高能电子碰撞电离对高空核爆炸辐射电离的影响

利用数值模拟程序模拟了不同高度核爆炸下距离爆点不同位置处大气的X射线电离及演化过程,分析了高能电子碰撞电离过程对高空核爆炸电离效应的影响.结果表明:高能电子碰撞电离过程对高空核爆炸的电离结果产生了重要影响,在80 km爆高1 kt当量高空核爆炸条件下,在距离爆点1.5 km处高能电子的碰撞电离效应使得电子的峰值数密度提高了约2个数量级;随着时间的增加,高能电子能谱逐渐向低能方向发展,在5μs后高能电子数密度随电子能量近似呈负指数分布;电子峰值时间与爆高有关,随着爆高的增加而增大,电离的影响区域也随着爆高的增加而增大.在80 km爆高1 kt当量情况下电离效应对近百千米范围内的微波通信具有严重影响.     

基于AKEBONO哨声波参数的内辐射带高能电子扩散模拟

为能准确地模拟内辐射带中哨声波对高能电子扩散损失的影响,基于内辐射带AKEBONO哨声波参数统计模型,及随纬度分布的背景冷等离子体密度模型,对引起电子扩散损失的大气分子,空间等离子体嘶声、闪电激发的哨声、人工激发的甚低频三类哨声波,利用准线性扩散理论,计算1.4≤ L≤2.0区域的不同能量电子,受到库仑碰撞和波粒回旋共振相互作用的弹跳周期平均赤道投掷角扩散系数,分析不同作用机制、不同类哨声波、不同能量、不同磁壳参数等对辐射带高能电子扩散损失的影响.结果表明：在赤道面损失锥角附近,高能电子主要受到库仑碰撞作用而扩散;在赤道投掷角接近90°附近区域,等离子体嘶声和闪电激发的哨声是引起扩散的主要因素;内辐射带电子主要受到甚低频电磁波波粒回旋共振扩散影响;扩散系数对高能电子能量及其所处磁壳参数比较敏感,通常,高能电子的能量或所处磁壳参数越大,扩散系数越大.     

高空核爆炸注入辐射带电子的大气扩散损失

利用辐射带电子大气倾角扩散的福克-普朗克方程,通过推导与拟合处理扩散系数表征式,构造二阶精度有限差分格式,给出辐射带捕获电子大气扩散损失的数值计算方法.计算高空核爆炸裂变β谱电子注入辐射带后在不同L壳上的通量损失和能谱变化,结果表明,当L < 1.3时,大气作用引起的扩散损失效应明显,低能电子比高能电子消失要快,电子通量初始阶段衰减很快,随后逐渐近似成时间指数函数形式衰减.     

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.     

典型甚低频电磁波对辐射带高能电子的散射损失效应

辐射带中高能电子与空间甚低频电磁波由于波粒共振相互作用发生投掷角散射, 进而沉降入稠密大气而损失. 为研究甚低频电磁波对辐射带中高能电子的散射作用机制, 本文基于准线性扩散理论, 利用库仑作用和波粒共振相互作用扩散系数的物理模型, 得到了两组典型甚低频电磁波与高能电子波粒共振相互作用的赤道投掷角弹跳周期平均扩散系数, 并分析了甚低频电磁波共振散射作用与大气库仑散射作用对不同磁壳及不同能量的辐射带电子扩散损失的影响规律. 以磁壳参数L=2.2, 能量E=0.5 MeV的辐射带电子作为算例, 采用有限差分方法数值求解扩散方程, 计算分析了电子单向通量和全向通量随时间的沉降损失演化规律. 研究结果表明: 当电子能量大于0.5 MeV, 磁壳参数大于1.6时, 甚低频电磁波的共振散射作用显著; 随着磁壳参数或电子能量的增大, 斜传播甚低频电磁波引起的高阶共振相互作用越来越大; 电子全向通量近似随时间呈指数函数形式衰减.     

高空核爆炸X射线电离的时空分布数值模拟

利用数值模拟程序模拟了高空核爆炸辐射的X射线对不同高度大气的电离及演化过程,给出了电子的时空分布曲线．结果表明：在80km爆高1kt小当量高空核爆炸情况下,电子数密度随高度只出现一个极大值,而在80kin以上爆高情况下,电子数密度出现两个极大值,一个位于爆点附近,另一个位于90km高度附近,在这个高度电离的影响范围最大;高空核爆炸辐射的X射线在70km高度附近截止,对70km以下高度没有电离影响;随着辐射角度的增加,电子数密度出现第二个极大值的高度有所上升,X射线截止高度也有所上升．     

