电离层化学物质释放实验最新研究进展

综述了化学物质释放方式空间物理主动实验的由来、发展和最新研究状况,尤其是美国、俄罗斯最近五年实施的五个计划的10余次实验,分析了代表性空间物理主动实验的释放物种类、实验目的和主要的实验结果,以及其中存在的关键物理和技术问题.有关综述、分析和趋势展望,对我们开展电离层物理研究及后续空间主动实验具有很好的参考价值.

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.

利用射线追踪方法研究化学物质释放对高频加热的聚焦效应

电离层化学物质释放能导致释放区域电子密度的损耗,从而产生明显的电离层空洞现象.高频电波通过电离层空洞时,由于电子密度不同,对电波产生折射效果进而形成聚焦效应.本文利用射线追踪方法,评估高频电波通过空洞形成聚焦加热的效果.结果表明,释放水分子与SF_6都能对电离层产生明显的空洞,空洞半径约为25～50 km,电子密度的损耗率10%以上,在释放点附近有时能达到90%.不同摩尔数的化学物质释放能带来不同的效果.在300km高度释放100mol的水分子并且高频电波频率为15 MHz时聚焦效果最好.聚焦后电波能量吸收可增加10 dB左右,增幅达两倍左右.加热后的温度可以提升约20%.

基于化学物质释放的五点傅里叶变换求解泊松方程的方法

在电离层化学物质释放数值模拟中,傅里叶变换是一种有效的求解泊松方程的方法,但其仿真精度有待进一步提高.文章提出一种改进的傅里叶变换求解泊松方程的方法,对泊松方程的五点差分形式做傅里叶变换,并引入误差修正项,弥补二阶差分带来的误差,模型中给出了详细推导过程,并与常用方法进行了对比分析.研究结果表明,改进方法求得电势的均方误差(Mean Square Error,MSE)相对Birdsall方法和电势求导方法小6个量级,电势空间分布更加接近解析结果.文中所提方法满足化学物质释放数值仿真的要求,为等离子体粒子模拟中泊松方程的求解提供了一种新的方法.

三种典型化学物质释放变态电离层的数值模拟研究

电离层人工变态会影响短波通信及卫星通信,对空间物理研究具有重要意义.基于中性气体扩散方程、离子化学反应方程及等离子体扩散方程,模拟了三种典型化学物质(氢气H_2、二氧化碳CO_2和三氟溴甲烷CF_3Br)经点源和多源释放后导致的电离层三维扰动变化,并利用自适应变步长的三维数字射线追踪技术讨论了化学释放变态电离层对不同频率短波传播的影响.结果表明:点源释放时产生的"空洞"在水平面上沿磁场线方向的轴长略大于其垂直方向;在释放量及释放高度相同的前提下,H_2扩散最快,CF_3Br扩散最慢,但就t=100s时电子密度最大相对变化率而言,CF_3Br最大,CO_2次之,H_2最小;CF_3Br释放形成的"空洞"垂直范围最小,开始发生穿透现象所需的短波频率最高;H_2扰动下"空洞"边界的电子密度梯度最小,射线聚焦点明显偏高,聚焦效应最弱;多源释放产生类抛物线管状的电离层"空洞"结构,射线的传播路径更加多样,此时仍有聚焦效应出现,且聚焦点随射线频率增加而升高,聚焦效应减弱.

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.

空间等离子体云精细化仿真及传播特性研究

在电离层中释放钐(Sm)等活泼金属气体,通过光致电离或化学电离,能够人工生成空间等离子体云,以其作为散射体,可开展超短波超视距通信和探测研究。本文开展了电离层Sm释放的精细化效应仿真研究,考虑了热层风场、地磁场、Sm释放速度和流量、运载器飞行速度等参量对Sm在电离层中扩散过程的影响。同时,采用射线追踪方法,研究了空间等离子体云的电波传播特性。结果表明释放参数和环境参数对等离子体云的形态和演化过程具有重要影响,等离子云在不同剖面形态各异,沿地磁场方向及风场方向出现明显拉伸,进一步对等离子体云的传播效应产生影响,导致电波在等离子体云不同剖面传播特性出现差异。

电离层中释放六氟化硫效应的三维精细模拟研究

传统的六氟化硫电离层释放效应研究,一般建立的是点源释放模型,仿真结果精度有限.本文开展了电离层中释放六氟化硫的三维精细效应研究,在释放物扩散方程中加入了运载器飞行速度和姿态、释放物释放速度和流量、热层风场等参量对释放物扩散过程的影响;在等离子体扩散方程中考虑了地磁倾角和沿场扩散项对人工扰动结构等关键参数的影响,将二维等离子体扩散方程扩展到三维.同时,采用射线追踪方法,研究电离层人工扰动结构对短波传播路径的影响.本文的研究结果对研究电离层的动力学过程、电离层不均匀体的生成机制和演化规律有重要意义.

