电离层中SEE现象的静电粒子模拟

利用网格粒子云（PIC）模型。在一定条件下，对电离层加热实验中静电波的激发和参量不稳定性的产生，作一维静电粒子模拟，模拟结果表明，SEE的特征与加热泵波频率ω0和电子回旋频率nωce之间的比值有关。入射泵波的电场与地磁场之间的夹角也是影响SEE的一个因素。     

二维静电孤立波的粒子模拟研究

利用二维粒子模拟程序研究了双流不稳定性激发静电波并演化为静电孤立波的物理过程.计算结果表明,在线性增长阶段,主要激发的是沿磁场传播的静电波;在非线性演化阶段,相邻的静电波会互相合并,直至形成静电孤立波,并可激发静电哨声波.还研究了磁场强度和离子温度对此过程的影响.当磁场强度比较小时,无法形成静电孤立波,只有磁场强度达到一定程度后静电孤立波才能形成;同时,离子温度会影响静电孤立波的稳定性,当离子温度比较小时,静电孤立波的稳定性减弱,在演化一段时间后会逐渐瓦解.      

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.      

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．     

有限β等离子体中密度和磁场不均匀驱动的动理学Alfven波

在分析有限β等离子体中的密度、磁场不均匀引起的漂移波不稳定性的基础上，剖析了漂移波不稳定性对动理学Alfven波激发的作用．动理学理论能正确地处理有限拉莫半径效应和波粒共振相互作用，本文根据带电粒子在电磁场中的运动特性，采用Vlasov方程描述离子运动，运用漂移动理学方程对电子运动进行描述．密度不均匀和磁场不均匀对产生漂移不稳定性的对比分析表明：在有限β等离子体中，密度不均匀比磁场不均匀更易激发漂移不稳定性，且密度不均匀激发漂移不稳定性中的能量转换和转移更为强烈．这种能量的转换为动理学Alfven波的激发提供了物理基础．所得数值解表明：动理学Alfven波在磁层中能广泛地被激发产生，特别是在磁层空间的极尖区、磁层顶和等离子体片边界层等具有明显的不均匀性区域中更容易被激发产生．本文的研究结果进一步表明动理学Alfven波对磁层空间中能量传输具有重要作用．     

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．     

从空间飞行器入射进电离层的调制电子束产生的高频波辐射

在主动束-等离子体试验中,调制电子束从空间飞行器入射进电离层等离子体将会产生电磁波辐射,在不同试验条件下电磁波辐射机理也不一样,由电子束纵向约束性产生电磁波辐射是其中之一.对半无界稀薄调制电子束从空间飞行器入射进电离层等离子体时所产生的波现象进行了理论分析和数值计算.结果表明,当调制电子束沿磁力线入射时,会在电离层等离子体中产生高频电磁波辐射,该辐射主要集中在垂直于入射电子束运动方向的平面内.      

极光区电离层Hall电导率的观测及其在E层电子加热情况下的特征

本文利用欧洲的ＥＩＳＣＡＴ雷达观测资料及与这配合的地磁观测数据，用电离层参数直接计算和地面磁场反演两种方法导出了极区电离层Ｈａｌｌ电导率，特别显示出在强对流电场激发的Ｅ层等离子体不稳定波对电子加热情况下，电导率明显增高。     

双离子成分下的赤道电离层R-T不稳定性

等离子体R-T(Rayleigh-Taylor)不稳定性被认为是赤道夜间F区电离层产生不规则体的主要机制, 经典理论中只考虑了氧离子一种正离子成分, 等离子体R-T不稳定性的表达式与氧离子质量和密度无关. 事实上, 在有些情况下, 电离层F区往往不仅仅只有一种正离子存在. 本文利用连续性方程、动量方程和电流守恒方程, 采用微扰方法, 推导了双离子成分条件下, 赤道电离层R-T不稳定性线性增长率的表达式, 研究多种正离子成分对R-T不稳定性的影响. 结果表明, 双离子成分下线性增长率与两种正离子的数密度和质量都相关, 增长率的大小依赖于两种正离子成分所占的比例.      

在轨发动机射流的电离层效应

卫星等航天器在轨运行期间,通过喷气实现姿态控制、轨道调整等特定需求.喷气射流与电离层相互作用,能够引起电离层环境改变,对星载设备产生重要影响.通过研究航天器在轨发动机喷气射流在电离层中的动力学及化学反应过程,建立射流的电离层效应物理模型,模拟了不同射流量及高度条件下喷气射流的运动过程、密度分布及电离层扰动效应.仿真结果表明,相同高度下,随着射流量增加,电离层扰动效应逐渐增强;相同射流量条件下,随着高度增加,电离层扰动效应逐渐减弱,扰动区域逐渐扩大.      

Ionospheric wave processes during HF heating experiments

Effects of ionospheric modification produced by powerful high frequency radio waves are studied using the method of field-aligned scattering of diagnostic HF radio signals. Observations of scattered HF signals have been made by the Doppler spectrum method. Analysis of the experimental data shows the appearance of quasiperiodic variations in Doppler frequency shift f_d, with periods 30–60 s during the heating cycles. Powerful HF waves are assumed to excite the Alfvén resonator generating oscillations of the magnetic field lines in the heated region and giving rise to f_d artificial variations and magnetic pulsations. In the case of continuous action of the powerful HF transmitter ionospheric waves are sometimes observed with periods 12–25 min, typical of medium-scale travelling ionospheric disturbances.     