场向传播的内磁层哨声波对辐射带高能电子的共振扩散

基于高斯分布的哨声波谱密度分布、偶极子背景磁场模型以及建立在卫星观测数据基础上的半经验电子密度纬度分布模型,对于等离子体层顶以外区域(4≤L≤7),计算了准线性当地及弹跳平均电子共振扩散系数,并估算了与磁层哨声波回旋共振导致的辐射带电子损失及加速时间尺度.结果表明,波粒共振相互作用区域取决于电子能量、波谱分布、电子赤道抛射角以及当地电子密度及背景磁场.哨声波共振频率除了与以上5个参量有关外,还与地磁纬度有关.赤道哨声波主要影响较低能量辐射带电子的加速,中高纬度哨声波主要作用于较高能量辐射带电 关键词： 共振波粒相互作用 地球辐射带 哨声波 回旋共振加速及散射沉降     

深空核爆炸辐射电磁脉冲的初步解析

 采用壳模型分析深空核爆在远场产生辐射电磁脉冲的规律,对深空核爆电磁脉冲的形成机理进行研究。在已知电子运动规律的前提下,推导了发射电子的电偶极矩表达式,并得到了辐射电磁脉冲的特性。计算结果表明:远处辐射场的峰值电场与爆炸当量无关,但达到峰值的时间随爆炸当量增加而提前;电子初始动能的增大也能线性地提高峰值强度;峰值强度与上升时间常数及弹体半径的平方成正比。     

地基人工VLF 电波对辐射带电子的调制

辐射带电子的加速与沉降机理是空间物理研究的重要课题.法国DEMETER电磁卫星观测到了美国NPM发射站VLF信号及与之相关的高能电子沉降事例.本研究工作将根据基于回旋共振相互作用的准线性扩散理论,通过对局域投掷角扩散系数的计算,来说明受VLF影响的高能电子的投掷角分布与电子的能量及所处位置的关系.理论计算较好地解释了DEMETER卫星在NPM实验期间所观测到的电子沉降事例.在此基础上进一步讨论了通过人工方式对辐射带高能电子施加影响的效率问题. 关键词： 回旋共振 投掷角散射 电子沉降     

Features of the Mechanism of Formation of the Radiation Belt of High-Energy Electrons and Positrons

New results of the PAMELA experiment revealed significant difference in the electron and positrons flux and fraction between trapped particles of the radiation belt and quasitrapped particles. A decrease in the ratio of the electron-to-positron fluxes both with increasing altitude and with decreasing energy was observed for the inner radiation belt, but this does not fit in currently used models. The residual atmosphere density in the trapping region for L ~ 1.15?1.2 is estimated on the basis of calculations of trapped-particle trajectories in the Earth’s magnetosphere. It is shown that processes leading to the energy loss for trapped electrons and positrons in the interactions with residual-atmosphere atoms play an important role in the formation of fluxes of these particles, but these processes cannot cause the reduction of the positron fraction in the total flux at energies below some 100 MeV. The role of the process of δ-electron production in the formation of the belt of trapped electrons and positrons is considered. Allowance for this process makes it possible to explain the above reduction at least partly.     

Artificial Precipitation of Energetic Electrons in a Magnetically Conjugate Region of the Ionosphere Relative to the Sura Facility

Radiophysics and Quantum Electronics - We analyze the features of energetic electron precipitation (with the maximum energy E ≥ 150 keV) from the Earth’s radiation belt into a...     

Radar studies of ionospheric dusty plasma phenomena

We discuss the influence of charged dust on radar observations in the Earth ionosphere. This region in the upper Earth atmosphere can be described as a partially ionized, low‐temperature plasma. Plasma parameters vary by orders of magnitude spatially and in time. Dust particles influence the charge balance, in some cases dusty plasma condition is met. The polar mesospheric echoes are an example of dust plasma interactions observed with radar. The mesosphere is a region where atmospheric temperature decreases with altitude and can reach frost point temperature. The formation of the polar mesospheric radar echoes involves neutral atmosphere dynamics, which is latitude dependent and it involves charged dust particles, especially icy dust that forms in the polar summer mesosphere. Charged dust can also influence incoherent scatter that results from electromagnetic waves scattering off electrons, where the electrons are coupled to other charged components. Observers rarely report charged dust signatures in the incoherent scatter spectra; we show that there is a good chance for doing so with improved observations. The incoherent scatter can possibly also be used to estimate the amount of charged dust in the direct vicinity of a meteor, as we show based on the order of magnitude considerations. This prospect of new observational results makes theoretical investigations of radio‐wave scattering in the presence of charged dust with size distributions worthwhile.