我国磁层物理研究进展

我国磁层物理是在赵九章倡导下从１９５９年开始发展起来的,４０多年来,我国磁层物理有了很大进展。文章对我国磁层物理研究的主要成果作了概述,主要内容包括：磁层顶边界层的瞬时重联研究,磁层顶的不稳定性和反常输产业暴过程研究,磁尾动力学过程研究,极光加速区非线性波和粒子加速研究,行星磁了后是磁层物理发展趋势的展望。     

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.     

低纬电离层人工调制所激发的ELF波射线追踪

通过大功率极低频(ELF)/甚低频(VLF)高频调幅波能有效地扰动低电离层电流, 形成等效的ELF/VLF电离层虚拟天线,辐射ELF/VLF波, 所辐射出的低频信号能够传播进入到磁层,对其传播特性的研究对于理解辐射带高能电子沉降具有重要意义.本文基于磁层射线追踪理论,通过数值模拟得到在低纬地区所激发出的ELF波在磁层中的射线路径,并对其特征进行分析.数值模拟结果表明, 从低纬激发的ELF波在南北半球来回弹跳,并逐渐传播到更远处,对于不同频率的ELF波, 频率越高,传播距离越近,频率越低,传播距离越远,在传播过程中, ELF波会逐渐倾向于在一个固定的磁层区域附近来回反射,在此过程中波法向角也逐渐变为90°,射线方向倾向于沿着背景磁场方向传播.     

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     

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.     

磁层-电离层耦合过程中等离子体粒子运动的周期轨

运用重合度理论探讨了一类非线性问题的周期解,然后将其应用于磁层-电离层耦合过程中等离子体粒子运动模型的周期解问题的研究,得到了一定条件下该模型存在周期轨的结果. 关键词： 非线性 等离子体 周期解     

电离层O~+83.4 nm日辉辐射传输特性研究

电离层极紫外波段(10～100 nm)日辉辐射主要是由太阳光电离激发以及光电子碰撞电离激发过程产生的,利用天基遥感探测手段对极紫外日辉辐射进行观测,可以获得白天电离层F层的电子密度、离子密度及空间分布等信息。极紫外波段日辉的天基遥感探测技术在国外起步较早,尤其是欧美、日本等国家,目前已经处于相对成熟的阶段。而我国对极紫外波段气辉辐射的研究几乎为空白,对电离层的探测也主要集中在夜间,如2017年我国发射的风云三号气象卫星D星上装载的电离层光度计可以获得夜间电离层峰值电子密度。对极紫外气辉进行遥感观测,特别是对电离层中O~+ 83.4 nm日气辉辐射的辐射特性进行探测,是获得白天电离层辐射特性的重要手段,也是国际上电离层光学遥感探测技术的研究热点。首先介绍了极紫外日辉的辐射传输理论,对日辉辐射的激发过程、碰撞过程以及共振散射过程进行了介绍,在此基础上重点分析了O~+ 83.4 nm日气辉辐射的产生机制及辐射特性。该辐射是太阳光电离激发低热层中的O原子而产生,为电离层极紫外气辉中辐射强度较强的信号之一, 83.4 nm气辉的高度分布情况可以提供电离层O~+密度扩线以及电子密度扩线,为白天电离层探测提供了一种有效手段。其次分析了O~+ 83.4 nm日辉辐射的谱带特性,以MSIS-00大气模型为基础,利用由美国计算物理公司与空军实验室联合开发的AURIC v1.2模型计算83.4 nm气辉辐射的初始体发射率、共振散射作用下的体发射率和临边柱辐射强度的分布情况,探究O~+83.4 nm日辉谱线与高度、纬度、太阳活动和地磁活动等电离层物理参量的相关性。基于极紫外日辉辐射算法,同时根据氧离子83.4 nm辐射传输特性,考虑该辐射的多次散射效应,提出了氧离子83.4 nm日辉辐射的计算方法。假设电离层呈现电中性,获得氧离子83.4 nm日辉强度可以反演白天电离层O~+密度,进而获得白天电离层F层电子密度的分布情况,为探究白天电离层特性提供了重要依据。     

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.     

谈谈对地球磁层极光区千米微波辐射的认识

极光区千米微波辐射是地球磁层发射的功率最强大的辐射．解开这种辐射发生机制的谜对磁层物理性质的了解是极重要的．地球人造卫星和宇宙飞船对这种辐射进行了比较仔细的观察测邑．Ｗｕ－Ｌｅｅ模型对辐射的物理机制作出了成功的分析．十余年来，观察测量和理论解释均取得了可喜的进展，成为磁层物埋中一个活跃的前沿研究领域．     

电离层中电波传播的基础物理问题

该文以宏观电磁场理论分析了电离层的基本结构和电波传播的基本特性，对电离层的分层、临界频率及其对电波的吸收和双折射现象作出了物理解释，勾画出了电离层中电波传播的基本图象．     

Magnetic and ionospheric effects of the strong magnetospheric storm of March 13th, 1989 over Italy

Summary In March 1989 a series of intense solar events caused relevant effects on the Earth's magnetosphere and ionosphere. Interesting phenomena like exceptional brilliant Auroras, total blackouts of the HF radio links and one of the strongest magnetospheric and ionospheric storms ever recorded in this century, were observed during this month. In this paper the study of the main magnetic and ionospheric effects that occurred before and during the strong magnetospheric storm of March 13th, as they were observed over Italy, is reported. A brief discussion about the magnetic and ionospheric disturbances occurred after a solar flare is also presented. Geomagnetic-field elements from two italian magnetic Observatories (L'Aquila, Castello Tesino) and a temporary magnetic station (S. Nicolò Gerrei) as well as the data scaled from two ionospheric stations (Rome and Gibilmanna) are discussed considering their latitudinal dependence as well as other different site characteristics.     