大气重力波与电子密度扰动的耦合

本文从相互耦合的大气流体方程和双流体等离子体方程出发, 导出了赤道F区大气重力波和电子密度扰动的耦合色散关系, 据此对两者的共振相互作用作了进一步的理论分析。结果表明, 大气重力波可以通过共振耦合将部分能量转换给带电粒子, 为赤道扩展F提供初始电子密度扰动;在这过程中, 等离子体不稳定性对共振条件和共振耦合有着重要的影响。      

Equatorial ionosphere–thermosphere system: Electrodynamics and irregularities

The equatorial ionosphere and thermosphere constitute a coupled system, with its electro dynamical and plasma physical processes being responsible for a variety of ionospheric phenomena peculiar to the equatorial region. The most important of these phenomena are: the equatorial electrojet (EEJ) current system and its instabilities, the equatorial ionization anomaly (EIA), and the plasma instabilities/irregularities of the night ionosphere (associated with the plasma bubble events – ESF). They constitute the major topics of investigations having both scientific and practical objectives. The tidal wind interaction with the geomagnetic field is responsible for the atmospheric dynamo electric fields, that together with the wind system, drives the major phenomena, under quiet conditions. Drastic modifications of these phenomena can occur due to magnetospheric forcing under solar-, interplanetary- and magnetospheric disturbances. They can also undergo significant modifications due to forcing by atmospheric waves (such as planetary- and atmospheric gravity waves) propagating upward or from extra tropics. This article will focus on the ambient conditions of the ionosphere–thermosphere system and the electro dynamics and plasma instability processes that govern the plasma irregularity generation. Major emphasis is given to problems related to the structuring of the equatorial night ionosphere through plasma bubble/ESF irregularity processes. Specific topics to be covered will include: equatorial electric fields, thermospheric winds, sunset electrodynamic processes, plasma drifts, EEJ plasma instability/irregularity generation, nighttime/post sunset plasma bubble irregularity generation, and very briefly, disturbance electric fields and winds and their effect on the ionization anomaly, the TEC and ESF/plasma bubble irregularities.     

赤道地区和中纬度地区扩展F的特点和比较

通过数值模拟研究了赤道地区和中纬度地区扩展F的触发机制间的联系,发现相同的触发机制在不同纬度的条件下所演化出的结构形态不相同,因此观测上会有所不同;研究了西向电场在赤道地区的作用,发现在适合的电离层参数组合下会产生观测到的电离层F区顶部扰动出现率高于底部扰动出现率的状况;在数值模拟的基础上提出了一个中纬度地区电波散射的模型,用以解释观测到的中纬度地区电波散射的出现率高于线性理论预期的现象.      

High-frequency radio experiments with the WISP system on Spacelab

WISP/HF is the medium- and high-frequency part of the Waves-In-Space-Plasmas facility. It is a flexible Shuttle/Spacelab instrument for transmitting, receiving and processing signals in the 0.3 to 30 MHz range. WISP/HF will be used to study the transmitting antenna, fundamentals of electromagnetic (EM) and electrostatic (ES) waves in magnetoplasmas, plasma instabilities and nonlinearities, and sounding of ionospheric structure.     

电离层Es对HF和VHF传播信号的影响

Es层是存在于电离层中的电子密度非常高的偶发E层（Sporadic E）,其电子密度可达常规E层的100倍.电离层Es能够反射原本穿透F层的VHF低频段（30~150MHz）无线电波,而且对HF高频段（10~30MHz）无线电波传播具有显著影响.运用垂测和斜测观测数据,研究HF频段Es层电波传播特征,得到了不同类型及不同高度Es层的衰减系数.根据f₀E_s的日变化规律,可得HF频段衰减系数的日变化规律,进而分析并得到Es层对短波传播的影响.不存在电离层Es时,通常无法通过电离层实现VHF超远距离通信.为了对VHF链路通过电离层Es的传播衰减进行定量分析,根据EBU多条链路的观测结果,拟合并建立了电离层Es衰减模型.将该模型、ITU模型和观测数据进行对比,发现本文建立的模型准确度更高.利用建立的模型,对电离层Es不同临频f₀E_s条件下接收信号场强和电压随传播距离的变化进行了计算,结果可为VHF链路设计及建立提供参考.      

Injection of 40-kHz-modulated electron beam from the satellite: II. Excitation of electrostatic and whistler waves

Beam-plasma interaction effects are studied during the active space experiment with electron and Xe-ion beam injections in an ionospheric plasma. Permanent 40-kHz-modulated electron beam injection occurs simultaneously with a xenon-ion beam injected by the Hall-type plasma thruster operating in a square-pulse mode (100/50 s for a job/pause duration). The unusual behavior of the background charged particle fluxes and wave activity stimulated during the beam-plasma interaction have been registered by the scientific instruments onboard Intercosmos-25 station (IK-25) and Magion-3 subsatellite. The longitudinal and electromagnetic wave instabilities and their mutual relationship are considered in order to explain the observed effects. The excitation of electrostatic waves by the electron injection has been considered for different resonance conditions near the linear stability boundary. Beam-driven electromagnetic instability is responsible for the backward-propagating whistler waves excited via cyclotron resonance. Competition of these two beam instabilities is one of the subjects of the present study.     

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．