透到卫星高度电离层传播的全波计算

考虑斜向地磁场的影响将电离层设为多层水平分层各向异性有耗介质, 利用传播矩阵法求解全波方程, 进而研究分析VLF频段电离层反射系数随电波频率的变化, 电离层中两种特征极化波的折射和极化特性, 两特征波的电磁场水平分量以及坡印廷能流密度随传播高度的变化. 数值计算结果表明, 地—电离层波导中的垂直极化波比平行极化波易渗透进入电离层; 电离层中两种特征极化波可分为左旋和右旋圆极化波, 左旋分支由于D层强吸收作用表现为速衰减模, 而右旋分支表现为可传播模, 在传播过程中电磁波的能量主要存储在磁场中; 电波频率越低, 其在电离层中的传播损耗越小. 由数值模拟结果发现, 卫星监测VLF频段的低频部分及更低频段的水平磁场变化对于发现地震电离层电磁前兆异常可能更为有效.      

DEMETER卫星记录到的电离层加热现象

在法国DEMETER卫星运行期间, 地基电离层加热装置SURA和HAARP开展了一系列加热试验, 记录到各类电离层异常信息, 发现电离层加热过程中卫星观测的电离层扰动信号包括HF发射泵波及边带泵波、VLF人工源增强及频谱拓展、ULF/ELF/VLF调制波、ELF电磁扰动、ULF谐振波、等离子体特征参量扰动及高能粒子沉降等. 由于传播及耦合机制的差异, 发射泵波可以穿透电离层直达卫星高度, 其观测概率最高达到68%以上, 其他扰动受发射调制模式及当地电磁环境等影响,观测概率相对较低, 均在40%左右, 有些甚至是某次试验中出现的个别事例. 结合中国地震电磁监测试验卫星飞行轨道设计及载荷配置等,对未来开展加热试验进行了分析论证, 并参考DEMETER卫星试验结果给出了一些建议.      

背景条件对低电离层预加热幅度调制的影响

基于电离层连续性方程和能量方程,建立了预加热模式下低电离层幅度调制加热理论模型,研究预加热阶段电离层电子密度和调制阶段电流随预加热时间的变化,探讨不同背景条件对幅度调制产生的极低频/甚低频（ELF/VLF）电磁波强度的影响.结果表明,预加热调制在90~100km高度效果较好,在夜间进行预加热调制激发的ELF/VLF强度增幅不明显,各季节中在春季调制强度增幅最大,太阳高年预加热调制比太阳低年的效果好,低纬地区强度增幅远大于中纬地区强度增幅.在一定加热条件下（有效辐射功率200MW,频率1kHz）,不同背景条件（除夜间外）下的预加热幅度调制模式在考虑能耗情况下,均在预加热10s时效果最好.      

敏捷数字电离层测高仪系统研制及初步观测

在小型天线和低发射功率条件下，保证电离层测高仪观测数据质量和提高观测速度一直是电离层垂测的技术难点.针对这一问题，基于新近发展的高速数字芯片和射频器件，采用窄带跟踪滤波、脉冲压缩、编码复用和天线均衡匹配等技术，设计和研制一种敏捷数字电离层测高仪.该系统采用数米高的小型收发天线和便携式主机系统，配置任意频率扫描方式频高图、高分辨率多普勒频高图和斜向探测等多种工作模式，具有可流动观测布站、系统参数灵活捷变及适合快速电离层扰动探测等能力.敏捷数字电离层测高仪为组网观测获得大范围电离层时空变化和电离层快速扰动及传播提供了一种有效的探测手段.      

宇宙噪声的电离层闪烁

本文给出了薄相屏近似条件下的电离层闪烁Fourier功率谱和Bessel功率谱与电离层不均匀结构电子密度涨落空间谱之间的关系。对窄波瓣天线Riometer获得的宇宙噪声资料进行了分析,结果表明:宇宙噪声资料包含着电离层不均匀结构的信息。Riometer观测结果也可用于电离层闪烁问题的研究。     

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.      