Japan megathrust earthquake on March 11, 2011: GPS-TEC evidence for ionospheric disturbances

Two-dimensional distributions of the vertical total electron content in the ionosphere above the Japan under-sea mega-earthquake on March 11, 2011 are reconstructed using high-temporal-resolution (2-min) data from the Japan GPS network. A diverging ionospheric perturbation with multicomponent spectral composition is identified emerging after the main shock. The disturbances in the ionospheric electron concentration caused by acoustic gravity waves generated by the earthquake-related processes. The initial phase of this disturbance can be used as a marker in the tsunami early warning systems. The surface energy of the earthquake estimated from the amplitude of the ionospheric disturbance is close to the estimate based on the seismic data. Other disturbances (ionospheric responses to the Rayleigh and tsunami waves, a solitary ionospheric pulse) are also analyzed. Physical interpretation of the identified ionospheric disturbances is presented.     

非球对称电离层掩星数据反演

电离层掩星数据的传统反演方法是电离层球对称假设下的Abel变换反演方法,但是实际的电离层电子密度分布不是球对称的,电离层的非球对称分布给电离层电子密度反演带来误差.发展了一种新的非球对称电离层掩星反演方法,利用国际参考电离层模型提供的三维电离层电子密度分布先验信息来修正掩星总电子含量 ,再通过球对称假设下的Abel变换反演出电离层电子密度.利用新方法反演了星座气象、电离层和气候观察系统掩星实测数据,并将得到的反演结果与电离层探测器资料进行了比较.结果表明,新方法能够较好地反演出电离层电子密度. 关键词： 电离层掩星 电子密度 国际参考电离层模型     

含突发E层的电离层模型建立及其在测高中的应用

针对高频射线测高模型未考虑电离层突发E层(sporadic-E,Es层)的问题,从电离层物理结构特性入手,结合实测的电离层垂测数据,在多层准抛物模型的基础上研究了含Es层的电离层模型及其在目标高度测量中的应用.首先,利用反转抛物线特性模拟了含Es的电离层模型,并得到了等离子体频率与高度的关系;然后,利用该模型分析了射线的电离层传输路径与发射仰角/频率的关系以及高频射线微多径特征与目标高度的关系;最后,结合含Es的电离层模型与射线微多径特征,提出了基于分段爬山搜索的快速匹配域测高方法,该方法能大大减少搜索时间.研究结果表明:含Es的电离层模型和提出的测高方法能准确估计出目标高度,并具有较强的实时性.     

基于化学物质释放的电离层闪烁抑制方法研究

中低纬地区经常发生的电离层闪烁,严重影响卫星链路的无线电信号传播过程,导致卫星通信导航信号质量下降,甚至中断.在电离层闪烁发生前的酝酿生成期,通过向电离层闪烁"种子因素"的等离子体泡内释放电子密度增强类化学物质,填充等离子体泡,改变等离子体环境特性,调控电离层动力学过程,能够降低电离层等离子体不稳定性增长率,进而抑制闪烁的发生.本文开展了基于化学物质释放的电离层闪烁抑制理论及方法研究,根据化学物质释放对电离层等离子体环境的影响,定量计算控制因素改变对不稳定性增长率的贡献,建立了基于电子密度增强类化学物质释放的电离层闪烁抑制物理模型,仿真了等离子体泡的填充过程及等离子体不稳定性增长率的演化过程.仿真结果表明该方法具有较好的闪烁抑制效果,为我国中低纬地区卫星信号电离层闪烁抑制研究奠定了理论基础.     

Artificial Periodic Inhomogeneities of the Ionosperic Plasma as a Promising Line in the Ionospheric Research

This paper is dedicated to a new method of ionospheric studies, developed at the Radiophysical Research Institute (NIRFI) and based on the creation of artificial periodic inhomogeneities (APIs) of the ionospheric plasma. We review the techniques and present the results of determination of the basic parameters of the ionosphere and atmosphere.     

On fractal properties of small-scale ionospheric irregularities

We consider the problem of relating the local structure of small-scale ionospheric turbulence to the measured frequency-spectrum indices and fractal dimensions of amplitude records of the signals received on the Earth during remote sensing of the ionosphere onboard the satellites. It is shown that knowledge of these parameters permits one to determine the true values of the local-spectrum indices of the electron-density fluctuations for isotropic small-scale turbulence of the ionosphere both under natural conditions and during its modification by high-power short-wave radiation as well as to specify fractal dimensions of space filled by small-scale irregularities of the turbulent structures in the ionosphere. We show the necessity of detailed experimental studies of the fractal properties of small-scale ionospheric irregularities of both natural and artificial origin by using a multifractal analysis in combination with the synchronous correlation processing of received signals during remote sensing of the ionosphere. This will give important information on the local structure of small-scale ionospheric turbulence inaccessible for studies within the framework of the classical method of radio scintillation. __________ Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 50, No. 4, pp. 300–308, April 2007.     

Studies of the Irregular Structure of the Ionosphere using Scattering of Radio Waves on Artificial Periodic Inhomogeneities

We present new results of our studies of the irregular structure of the ionosphere using artificial periodic inhomogeneities (APIs) of the ionospheric plasma. The observations were carried out from 9:00 to 17:00 in August 10–12, 1999 with a height step of 0.7 km and digital registration and real-time processing of the signal quadratures. It is shown that in many cases, the amplitude of the scattered signal is determined by the interference of radio waves scattered on APIs and on natural ionospheric formations including sporadic layers and large-scale natural irregularities. This allows one to study the irregular structure of the lower ionosphere by analyzing height-time dependences of the amplitude and phase of the scattered signal.