中性气体释放人工产生气辉

电离层中分子性的离子与电子的复合要比氧离子与电子的辐射性复合快得多,因此火箭发动机产生的尾气和空间等离子体主动实验中主动释放的中性气体会对电离层有很大的影响,这么大的电离层扰动现象在过去的实验中经常可以观测到.根据中性气体在热层背景中的扩散方程,考虑电离层F区主要的离子化学反应,研究了H2,H2O和CO2气体在电离层高度上的扩散过程和电离层对所释放气体的响应,计算了气辉的体发射系数和发射强度.结果表明,中性气体在电离层高度上扩散非常迅速,在F区的一些高度上,主要正离子成分由O+转变为其他分子离子,且在释放过程中伴随气辉发射,发射气辉的波长和特征与释放物质的种类有关.      

小型箭载SF_6主动释放装置研究

化学物质释放是空间物理主动试验的重要手段之一.构建了一种基于探空火箭平台的SF_6气体释放装置,其具有体积小、自重轻、对运载平台要求低等优点,当装置自身质量为6kg时可实现2 kg的SF_6气体释放.仿真计算了SF_6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.研究结果表明,本装置能够有效消减电离层电子密度,具有较高实用价值.     

释放SF6气体扰动电离层时的人工气辉研究

在电离层高度释放SF₆气体能够显著扰动电离层.根据SF₆分子在电离层中的扩散方程,同时考虑其在电离层中主要的离子化学反应,研究了SF₆气体释放后电离层各粒子浓度的时空变化,计算了产生人工气辉的体发射系数和发射强度.结果表明,SF₆气体在电离层高度释放后,电子和O⁺的密度均有大幅度下降,主要的负离子成分由电子转变成SF₅^-;在释放过程中,主要产生777.4 nm和135.6 nm两种气辉,且前者的气辉强度远小于后者;电离层温度对气辉的强度有很大的影响.本文的数值计算与美国IMS/SF₆实验观测数据进行比较,结果近似,且通过数据比较还能准确推断出实验时当地的电离层温度.     

电离层H2O释放扰动效应的数值模拟研究

为充分研究化学物质在电离层释放的扰动效应和后期发展效果,基于化学物质在电离层的扩散模型、化学反应和电离层扩展F的控制模型,通过电离层H₂O的释放,研究电子e,H₂O,O+和H₂O+共4种粒子的分布状态,分析点源、多源和线源释放对电离层的扰动效果,比较不同高度、不同量和不同时间释放的影响结果,模拟夜间释放后期所激发的扩展F发展差异.结果表明,H₂O在电离层释放后,能有效耗散背景电子形成空洞,O+和H₂O+数密度呈椭圆形分布;点源、多源和运动目标线源等不同释放方式对电离层的扰动效果不同,证实了人工影响一定形态和区域电离层的可能性;H₂O释放扰动幅度,低层大于高层,白天强于夜晚,释放量越多扰动越突出;夜间化学释放能激发扩展F,并且释放量越多,激发效果越好.      

电离层中释放六氟化硫的流场及试验效应模拟

在电离层中释放六氟化硫时，释放初期的六氟化硫流速及流量等条件是影响释放效应仿真的重要因素，对仿真结果的准确性具有一定的影响.传统的六氟化硫释放引起的电离层效应仿真中并未讨论.基于Fluent流场仿真软件，针对不同释放初始条件并结合六氟化硫容器的结构，对六氟化硫释放过程中温度、压强以及喷口流速、流量等参数变化情况进行仿真计算，得到了以上参量在释放过程中的变化情况，并将其作为电离层化学物质释放三维动力学模型的初始参数，获得了更加精确的六氟化硫电离层释放效应仿真结果.      

电离层等离子体主动释放试验研究

等离子体主动释放试验是空间物理研究的一种主动、有效手段. 2013年4月中国科学院空间科学与应用研究中心在海南进行了中国第一次空间等离子体主动释放试验. 探空火箭在190 km高度释放了近1 kg碱金属钡, 形成一团由钡原子和钡离子组成的云团. 利用地面光学观测手段, 记录了钡云从释放初期到末期的演化全过程, 获取了钡云亮度、粒子密度、成分及扩散范围随时间的变化规律. 通过对钡云漂移的研究, 得到低纬度地区释放点处电离层的中性风场特性, 其分析结果对于研究低纬度地区电离层动力学特性具有一定指导意义.      

