基于试验粒子模拟的电离层人工调制激发的极低频和甚低频波对磁层高能电子的散射效应

电离层调制加热能够有效激发极低频和甚低频(ELF/VLF)波,其中向上传播进入磁层的ELF/VLF波能够与高能电子发生共振相互作用,具有人工沉降高能电子、消除辐射带等潜在实际用途.本文综合运用射线追踪和试验粒子方法模拟电离层人工激发的单频ELF/VLF波在电离层和磁层的传播,以及在外辐射带层与高能电子的共振相互作用过程,通过投掷角和能量散射系数评估人工ELF/VLF波对磁层高能电子的共振散射效应.研究表明,电离层人工ELF/VLF波传播到磁层后呈现高倾斜性,传播所能跨域的空间范围主要取决于加热的纬度位置和调制频率.在内辐射带,与～100 keV到几个MeV高能电子发生一阶共振相互作用的为10 kHz的VLF波段;在外辐射带,为几百Hz到1 kHz的ELF波段.对于L=4.5的外辐射带,试验粒子模拟结果显示,单个粒子在人工ELF波作用下投掷角和能量(α,E)的改变具有随机性,而所有试验粒子平均化的?α2和?E2随时间呈现出近似线性的增大,说明波粒共振散射过程体现出整体性.基于试验粒子模拟得到的共振散射系数表明,幅度为10 pT的人工ELF波可在外辐射带的磁赤道局地对1 MeV电子产生较强的投掷角散射效应,进而影响高能电子的损失、沉降等动力学过程.当人工ELF/VLF波在传播过程中变得高度倾斜,不仅最基本的一阶共振十分重要,高阶共振散射也具有较大效应.这些定量分析结果表明,通过电离层加热激发人工ELF/VLF哨声波来沉降、消除辐射带高能电子具有可行性.     

双频双波束加热电离层激发甚低频/极低频辐射理论分析

基于高电离层质动力非线性加热理论,引入差频双波束概念,建立双频双波束加热电离层激发甚低频/极低频(VLF/ELF)辐射理论仿真模型,通过对已有实验参数进行仿真计算,验证了模型的正确性.据此模型,全面分析了不同纬度、有效辐射功率、加热频率、极化模式、频率差、实验时段等对激发VLF/ELF辐射强度的影响,并对比分析了中低纬度地区双频双波束和幅度调制两种方法激发VLF/ELF信号的差异.分析结果表明:VLF/ELF辐射效果随着地磁倾角的增加而增强,随着系统有效辐射功率的增大而增强;X波模式优于O波模式;实验时段冬季最好,夜晚优于白天;加热频率和频率差存在最优值选取问题.对于背景自然电流较弱的中低纬度地区,相对现有幅度调制方法,利用双频双波束方法激发VLF/ELF辐射更加有效,两者相差10 d B以上.     

地基高频加热激励ELF/VLF波对辐射带高能电子的准线性散射

地球内、外辐射带电子通量的变化对于空间飞行器,尤其是中低轨卫星的防护有着非常重要的影响.基于回旋共振波粒相互作用的准线性理论,使用地基高频发射器发射电波调制低电离层背景电流可以人工激励ELF/VLF波,这些波能使辐射带相对论电子发生抛射角散射沉降进入大气层从而降低其生存期.为了定量地分析人工激励ELF/VLF波散射辐射带高能粒子的可行性,针对内、外辐射带,本文选取了两个典型区域：L=4.6和L=1.5.数值计算结果表明,在内、外辐射带由于ELF/VLF波的人工注入而造成的高能电子损失时间尺度很大程度上取决于冷等离子体参量α^*(∝B²/N₀,这里B是背景磁场,N₀是电子数密度)、电波频谱特性和功率,以及与波发生回旋共振的电子能量.一般来讲,在外辐射带人工ELF/VLF哨声波散射相对论电子使之沉降到大气层要容易得多;低能量的高能电子(200keV)要比高能量的相对论电子(500keV)更有效地通过抛射角散射进入大气层.考虑到高频电波加热电离层激励的ELF/VLF波可能会被捕获在磁层空腔中,来回反射从而得到增强,因此在适当的条件下,地基高频加热装置发射足够的电波功率进入电离层诱导大幅度ELF/VLF波注入到内磁层,能够在1至3天的时间尺度内快速散射外辐射带相对论电子使之沉降,也能够在10天量级的时间尺度里散射生存周期一般为100天甚至更长的内辐射带相对论电子. 关键词： 地基高频加热电离层 ELF/VLF波激励 高能电子散射和沉降 共振波粒相互作用     