VLF相位突然异常与太阳X射线事件相关性的分析

本文通过实测的VLF信号的SPA事件的数据和太阳X射线爆发通量密度之间的相关分析,建立了它们之间的数值关系.由于在SPA事件时,电离层高度的变化与太阳X射线爆发的通量密度之间的相关性很好,可以利用SPA事件的数据来估算太阳X射线爆发的强度.因为大气的吸收,在地面上不能直接观测X射线强度.作为一个实例,用推出的数值关系,计算了1982年6月3日的一次SPA事件,并与X射线爆发的数据作了比较.      

关于甚低频无线电波在电离层中衰减的计算

对甚低频无线电波在电离层中由碰撞引起的衰减进行了分析计算．利用二维傅里叶变换的方法,导出了衰减量随电子的碰撞频率、波的工作频率和地磁场的方向变化的解析表达式．给出了不同地磁场方向下衰减量随工作频率变化的数值结果．      

Ionospheric precursors of earthquakes recorded by VLF receiver at Tashkent IHY station

Tashkent International Heliophysical Year (IHY) station is a member of Atmospheric Weather Electromagnetic System for Observation, Modeling and Education (AWESOME) network being operated globally to study the ionosphere and the magnetosphere with the help of electromagnetic waves in Very Low Frequency (VLF) band. Regular monitoring of the D- and F-layers of ionosphere over Central Asia territory is being performed on the permanent basis starting year 2008. We have studied VLF amplitude anomalies related to the EQs occurred in 2008–2009 years with magnitude more than 5 on the path way from the VLF transmitters to the Tashkent station assuming that propagation of VLF ground-based transmitters signals can be perturbed by EQ preparation detectable from the ground-based measurements in the VLF bands. For analyzing narrowband data we have used the nighttime fluctuation (NF) method paying attention to the data obtained during the local nighttime (20:00 LT–04:00 LT) in Tashkent where the VLF receiver is operating. The mean nighttime amplitude (or trend) and nighttime fluctuation are found to increase significantly before the EQ occurred on the path way from the transmitters to the receiver. The obtained results have revealed an agreement with VLF amplitude anomalies observed in Tashkent VLF station during the strong EQs occurred on the path way from the transmitters to the receiver. Some results are presented to show the probing potentiality of VLF waves to predict short term EQs with high magnitude.     

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.     

半空间中机载甚低频双拖曳天线电磁辐射特性

对半空间中机载甚低频双拖曳天线电磁辐射特性进行了研究.基于有限元算法建立了机载甚低频双拖曳天线半空间全波仿真模型,利用边界条件模拟了海面半空间环境,深入分析了海面半空间环境对于机载甚低频双拖曳天线辐射特性的影响,通过调整机载甚低频双拖曳天线长短比,优化了机载甚低频双拖曳天线的输入阻抗、辐射效率等设计参数,该研究结果与美国海空军发展中心公布的数据吻合较好,验证了研究结论的有效性和可信性,对机载甚低频双拖曳天线的设计及应用具有参考意义.      

Appearance of VLF and ELF-noises in topside ionosphere under the action of high power radio wave from data of satellite intercosmos-24

Results of a satellite experiment are presented on detection of VLF and ELF-waves excited by irradiation of the night ionosphere F-region by the field of a nonmodulated high-power radio wave. The excited VLF and ELF-waves have been detected at the topside ionosphere heights h=500–1000 km in the frequency bands 8 kHz相似文献   

Model for the VLF/LF radio signal anomalies formation associated with earthquakes

The influence of quasi-static electric field of seismic origin on the characteristics of the internal gravity waves (IGWs) in the Earth’s ionosphere is considered. The electric field in the ionosphere arises due to the injection of charged aerosols into the atmosphere, formation of an EMF in the near Earth atmosphere and perturbation of the conductive electric current in the global electric circuit. Amplification of the electric current in seismic zone is accompanied by the formation of perturbation of the lower ionosphere that affects the amplitude and phase of VLF/LF signals. The action of the electric field on the IGWs is connected with the appearance of the Ampere’s force in the ionosphere. In the spectral range of these waves the latter acts on the neutral component of the ionosphere plasma. As the result of this interaction the ionosphere starts to support the discrete spectrum of oscillations. Periods of their maximums increase as numbers of natural sequence. The existence of such peculiarities of the waves in the ionosphere is confirmed by observations.