几种典型化学物质的电离层释放效应研究

建立了一个包括中性释放气体扩散、离子化学反应及等离子体扩散等过程的化学物质电离层释放三维动力学模型,基于该模型构建了化学物质释放数值模拟软件平台,对H2O,CO2,H2和SF6等几种典型化学物质的电离层释放进行了数值模拟,给出了这些物质在电离层释放后产生的扰动特性和释放区域主要粒子的时空变化规律.

电离层中性气体释放的早期试验效应研究

在电离层释放电子吸附类中性气体能够引起电离层电子密度耗空,在释放之后快速形成"电离层洞";同时,由于释放气体的快速膨胀,挤压背景等离子体,在电离层洞的外边缘产生"壳状"电子密度增强结构,电离层洞和电子密度增强结构同时存在是释放早期试验效应的显著特征.本文研究了电离层中性气体释放的早期试验效应,建立了释放早期电子密度的时空演化物理模型,仿真了释放早期电子密度的时空演化过程,同时采用射线追踪方法研究了释放后10 s和120 s不同频率信号在扰动区的传播效应,并反演得到了电离层垂直探测电离图,反演结果与一次火箭喷焰的实际观测结果吻合较好,初步验证了本模型的正确性.

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.

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。

小型箭载SF6主动释放装置研究

化学物质释放是空间物理主动试验的重要手段之一.构建了一种基于探空火箭平台的SF_6气体释放装置,其具有体积小、自重轻、对运载平台要求低等优点,当装置自身质量为6kg时可实现2 kg的SF_6气体释放.仿真计算了SF_6气体在电离层高度的扩散过程和相应的电离层离子化学过程.研究结果表明,本装置能够有效消减电离层电子密度,具有较高实用价值.

电离层中Ba和SF_6复杂释放的电波传播效应研究

单一点源方式的化学物质释放,一般仅能形成较简单的电离层扰动结构,对电磁波的影响频段和影响程度都较为局限,难以对甚高频(Very High Frequency,VHF)以上频段的无线电波产生显著影响.文章提出了一种Ba和SF_6两种不同性质物质组合的复杂释放方法,并利用水平分层介质传播理论,分别以150、400、1 000 MHz三个典型频率为代表,估算了VHF、超高频(Ultrahigh Frequency,UHF)和L频段常用卫星电波信号穿越扰动区后幅度和相位的闪烁情况.仿真结果表明,复杂释放方法产生的电离层扰动结构能够对VHF以上波段信号传播产生显著影响,且信号所受影响随着频率的提高而变弱.

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.

电离层中释放六氟化硫的流场及试验效应模拟

在电离层中释放六氟化硫时,释放初期的六氟化硫流速及流量等条件是影响释放效应仿真的重要因素,对仿真结果的准确性具有一定的影响.传统的六氟化硫释放引起的电离层效应仿真中并未讨论.基于Fluent流场仿真软件,针对不同释放初始条件并结合六氟化硫容器的结构,对六氟化硫释放过程中温度、压强以及喷口流速、流量等参数变化情况进行仿真计算,得到了以上参量在释放过程中的变化情况,并将其作为电离层化学物质释放三维动力学模型的初始参数,获得了更加精确的六氟化硫电离层释放效应仿真结果.

环境能杀人, 你信吗

人类和野生动物还能繁衍后代吗?人们之所以产生这样的担心,原因在于环境中存在着一种悄悄攻击人与动物的可怕杀手,人们把它叫做“环境激素”.环境激素与地球变暖、臭氧层遭到破坏一样,已经成为世纪之交人类关注的全球性问题.

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(1,10kg)、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.

人工电离层洞形态调制及其对短波传播的影响

本文在电离层中性气体点源扩散近似解的基础上,给出了多源释放动力学模型.分析了释放物质、释放高度、释放模式和释放量等因素对人工电离层洞形态调制的影响,并利用电离层短波三维数字射线追踪技术,对不同调制电离层洞的电波传播效应进行了数值模拟和分析.