化学物质SF_6和H_2O释放扰动电离层比较研究

基于包含扩散方程和离子化学反应方程.的化学物质释放二维动力学模型,利用有限元方法进行了数值模拟,并比较了两类性质不同的气体(SF6和H2O)的扰动特性,结果表明:1)与H2O相比,SF6的扩散速度较慢,反应速率较快,对电离层影响的程度和区域更大更广,更能有效地造成电离层"空洞";2)10kg的H2O,SF6,H2和CO2分别在电离层高度释放,在10min内SF6对电离层临界频率的影响幅度最大,H2O,H2和CO2的影响依次减弱.

H_2释放扰动电离层的数值模拟

由于电离层中分子性离子与电子的复合要比氧离子与电子的复合快得多,因此H2在电离层高度释放可有效地引起电子的消耗。本文基于一个包括中性气体扩散方程和离子化学反应方程的二维动力学模型,对H2在电离层高度释放过程进行了数值模拟研究,并分析了不同释放条件下的电子扰动特性。结果表明:1)500mol H2释放后,迅速向周围空间扩散,释放中心处的电子密度30s内下降了近4%,F2层临界频率下降了1%左右;2)在不同高度处释放H2时,最大的电子密度相对变化率并不是在峰值高度附近处释放时出现的;3)释放化学物质的量越多,电子密度的扰动幅度也越大,但两者之间并不存在线性关系;4)相同量的H2在电离层峰值高度处释放,白天的电子密度扰动幅度要大于夜间的扰动幅度。

化学物质释放激发中低纬扩展F的数值模拟

利用离子和电子动量方程、连续性方程以及电流连续性方程建立了适合描述中低纬spread-F发展的物理模型,并对模型进行了数值求解,讨论了利用H2O释放来激发电离层Rayleigh-Taylor不稳定性的可能性.结果表明,电离层处于不稳定状态时,H2O在电离层底部释放后,造成电子的大量消耗,增强了峰值高度以下电子的密度梯度,有利于spread-F的发展,在spread-F发展的过程中,释放中心附近会形成电子密度的消耗区,两侧出现密度的增强区;而电离层比较稳定时,初始扰动会逐渐稳定下来,但化学物质释放仍能造成电子较长时间、较大范围的扰动.

大功率无线电波加热低电离层

等离子体对大功率电波的欧姆耗散会使电子温度升高,进而导致电子密度和其他等离子体参数改变,实现电离层的地面人工变态.本文基于大功率无线电波与低电离层相互作用的自洽模型,分析了不同入射条件下电离层参数的变化,主要结论如下:电离层D区是电波的主要吸收区,并且其吸收强度随入射频率的升高而降低,当入射频率为6 MHz(有效入射功率为200 MW)时电子温度的最大增幅约为520 K,电子密度最大增幅为7300 cm^(-3)左右;电子温度达到饱和所需时间小于电子密度的饱和时间,前者具有μs量级,后者具有ms量级;停止加热后,电子温度和密度迅速恢复到初始状态,恢复时间均小于各自的饱和时间,但量级相当;入射功率越高,电子温度和密度的增幅越大,并且饱和时间也越长,在相同入射条件下,夜晚的饱和时间要大于白天.

基于IRI背景场的单站电离层TEC地图重构技术

为了有效解决电离层TEC观测数据稀疏时重构问题,引入IRI-2007作为背景场,利用反距离加权法和克里格方法重构了电离层TEC地图,使用交叉检验方法检验了引入背景场前后的重构精度.结果表明,引入背景场后,一方面有效地控制了边缘地区的发散现象,另一方面重构网格点上绝对误差在-0.25～0.25 TECU之间的比例分别提高了约70%和100%,误差统计基本呈正态分布.

基于小波与交叉小波分析的太阳黑子与宇宙线相关性研究

利用小波分析和交叉小波分析方法,根据太阳黑子数以及Huancayo和Climax两个测站的月均宇宙线数据,分析了两个测站的月均宇宙线周期变化,同时利用太阳黑子数R_(12)对Climax站宇宙线流量进行预测研究小波分析结果表明,太阳黑子与宇宙线除存在显著的11年周期外,太阳活动高年期间还存在1～6个月尺度的周期特性,在第22太阳周活动高年时还出现了6～8和1～22个月的变化周期;交叉小波分析结果表明,在130个月左右的周期上宇宙线与太阳黑子具有显著的负相关性,并且宇宙线的变化滞后太阳黑子约8个月;分别采用预测时刻和8个月前的太阳黑子数,预测相对误差为3.8912%和3.2386%.本文方法同样适用于估算其他空间天气参量之间的周期和相关性,提高各种空间天气参量的预测或预报精度.