中纬电离层爆负相开始时间与磁暴主相开始时间的对应关系

本文假设以磁暴主相期间，由于极光椭圆带处的空气被加热上升，从而使高纬高空出现富含分子的气体，这些气体由于扩散及与中性风的相互作用会向低纬移动，其所到之处电子消失系数增加，从而导致负相电离层暴的发生，计算给出了全球中纬电离层暴负相的开始时间与磁暴主相开始时间之间的关系，并讨论了负相电离层暴发生的“时间禁区”问题，结果与有关统计结果符合得很好。     

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．     

中纬电离层暴负相开始时间与磁暴主相开始时间的对应关系

本文假设在磁暴主相期间,由于极光椭圆带处的空气被加热上升,从而使高纬高空出现富含分子的气体。这些气体由于扩散及与中性风的相互作用会向中低纬移动,其所到之处电子消失系数增加,从而导致负相电离层暴的发生。计算给出了全球中纬电离层暴负相的开始时间与磁暴主相开始时间之间的关系,并讨论了负相电离层暴发生的"时间禁区"问题。结果与有关统计结果符合得很好。      

电离层薄层高度对电离层模型化的影响

利用IRI2012模型分析了电离层薄层高度的时空变化规律,提出了基于应用中STEC的电离层改正误差分析理论,分析了电离层薄层高度变化的相关影响.结果表明,电离层薄层高度变化对电离层穿刺点位置、投影映射函数值、电离层建模结果、电离层模型精化和电离层模型精度评估结果的影响较大.高度截止角为10°时,电离层薄层高度变化导致电离层穿刺点的经纬度差异最大可达3.2°,投影映射函数最高可引入约15.46%的误差,电离层建模结果差异和建模实用误差最高分别达9.71%,3.64%,采用不同薄层高度数据的电离层模型参数拟合和模型精化结果最大可引入约9.26%的误差,采用不同电离层薄层高度数据进行模型精度评定时最大可引入约9.62%的误差.根据这些研究结果可知:在实际应用中应采用电离层薄层高度模型,并选取较大的卫星高度截止角来减小薄层高度变化引入的误差;采用固定高度时,区域电离层建模采用与实际电离层薄层一致的固定高度;进行精度评估时,参考数据的电离层薄层高度与需要精度评估的电离层模型薄层高度相等.      

Ionospheric response to solar and magnetospheric protons during January 15–22, 2005: EAGLE whole atmosphere model results

We present an analysis of the ionosphere and thermosphere response to Solar Proton Events (SPE) and magnetospheric proton precipitation in January 2005, which was carried out using the model of the entire atmosphere EAGLE. The ionization rates for the considered period were acquired from the AIMOS (Atmospheric Ionization Module Osnabrück) dataset. For numerical experiments, we applied only the proton-induced ionization rates of that period, while all the other model input parameters, including the electron precipitations, corresponded to the quiet conditions. In January 2005, two major solar proton events with different energy spectra and proton fluxes occurred on January 17 and January 20. Since two geomagnetic storms and several sub-storms took place during the considered period, not only solar protons but also less energetic magnetospheric protons contributed to the calculated ionization rates. Despite the relative transparency of the thermosphere for high-energy protons, an ionospheric response to the SPE and proton precipitation from the magnetotail was obtained in numerical experiments. In the ionospheric E layer, the maximum increase in the electron concentration is localized at high latitudes, and at heights of the ionospheric F2 layer, the positive perturbations were formed in the near-equatorial region. An analysis of the model-derived results showed that changes in the ionospheric F2 layer were caused by a change in the neutral composition of the thermosphere. We found that in the recovery phase after both solar proton events and the enhancement of magnetospheric proton precipitations associated with geomagnetic disturbances, the TEC and electron density in the F region and in topside ionosphere/plasmasphere increase at low- and mid-latitudes due to an enhancement of atomic oxygen concentration. Our results demonstrate an important role of magnetospheric protons in the formation of negative F-region ionospheric storms. According to our results, the topside ionosphere/plasmasphere and bottom-side ionosphere can react to solar and magnetospheric protons both with the same sign of disturbances or in different way. The same statement is true for TEC and foF2 disturbances. Different disturbances of foF2 and TEC at high and low latitudes can be explained by topside electron temperature disturbances.     

