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.      

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.     

大功率无线电波与低电离层的相互作用

地面入射的大功率无线电波能加热电离层等离子体，引起电离层电子温度和密度的扰动，实现电离层的地面人工变态．本文中，着重考虑电波和电离层相互作用过程中的自吸收，构造一个自治的相互作用模型，在一定功率和频率的加热电波作用下，利用该模型计算了白天低电离层电子温度和由温度的变化而引起的电子密度的变化．计算结果表明，在白天低电离层，电波的自吸收在90km以下比较显著，而最大温度变化在70km高度上，大约增加了2倍．在α复合的假设下，电子密度变化幅度随高度的增加而减少，在70km处，大约增加55％、120km处则为4％左右．     

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。     

电离层Es电波传播模型研究

考虑大气折射的影响,对不同高度Es层条件下大圆路径传播距离与仰角的关系进行计算.基于电离层Es电子密度时空分布特点,建立高阶Es反射模型;运用高阶修正贝塞尔函数表示电离层Es电子密度扰动的自相关函数,综合考虑电离层Es各向异性结构的尺度关系,建立高阶Es散射模型.仿真计算Es层VHF斜入射传播衰减与频率、距离的关系.对于反射模型,Es层厚度越厚,电波衰减越大.对于散射模型,Es层不规则体水平尺度相同,垂直水平漂移的尺度越大,衰减越大;而垂直水平漂移的尺度相同,水平尺度越大,衰减越小.无论反射模型还是散射模型,f₀E_s越高,衰减越小;电波工作频率越高,衰减越大.对比建立的模型与VHF链路的测量结果,明确不同强度的电离层Es反射/散射机制,证明了建立模型的正确性.      

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.      

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.      

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.      

电离层拟合方法及路径参数量化分析

针对多层电离层,采用反抛物层作为连接层来描述电离层之间区域的电子密度分布.以电子密度和其相对于高度的一阶偏导数连续为依据,拟合出连接层的临界频率、半厚度和底高等电离层参数.将电离层的准抛物模型和连接层的反抛物模型中计算出来的等离子频率代入Appleton-Hartree公式和Snell定理,结合射线的几何结构完成多层电离层中的射线追踪,同时计算群路径、相路径和传输距离这3种重要的路径参数.分析当给定频率时,路径参数与入射角之间的关系,群路径、相路径与传输距离之间的关系,频率对路径参数之间变化关系的影响;同时分析了给定入射角时,路径参数与射线工作频率之间关系和入射角对于路径参数之间变化关系的影响.     

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.      

Enhancement of VLF-ducts under the action of high power radio wave on the ionospheric F-region

Wave effects are discussed pointing to improvement of whistler propagation in the ionosphere illuminated by a powerful radio wave. The large scale irregularities (ducts) responsible for these effects are formed in the illuminated ionospheric region by the process of electron heating by the fields of the pump wave and excited plasma oscillations. These irregularities may also be created in the ionosphere and plasmasphere by fluxes of suprathermal electrons accelerated by the plasma turbulence in the reflection region of the pump wave.     

参量激励过程中三波耦合的一般色散关系(Ⅱ)一般色散关系以及泵场阈值和增长率

本文讨论了各向同性的均匀有耗电离层背景下激励参量不稳定性的三波耦合过程．首先推导有耗情况下参量激励过程中的一般色散关系，然后针对文献得出的两种频率和波矢匹配条件计算激励参量不稳定性所需要的泵波阈值场强和受激励的等离子体波的增长率．结果表明，过密加热时泵场阈值与电子碰撞频率和离子碰撞频率的乘积成正比，不同于以前的一些理论模型得到的泵场阈值与碰撞频率的一次方成正比的结论；欠密加热比过密加热需要能量更高的高频泵波来激励参量不稳定性．     

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.      

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      

Location of layered structures in the ionosphere and atmosphere by use of GPS occultation data

A method is introduced to locate the layered structures in the atmosphere and ionosphere based on simultaneous observations of radio wave intensity and phase variations in trans-ionospheric satellite-to-satellite links. The method determines location of a tangent point on the trans-ionospheric ray trajectory where gradient of refractivity is perpendicular to the ray trajectory and influence of a layered structure on radio wave parameters is maximal. An estimate of the location of a layer can be obtained from a combination of the phase and intensity variations. This new technique was applied to measurements provided during FORMOSAT-3 and CHAMP radio occultation (RO) missions. For the considered RO events the location of the inclined plasma layer in the lower ionosphere is found and the electron density distribution is retrieved. The method is checked by measuring the location of the tangent point on the ray trajectory in the neutral gas in the atmosphere. The results showed a fairly good agreement.     

Numerical study of traveling ionosphere disturbances with vertical incidence data

High frequency ionosphere vertical sounding, as an important and representative application for detecting the ionosphere and studying the characteristics of radio propagation, can be utilized to monitor the ionosphere continuously variation and to acquire the ionosphere asymmetrical features of diverse scale above the ionosphere vertical sounding stations. This is a first article on real time application of numerical methods to obtain the parameters of traveling ionosphere disturbances (TIDs) using vertical incident ionograms. In this paper, the distribution of ionosphere electron density with TIDs is constructed using a background ionosphere model superimposed a perturbation theory model. The background ionosphere electron density is modelled by the inversion of vertical incident ionograms which are observed before the appearance of the disturbance. Based on the fourth order Adams-Bashforth-Moulton (the so-called ABM) predictor corrector method, instead of Runge-Kutta method, the fast digital ray tracing method is established. According to process of the disturbed trace simulation and parameters inversion, the characteristic parameters of ionosphere disturbance at different detection time can be obtained in real time. The numerical analysis of TIDs is then captured completely.