太阳活动对赤道电离层闪烁影响的初步研究

利用赤道地区瓦尼莫(Vanimo)站太阳活动高年到低年(2000-2009)L波段电离层闪烁数据,分析了闪烁随太阳活动从高年到低年的形态特征,统计研究了太阳黑子数与闪烁发生率相关性,并初步探讨了太阳活动影响闪烁的机制。统计研究结果表明:太阳活动中、高年期间,闪烁发生率有明显的季节、月、地方时变化规律;低年闪烁表现平静,以弱闪烁为主,且无明显规律;太阳黑子对闪烁发生率表现出一定调制作用,随着黑子数从高年到低年的减少,闪烁发生率呈下降趋势,中、强闪烁表现的更为突出。说明太阳活动对中、强闪烁的影响比弱闪烁更明显,但其影响机制仍须大量统计分析和理论研究的进一步揭示。

第23太阳活动周武汉站电离层TEC特征分析

利用武汉站(30.5°N,114.4°E)1997年1月1日至2007年12月31日电离层TEC、太阳黑子数及地磁指数等资料.分析了第23周武汉站TEC的周日变化、季节变化、半年变化以及与太阳活动的相关性等特征;以2006年4月13-1 7日发生的磁暴为例,讨论了武汉站TEC对磁暴的响应以及可能的机理.结果表明.武汉站电离层TEC在太阳活动高、低年均呈典型的周日变化特征;冬季异常和半年异常特征明显,且受太阳活动强弱影响;TEC和太阳黑子数年均值相关系数为0.9611;TEC对磁暴的响应可能是由磁层穿透电场和中性风共同作用导致的,具体影响机制有待深入研究.

大功率无线电波斜向加热低电离层

基于电子能量方程、连续性方程建立了大功率无线电波斜向加热低电离层的物理模型,数值计算了加热前后电离层电子温度和密度的变化,并对比了不同加热条件下的电离层扰动幅度。结果表明:1)大功率电波斜向射入电离层后,与等离子体相互作用,能够有效造成电子温度和密度的扰动,为达到与垂直加热相同的扰动幅度,需要更高的入射功率;2)在其他相同条件下,入射频率越高,造成的电子温度扰动幅度越小;X波模加热造成的扰动幅度大于O波模,在电离层传播时X波模要比O波模容易吸收;3)入射仰角越高,加热的扰动幅度越大,在垂直加热时电子温度的最大扰动幅度可达45%,而以45°仰角入射时最大幅度约为18%。

太阳和地磁活动对磁赤道地区低热层NO密度的影响研究

利用SNOE卫星1998年3月11日至2000年9月30日共计935天观测的NO密度和太阳软X射线数据,分析了低热层NO的时空分布特征及其对太阳和地磁活动的响应,得出了以下结论:NO密度从96.67km开始增加,大约在105～110km高度达到最大,随后开始减小;同一高度处一般夏季期间最大,冬季次之,春秋分季最小;密度峰值大小变化范围约为(0.5～1.5)×108 mol/cm3,峰值高度基本分布在107km和113km高度处,且不随太阳活动变化,平均值约为107km;NO密度与太阳软X射线及地磁Ap指数的相关系数在不同高度存在0、1和2天的最佳延迟时间,而同太阳软X射线的统计关系在不同高度和季节存在"线性"、"放大"和"饱和"现象;从统计和事件分析结果来看,太阳活动对磁赤道地区低热层NO密度的气候尺度变化的影响远大于地磁活动,但地磁活动对NO短期变化贡献非常明显.