电离层调制加热产生极低频/甚低频波定向辐射的理论分析

通过低电离层调制加热能够产生极低频/甚低频(ELF/VLF)波. 基于调制加热理论, 并引入相控阵天线思想, 建立了通过双波束幅度调制模式(DAM)和圆形几何调制模式(CGM)产生ELF/VLF波的定向辐射模型, 并通过与实验数据的对比验证了模型的正确性. 据此模型, 采用HARRP加热阵参数, 对比分析了上述两种定向辐射模式与常规幅度调制模式(AM)之间的特性差异, 并研究了调制频率(f_ELF/VLF)和加热波束与垂直方向倾角(ψ)对各模式的影响. 结果表明: 相对AM模式, 通过合理设置初始相位、f_ELF/VLF和ψ, DAM 模式和CGM模式在实现ELF/VLF信号定向辐射的同时还可以提高其辐射强度, 相对AM模式, CGM模式信号强度最大提高约11.3 dB. 关键词： 定向辐射 双波束幅度调制 圆形几何调制     

磁倾角对电离层Alfven谐振器影响的初步研究

研究了在考虑磁场倾斜情况下,ULF波（0.1—10 Hz）从磁层到地面的传播,得到此情况下ULF波的解析解.分析了倾斜磁场对电离层Alfven谐振器各种参数如反射系数、谐振频率、衰减率的影响.数值模拟分析结果表明,磁倾角的变化导致标高以及电离层电导率的改变,进而影响IAR的参数.随着磁倾角的减小,谐振频率与IAR的衰减降低,并且衰减最大值对应的电离层电导率也减小. 关键词： ULF波 倾斜磁场 电离层Alfven谐振器     

电力线谐波辐射在分层各向异性电离层中的传播特点

电力线谐波辐射特指在电离层或磁层中观测到的来源于地面电力系统输电线的电磁波辐射, 其在电磁场时频功率谱中表现为400 Hz至5 kHz范围内, 频率间隔为50/100 Hz或60/120 Hz 的平行谱线, 已成为近地空间环境的一种人为污染源. 对于该现象的形成机理尚缺乏定量研究. 本文研究了非理想导电大地上方由电偶极子源产生的电磁场在分层各向异性电离层中的传播模型, 提出了一种新的求解方法, 有效解决了编程计算中的数值溢出问题, 并利用已有解析解对所提方法进行了验证. 在此基础上, 利用实际电力线、大地、电离层的相关参数, 研究了偶极子源频率、电离层下边界高度、大地电导率、地磁场方向等对电力线谐波辐射在电离层中的传播的影响. 结果表明, 频率等于地-电离层波导导波模截止频率时透入电离层的电力线谐波辐射强度更大; 谐波电流一定时, 大地电导率小的地区, 电力线谐波辐射的功率更大; 电力线谐波辐射在电离层中沿地磁场方向传播. 本文所得结果有益于阐释电力线谐波辐射现象的形成机理.     

