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     

基于MST雷达垂直风速的大气温度剖面反演

本文主要利用MST(mesosphere-stratosphere-troposphere)雷达垂直风速时间序列进行频谱分析,计算B-V(Brunt-V?is?l?)频率,再根据B-V频率和温度的关系,本文建立了离散的温度反演模型,最后反演得到了全高度的温度剖面.通过计算温度剖面和探空仪实测温度剖面比较可见,二者的符合度非常高,变化趋势也完全一致.本文还进一步讨论了,利用B-V频率和MST雷达的水平风速还可以计算理查德森数,通过理查德森数可以很清晰的判断大气的稳定性,进而可以量化大气很多动力学特征以及解释大气中的很多波动现象.因此,B-V频率的获得是MST雷达对大气动力学研究的又一贡献,它可以准确地反演大气的温度剖面,同时获取大气动力学稳定性参数.     

Test particle simulations of resonant interactions between energetic electrons and discrete,multi-frequency artificial whistler waves in the plasmasphere

Modulated high frequency(HF) heating of the ionosphere provides a feasible means of artificially generating extremely low frequency(ELF)/very low frequency(VLF) whistler waves, which can leak into the inner magnetosphere and contribute to resonant interactions with high energy electrons. Combining the ray tracing method and test particle simulations, we evaluate the effects of energetic electron resonant scattering driven by the discrete, multi-frequency artificially generated ELF/VLF waves. The simulation results indicate a stochastic behavior of electrons and a linear profile of pitch angle and kinetic energy variations averaged over all test electrons. These features are similar to those associated with single-frequency waves. The computed local diffusion coefficients show that, although the momentum diffusion of relativistic electrons due to artificial ELF/VLF whistlers with a nominal amplitude of ～ 1 pT is minor, the pitch angle scattering can be notably efficient at low pitch angles near the loss cone, which supports the feasibility of artificial triggering of multi-frequency ELF/VLF whistler waves for the removal of high energy electrons from the magnetosphere. We also investigate the dependences of diffusion coefficients on the frequency interval(△f) of the discrete, multi-frequency waves.We find that there is a threshold value of △f for which the net diffusion coefficient of multi-frequency whistlers is inversely proportional to △f(proportional to the frequency components Nw) when △f is below the threshold value but it remains unchanged with increasing △f when △f is larger than the threshold value. This is explained as being due to the fact that the resonant scattering effect of broadband waves is the sum of the effects of each frequency in the ‘effective frequency band’. Our results suggest that the modulation frequency of HF heating of the ionosphere can be appropriately selected with reasonable frequency intervals so that better performance of controlled precipitation of high energy electrons in the plasmasphere by artificial ELF/VLF whistler waves can be achieved.     

基于VXI总线的电离层探测系统信号源的设计

根据新型电离层斜向返回探测系统的编码调相脉冲压缩、间隔收发体制，采用FPGA和数字上变频器实现了一种适合该体制的、基于VXI总线的信号源模块．具体描述了该模块的设计方法、主要逻辑和时序关系，试验表明，该模块运行可靠，工作方式和参数调整灵活，实现了符合体制要求的射频信号和时序控制信号，满足了新型电离层斜向返回探测系统抗干扰、开放性和易升级的要求。     

人工扰动电离层仿真系统的设计与实现

设计并开发了一种人工扰动电离层仿真系统．建立了数值模型，规划出系统总体构造，在实现过程中引入VC、VF混合编程的概念，以达到两种语言优势互补的目的．文中详细论述了VC、VF混合编程对于数据的处理，生成Fortran的动态链接库，以及在VC中调用生成库的技术．通过仿真模拟，得出了电离层加热过程中电子密度、电子温度等随时间演化的规律，及发射电波频率、功率对加热效果的影响．试用证明，该系统有效地模拟了电离层人工扰动的状态，为在我国实施加热工程提供了可靠的科学依据．     

电离层钡云释放早期动力学行为的数值模拟

在中性钡云扩散动力学模型的基础上,考虑钡原子的氧化和电离损耗, 探讨了钡云释放早期(t≤ 100 s)的演化基本特征、钡云形态、亮度以及电子密度分布等问题. 得到了不同释放量(1, 10 kg)、不同释放高度(250, 300 km)和不同初始形状因子(1, 10) 条件下钡云释放早期动力学行为的数值模拟结果.     

非线性对大气介质中阵列聚焦声场分布影响的研究

基于时域有限差分算法将大气中近似到二阶微小项的非线性声波波动方程进行离散化,得到了模拟采用的差分波动方程.在此基础上,数值模拟了初始声压强弱不同的5个点声源组成的线阵列垂直或斜向辐射的连续正弦波在大气中传播时二维声场的分布情况.将线性条件下的模拟结果与非线性条件下的模拟结果进行比较后发现:弱非线性会对声场的分布和阵列聚焦增益产生一定的影响,使声场分布波形比线性条件下的声场分布波形更加靠近阵列,聚焦效果变差;强非线性会使波形发生更严重畸变,这是由于产生了基频以外的其他频率声波引起的;非线性对斜向传播时声场分布的影响与垂直传播时的影响效果基本相同,但由于斜向辐射时的声波几何扩展造成的轴向声压衰减要大于垂直辐射时的轴向声压衰减,因此聚焦增益和强非线性的影响都将小于垂直辐射时的情况.     

不同释放高度的化学物质的电离层扰动特性

在电离层释放H₂O, CO₂, H₂和SF₆等中性气体能导致释放区域电子损耗, 形成明显的人工电离层洞, 是电离层人工变态的重要而有效的手段之一. 本文在改进电离层化学物质释放三维动力学模型的基础上, 对不同释放量级的H₂O 和SF₆在不同释放高度下产生的电离层洞形态结构及其时空演化规律进行了系统对比研究, 探讨了释放高度对化学物质释放电离层扰动效果、电离层洞形态及其动力学特性等的影响, 并对其成因进行了分析. 关键词： 化学物质释放 电离层扰动 人工电离层洞 三维动力学模型     

高频波在IAR中传播的Doppler效应

根据高频波在电离层阿尔芬谐振器(IAR)中的传播特性，将普适的Doppler频移公式具体化，以此为出发点，深入分析了IAR中产生Doppler效应的多种原因，尤其是IAR中粒子漂移(包括电子和离子)对产生Doppler频移的影响，并计算了相应的频移大小。结果表明：在IAR中，高频波Doppler频移可以达到几十Hz，其中电子漂移运动和飞船运动引起的高频波Doppler频移占主要地位，反射波相位变化引起的频移在入射波的频率足够高时只有O．1Hz左右，可以忽略不计；这为高频波Doppler频移的实验观测结果提供了理论依据。     

阿尔芬波在低纬电离层中传播的数值模拟

从描述空间冷等离子体波动的双流体动力学方程出发，模拟了低纬电离层顶部的周期场向电流脉冲激发的阿尔芬波在电离层中的传播过程，分析了阿尔芬波在低纬电离层中的反射和耦合．结果表明，在谐振器下边界沿磁力线方向传播的剪切阿尔芬波会发生明显反射（反射系数（R）≥0．6），当剪切阿尔芬波频率位于谐振器共振频率附近时，剪切阿尔芬波在反射过程中将激发垂直于背景磁场传播的压缩阿尔芬波，其扰动磁场将可能形成当地观测的短周期地磁脉动．该结果为从理论上解释地磁脉动现象提供了一种理论依据．