Athens地区电离层TEC、N_mF_2以及板厚

本文使用Athens站2001—2005年间电离层GPS/TEC和foF2数据,分析了TEC、NmF2和电离层板厚τ日变化、季节变化特征以及与太阳活动的统计关系,得到以下结论:电离层TEC和NmF2具有相似的日变化特征,最大值出现在14∶00LT;TEC在2001和2002年白天出现"冬季异常"现象,NmF2在2001—2005年白天均出现该现象;电离层板厚τ主要分布在200～600km,存在黎明峰和日落峰双峰结构,黎明峰一般出现在5∶00—6∶00LT,日落峰结构一般从日落后开始出现,在午夜前达到极大值;14∶00LT和2∶00LT时刻TEC、NmF2同太阳活动的关系呈现"线性"、"饱和"以及"放大"趋势,而τ则出现正、负及不明显的线性关系;最后,我们分析认为黎明峰归因于电离层TEC增加以及NmF2的减少,而日落峰主要是由TEC减少速度低于NmF2造成的.

预加热时间对低电离层预加热幅度调制的影响

基于电离层连续方程和能量方程,建立预加热模式下低电离层幅度调制加热理论模型,模拟大功率电波幅度调制电离层电导率和电流随时间的变化,分析预加热时间对幅度调制产生的极低频/甚低频(ELF/VLF)强度的影响.结果表明,低电离层中的电流能够被大功率电波有效调制,可以作为ELF/VLF电波的辐射源.预加热幅度调制模式在预加热时间较长时效果更明显.在考虑能耗的情况下,当有效辐射功率为200 MW及高频波的调制频率f_(ELF/VLF)为1 kHz时,预加热幅度调制模式辐射ELF/VLF加热0.1 s时效果最好,强度可提高约7.95 dB.

背景条件对低电离层预加热幅度调制的影响

基于电离层连续性方程和能量方程,建立了预加热模式下低电离层幅度调制加热理论模型,研究预加热阶段电离层电子密度和调制阶段电流随预加热时间的变化,探讨不同背景条件对幅度调制产生的极低频/甚低频(ELF/VLF)电磁波强度的影响.结果表明,预加热调制在90~100 km高度效果较好,在夜间进行预加热调制激发的ELF/VLF强度增幅不明显,各季节中在春季调制强度增幅最大,太阳高年预加热调制比太阳低年的效果好,低纬地区强度增幅远大于中纬地区强度增幅.在一定加热条件下(有效辐射功率200 MW,频率1 kHz),不同背景条件(除夜间外)下的预加热幅度调制模式在考虑能耗情况下,均在预加热10 s时效果最好.

不同初始扰动对电离层扩展F影响的数值模拟

重力波、中性风场、电场是激发电离层扩展F的主要影响因子,本文基于中低纬电离层扩展F发展的物理模型,通过电场强度、背景风场对扩展F影响作用的分析和经验对比,首先验证了模型的有效性,后借助该模型数值模拟了给定背景环境下三种尺度初始电子密度扰动条件下扩展F的发展情况,同时研究了利用化学物质释放实现一定尺度扰动,进而激发扩展F的过程.结果表明,较强的背景电场、东向风场有利于扩展F的形成和抬升,与经验结论相吻合;电离层从被作用初始扰动到激发扩展F的过程中存在拐点效应,拐点之后扩展F被激发形成并且抬升迅速,同时短波长扰动相对于长波长扰动更有利于扩展F的激发和发展;化学物质H_2O释放通过耗散电子密度,形成了一定尺度扰动并诱发了扩展F的形成,该方法可作为一种人工激发扩展F的探索手段.

磁暴期间全球TEC扰动特性分析

磁暴期间白天电离层总电子含量(TEC)大幅度扰动.TEC扰动与磁暴发生时的世界时(UT)有关.利用7年的数据对TEC对磁暴的响应进行统计研究.结果显示,磁暴期间白天TEC增大明显,且在午后TEC的增大比例有一个高峰.在18:00 UT-04:00 UT,南美地区与其他地区相比TEC增长较大,这可能与白天的光照有关,为了研究TEC变化与磁暴的关系,结合同样时间段的Dst指数,把TEC数据分为磁暴日(Dst<-100 nT)和平静日(Dst>-50nT).研究发现,将TEC前移2 h,低纬日侧地区TEC增大值随着世界时的变化与Dst变化的负相关性较好,相关系数为-0.75.在中纬度地区,将TEC扰动前移1h,相关系数为-0.61.这可能是行进式大气扰动携带着赤道向的子午风,由极区向低纬传播引起.可以认为,TEC的变化可能是由磁暴引起的.在高纬地区,TEC增大值随着世界时的变化与Dst变化的相关性较差.这可能是由于太阳高度角较低,光辐射通量较小,导致电子密度的增加不明显.