赤道面磁层顶位形的磁流体力学模拟研究

磁层顶位置和形状的动态特征描绘是地球物理和空间物理研究的难点之一.文章基于太阳风-磁层-电离层耦合的全球磁流体力学（MHD）数值模拟,运用电流密度极大法确定磁层顶位形,并具体研究两种典型太阳风动压（D_p）和几种不同行星际磁场的z分量（B_z）条件下,地球赤道面上方磁层顶动态特征.模拟结果显示,磁层顶日下点高度r₀主要由D_p控制.随着D_p增加,磁层顶被压缩,r₀显著减小.相同D_p条件下,在B_z由南向（B_z<0）逐渐减小,并转为北向（B_z>0）逐渐增大的过程中,r₀缓慢增大.不同条件下,磁层项张角φ变化较小,反映了赤道面磁层顶结构的相似性.与Shue98低纬磁层顶经验模型比较,MHD模拟能再现磁层顶日下点位置r₀对D_p的响应,而r₀随B_z变化的饱和性仅出现在低速太阳风条件下.MHD模拟和经验模型的磁层项张角φ差别小于2.5°,但模拟显示φ随B_z的变化趋势并非简单线性关系.     

斜入射非线性电离层Langmuir扰动的电磁波传播特性

基于广义Zakharov模型,结合斜入射等离子体的时域有限差分(FDTD)方法与双流体力学方程,通过由二维麦克斯韦方程等价转换的一维麦克斯韦方程,与等离子体流体力学方程建立了一个电磁波以不同角度入射电离层传播的数值模型.分析推导出TE_z波在斜入射非线性电离层等离子体的支配方程,然后推导了适用于计算电离层电磁波传播特性的FDTD算法.通过仿真来证明该方法在较小倾角下,电磁波对电离层加热形成Langmuir扰动及其传播特性的准确性和有效性.结果表明,在小角度入射下,大功率高频电磁波在电离层等离子体中的O波反射点附近激发出了Langmuir波,同时波粒相互作用导致O波转换为Z波并向电离层更高区域传播.本文进一步研究了基于电离层等离子体的电磁波传播特性,为全面深入分析电离层Langmuir扰动对电离层电波传播特性影响奠定数值算法的基础.     

高功率微波在电离层中传播的折射率研究

 高功率微波在电离层中的传播特性主要由其折射率的变化决定，而高功率微波的大气折射率与相应传输层面的电子浓度有关。结合电离层电子浓度分布模型对电子浓度和大气折射率进行了数值模拟，对电离层折射率以及折射率垂直梯度相对于高度的变化特性进行了分析。结合射线描迹法对高功率微波波束传播高度、仰角和距离进行了修正，并在低功率微波下进行实验验证，证实修正值更接近实际值。     

高功率微波低电离层传输的聚焦和散焦特性

 基于高功率微波(HPM)混合气体传输模型,系统阐述了考虑磁效应条件下HPM窄波束在低电离层中传输时的聚焦与散焦原理,推导了考虑外加磁场和HPM热效应情况下,窄波束在低电离层中传输的非线性几何光学方程及聚焦和散焦特性描述参数,并对低电离层中的波束发散特性进行了仿真分析。仿真结果表明：低电离层表现出的散焦特性,使HPM窄波束发散,L,R,O,X波均发生了波束发散现象,且R波的波束发散角最大,O,X波次之,L波最小,但随着入射波频率的增加,这种差别逐渐减小;相同条件下,入射波频率越高,散焦现象越弱;一定入射波频率条件下,波束轴线上的场强越大,波束发散现象越明显。     

电磁波在大面积等离子体片中传播特性的分析

脉冲磁约束线形空心阴极放电形成的大面积等离子体片可应用于等离子体天线、隐身及模拟超音速飞行器表面的等离子体鞘套. 本文首次利用实测等离子体片电子密度时空分布和横向场传播矩阵法, 研究了电磁波在等离子体片中反射率、透射率、吸收率随频率及脉冲放电时间的变化特征. 结果表明: 极化方向平行磁场的电磁波, 在小于截止频率的低频带内具有较高的反射率和吸收率, 增大电流, 反射率增加, 吸收率下降, 在大于截止频率的高频带内反射率和吸收率较低, 增大电流, 透射率下降, 吸收率升高; 极化方向垂直磁场的电磁波在高混杂谐振频率附近存在吸收率明显增强的吸收带, 谐振吸收峰值与放电电流无关; 脉冲放电期间, 电磁波的反射率、透射率与吸收率由不稳定过渡到稳定的时间约为100 μs, 过渡时间随着放电电流的增加而增大, 极化方向垂直磁场、小于截止频率的电磁波在稳定放电阶段谐振吸收较强. 本文的研究成果对利用等离子体片实现对电磁波的稳定高反射作用具有重要意义.     