释放不同化学物质对电离层扰动的比较

在电离层F区释放氢（H₂）、水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）、六氟化硫（SF₆）、三氟溴甲烷（CF₃Br）、羰基镍（Ni（CO）₄）可以损耗局域等离子体电子密度,形成电子空洞,电离层电子密度的改变主要取决于释放物质的气态分子与电离层之间的离子化学反应.在电离层人工主动扰动实验中,应根据发射成本和扰动效果对释放物质进行选择.通过热力学原理和有限元模拟方法计算比较了上述6种物质对电离层的扰动影响.计算结果表明,6种物质中水的气化率最低,约为19%,其余5种物质都在60%以上,选择密度小的物质,例如H₂和CO₂,可以有效降低发射成本.另外,扩散较慢且化学反应较快的物质,例如SF₆和Ni（CO）₄,能够使得电离层电子密度减少得更多,并且受扰动区域更广、持续时间更长.     

强震前异常电场激发声重波对电离层的影响

震前地震孕育期地表异常增强的电场,通过大气电导率传输到电离层高度.该异常电场通过非稳态局部加热,可以在电离层高度激发声重波.基于该理论,利用一维时变中纬电离层物理模型,模拟了该扰动源对电离层电子密度的影响.结果表明,重力波引起的中性风速度扰动对电离层电子密度分布影响甚微,该机理无法解释震前电离层异常扰动现象.      

Identification of seismic activity sources on the subsatellite track by ionospheric plasma disturbances detected with the Sich-2 onboard probes

Using a cylindrical Langmuir probe and the authors’ proprietary two-channel pressure transducer, ionospheric plasma parameter distributions along the orbit of the Sich-2 satellite (Ukraine, 2011–2012) were measured. This paper is concerned with identifying the space–time location of ionospheric plasma disturbance sources, including the epicenters of actual earthquakes (before or during the satellite flyover) and incipient earthquakes on the subsatellite track, from the measured distributions of the electron density and temperature and the neutral particle temperature along the satellite orbit. To do this, the measured ionospheric plasma parameter distributions are connected to the coordinates on the subsatellite track.It is shown that local disturbances in the electron density and temperature and neutral particle temperature distributions in the satellite orbit in the ionosphere may serve as indicators of seismic activity on the subsatellite track. The epicenters of incipient earthquakes may be set off from other plasma parameter disturbance sources associated with seismic activity using information provided by special monitoring and survey centers that monitor the current seismic situation.     

The D-region ion composition and electron density response to strong solar proton events (model simulations)

Fluxes of energetic solar protons penetrate deep into the Earth’s polar cap middle atmosphere. Interacting with molecules of the air they cause additional dissociation and ionization, and the formed NO_x, OH_y and ions enter chemical and ion-molecular reactions. Induced changes of the ionospheric D-layer are modeled by a 1D model of lower ionosphere with chemistry, using neutral species concentrations calculated by a 1D photochemical time-dependent model. Changes of the electron and ion densities, and the most important ionospheric parameters are calculated after SPE with the onset on July 14, 2000 and the results are compared with our results obtained previously for the October 19, 1989 SPE. It is shown that not only electron density increases after SPE, but also the amount of clusters. It is found that the magnitude of the ionospheric response depends on season.     

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。     

基于电子密度同化的热层大气密度预报方法

采用热层电离层耦合模式TIEGCM和集合卡尔曼滤波同化方法,利用同化COSMIC电离层掩星电子密度数据优化热层电离层参量,并将模式预报的大气密度与CHAMP卫星大气密度数据进行对比,分别开展模拟和实测数据的同化预报实验.在模拟数据同化实验中,状态向量包含温度、风场和离子成分的实验结果表明,仅优化温度即可达到最优的热层大气密度预报效果.在实测数据同化实验中,将温度作为状态向量参数,优化结果表明,循环同化过程中模式预报的大气密度相对偏差的均方根误差在48h内从38%减小到27%,同化稳定时间至少需要30h.预报过程中大气密度预报效果的改善持续时间为34h.这表明电子密度同化能够改善热层大气密度的预报精度,设计的实验方案合理可行,可获得较长的预报时效.