基于SAMI2模式的电离层加热模拟

通过在SAMI2模式的电子能量方程中添加人工加热项,数值模拟了在加热条件下磁场线上电子温度与电子密度的扰动情况,并对比了不同加热条件下的扰动效应.结果表明,入射到电离层中的大功率无线电波与等离子体相互作用,能够有效造成整条磁场线上电子温度的升高而产生电子温度扰动,尤其是加热点处,温度可增加3倍多;由于电子温度升高,压力平衡受到破坏,引发等离子体扩散进而导致电子密度扰动;电子密度扰动使得垂直于磁场线的电子密度梯度发生变化,这有可能形成电离层管(Ionosphere duct);电子温度和电子密度的扰动幅度随着加热时间的推移而减小,即扰动逐渐趋于稳定.电子温度与密度的扰动与加热率存在一种非线性关系.

不同波长初始电子密度扰动对扩展F触发效应对比研究

基于适合描述中低纬电离层扩展F发展的控制方程组,首次对比分析了不同波长初始电子密度扰动对电离层Spread-F的触发影响,讨论了电离层泡状结构和块状结构不规则体对不同电子密度扰动波长的响应效果.结果发现:无论是以泡状结构为主体还是以块状结构为主体的不规则体,短波长扰动相对于长波长扰动更有利于Spread-F的激发;当初始电子密度减弱扰动存在于一侧,而增强扰动存在于另一侧时,与只存在一种情况相比,泡状结构和块状结构同时出现,能够增进彼此的扰动幅度,并且泡状结构不规则体的抬升速度大于块状结构;相同电离层背景下,初始扰动所引起的泡状不规则体和块状不规则体不一定都能得到抬升和发展,两者发展趋势并不一致.

电离层H_2O释放扰动效应的数值模拟研究

为充分研究化学物质在电离层释放的扰动效应和后期发展效果,基于化学物质在电离层的扩散模型、化学反应和电离层扩展F的控制模型,通过电离层H_2O的释放,研究电子e,H_2O,O^+和H_2O^+共4种粒子的分布状态,分析点源、多源和线源释放对电离层的扰动效果,比较不同高度、不同量和不同时间释放的影响结果,模拟夜间释放后期所激发的扩展F发展差异.结果表明,H_2O在电离层释放后,能有效耗散背景电子形成空洞,O^+和H_2O^+数密度呈椭圆形分布;点源、多源和运动目标线源等不同释放方式对电离层的扰动效果不同,证实了人工影响一定形态和区域电离层的可能性;H_2O释放扰动幅度,低层大于高层,白天强于夜晚,释放量越多扰动越突出;夜间化学释放能激发扩展F,并且释放量越多,激发效果越好.

Puerto Rico地区偶发E层临界频率特性统计分析

利用Puerto Rico站(18.5°N,67.2°W)1997—2013年的Es临界频率数据,对该地区Es特性进行了分析.结果表明:临界频率f_0E_s日均值具有一定的16天周期性变化特征,其可能是大气行星波引起的;f_0E_s随地方时的变化基本上呈一个波峰波谷结构,波谷位于06:00LT左右,波峰位于14:00 LT左右,同时存在午夜和日落后异常高值现象,其分别与午夜南向风场减弱和夜间电场变化有关;通过分析不同强度Es,发现潮汐风造成较低强度Es发生率的地方时分布与中等和高强度Es明显不同.这些现象的相关物理机制尚需进一步研究论证.

高校空间天气类课程教学中思政教育改革的探索与实践

站在“两个一百年”奋斗目标的历史交汇期,空间天气工作高质量发展对维护国家安全具有重大战略意义,以国家需求为导向,推进空间天气类人才培养,加强国家空间天气类人才建设具有深刻意义。文章针对当前空间天气类本科和研究生专业教学中思政教育存在的问题,包括教学内容单一、教学方法传统、实践教学不足等,提出拓宽教学内容,加强实践教学、创新教学方法、加强思想政治教育、以“专业授课+课程思政”为目标实施教学改革的教育教学新模式。通过推进实施该模式,在空间天气人才培养方面取得了良好的成效,为国内外高校提供了参考和借鉴的经验。