Characteristics of nighttime VLF/ELF emissions with frequency drift and estimation of the large-scale electric field from the frequency drift observed at a low latitude Indian ground station, Jammu

Characteristics of nighttime VLF/ELF emissions are examined on the basis of the data obtained at our low latitude ground station Jammu (geomagnetic latitude, 22°26′ N; L = 1.17), India during our VLF/ELF campaign. From the detailed analysis of a huge amount of acquired VLF/ELF data at Jammu we have found three remarkable events which clearly exhibit a rise in their frequency in pre and past midnight sectors during magnetically quiet and substorm periods. Our analysis shows that the frequency drift in VLF/ELF emissions seems to be a rare phenomenon at low latitudes during magnetically quiet and substorm periods in pre and post midnight sectors. This property of temporal frequency drift (regular frequency increases with time) in VLF/ELF emissions observed at our station Jammu are interpreted in terms of a quasi-linear electron cyclotron instability model for wave excitation. The initial frequency increase is believed to be due to a combind effect of L-shell drift of energetic electrons. Further, the frequency drifts in VLF/ELF emissions observed at Jammu have been used to estimate the large scale electric field during quiet and substorm periods in pre and post midnight sectors. This investigation would be most useful for the study of the wave-particle interaction processes, magnetospheric plasma structure and particle dynamics, especially during quiet periods in premidnight sector at low latitudes.     

Determine the physical mechanism and source region of beat wave modulation by changing the frequency of high-frequency waves

This paper introduces a new approach for the determination of the source region of beat wave(BW)modulation.This type of modulation is achieved by transmitting high-frequency(HF)continuous waves with a frequency difference f,where f is the frequency of modulated ELF/VLF(extremely low frequency/very low frequency)waves from two sub-arrays of a high power HF transmitter.Despite the advantages of BW modulation in terms of generating more stable ELF/VLF signal and high modulation efficiency,there exists a controversy on the physical mechanism of BW and its source region.In this paper,the two controversial theories,i.e.,BW based on D-E region thermal nonlinearity and BW based on F region ponderomotive nonlinearity are examined for cases where each of these two theories exists exclusively or both of them exist simultaneously.According to the analysis and simulation results presented in this paper,it is found that the generated VLF signal amplitude exhibits significant variation as a function of HF frequency in different source regions.Therefore,this characteristic can be utilized as a potential new approach to determine the physical mechanism and source location of BW.     

Damping rates of waves in a switched magnetoplasma medium:longitudinal propagation

The interaction of a circularly polarized electromagnetic wave with a switched-on magnetoplasma medium is considered. A static magnetic field in the direction of propagation is assumed to be present, resulting in longitudinal propagation. The incident wave splits into three waves whose frequencies are different from that of the incident wave. It is shown that these waves ultimately damp out if the plasma is even slightly lossy. The damping of the waves is interpreted in terms of their attenuation with distance and decay with time as they propagate in the lossy plasma. The attenuation-length and decay-time constants of the waves are obtained, and their dependence on the incident-wave frequency and the gyrofrequency is examined. Optimum parameters for an experiment to detect these waves are suggested     

ELF/VLF emissions generated in the ionosphere by heating facilities—A new tool for ionospheric and magnetospheric research

A brief summary of ELF/VLF generation experiments using the SURA heating facility is presented. The possibilities of applications of the measured ionosphericaly generated low frequency signal parameters for diagnosing the physical phenomena in the ionosphere and the magnetosphere are discussed.Radiophysical Research Institute, Nizhny Novgorod, Russia. Published in Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 37, No. 6, pp. 715–719, June, 1994.     

Electrohydrodynamics of the pulsar magnetosphere

The dispersion relations for weak waves in a cold, charge-separated plasma (due to a strong rotating magnetic field) show that radio waves, and even low frequency waves can propagate through a (one-component) pulsar magnetosphere.