SAMI2模型理论研究顶部电离层分季夜间中纬电离峰的形成机制

近年来多种观测表明夜间中纬电离层存在电离密度峰值,但是夜间中纬电离峰(Mid-latitudinal Ionization Peak,MIP)结构的形成机制尚不完善.利用Swarm-A卫星观测数据,本文首先统计了地磁平静期分季夜间中低纬电离层电离密度的空间分布,结果表明夜间MIP结构在低太阳活动强度和午夜后最显著,主要出现在磁纬±40°附近.然后,本文首次使用SAMI2模型成功重现了低太阳活动强度春分日地磁平静期夜间MIP结构,模拟结果表明MIP结构在午夜后和顶部电离层-等离子体层最显著.通过重构SAMI2模型中电离层电离密度连续性方程的计算揭示了各种物理过程对于450 km高度顶部电离层夜间MIP结构的贡献.日落前后东太平洋扇区率先形成南半球MIP结构,中纬电离层较长时间的光电离、东向磁偏角导致的赤道向中性风和较弱的PRE电场均有利于其形成.深夜MIP结构的形成机制主要是西向纬向电场导致的向内E×B漂移,通过快速降低低纬电离层电离密度形成MIP结构.模拟结果还表明中性风对于夜间MIP结构的贡献取决于其等效垂直风的地方时-纬度分布.

部分饱和岩石的黏弹性Chapman-Kelvin模型的正演模拟方法研究

在讨论地震波传播理论时,大部分情况下是把地震波看作弹性波.事实上,地下介质是非完全弹性介质,这使得传统的均匀、完全弹性介质理论受到了严重挑战.地震波在裂隙岩石中传播受裂隙系统和流体含量的影响较大,以往许多关于频变各向异性的理论大多局限于单相流体假设,但是几乎所有储层中通常被一种以上的流体部分饱和或完全饱和.本文在Chapman理论基础上,提出了基于部分饱和的黏弹性Chapman-Kelvin模型的正演模拟新方法,以提高对部分饱和岩石的黏弹性地震波频变各向异性的认识.该方法基于Chapman和Kelvin理论模型,计算了双相不混溶流体饱和裂隙岩石中的黏弹性波频变各向异性弹性系数的表达式,提出包含喷射流和斑块效应的统一地震波传播的黏弹性Chapman-Kelvin新模型.通过对新模型进行数值试验,讨论了无裂缝和存在裂缝两种情况下,含裂隙储层部分饱和岩石中耦合的喷射流和斑块效应对黏弹性介质频变各向异性的影响.试验结果反映出黏弹性介质下地震波频变各向异性的变化规律,验证了本文提出的新方法和新模型正确.本文将黏弹性介质各向异性与裂缝中的流体流动参数相联系,有利于提高对含裂缝储层部分饱和岩石的黏弹性波频变地震各向异性的认识,以及地震学与油藏工程的结合程度.

组氨酸电离能与红外光谱的密度泛涵理论计算研究

采用混合密度泛涵理论中的B3LYP方法,结合4种基组6-31G(d),6-31G(df,p),6-31+G(d)和6-311+G(2d,2p),系统计算了光合反应中心叶绿素的配位体-组氨酸在空气、四碌化碳、四氢呋喃、水和蛋白质模拟环境中的几何结构、电离能、红外光谱及同位素标记谱。计算及分析结果表明:组氨酸分子的几何参数在不同计算基组和介质中略有不同,且C2—N3,N3—C4的键长在空气中最大;同一介质中,增大计算基组和采用扩散函数,均使计算的单点势能和振动频率降低,电离能增加,对应光谱强度增高;而同一计算方法下,介质的电介常数越高,分子的单点势能越低,电离能越小,对应的振动频率减小强度增加;另外,电离能和主要特征峰位及其15N和13C标记谱的计算结果与文献中的实验结果相吻合。所有计算均显示,高基组和施加扩散函数的计算结果与实验更接近。该研究为深入探索叶绿素与组氨酸配位后在光合反应中心的功能与振动光谱特性提供理论参考依据。

一个中纬电离层E层理论模式

本文建立了一个中纬电离层E层理论模式.该模式从NO+ ,O2+ ,O+ 和N2+ 这四种主要离子的连续性方程出发,通过数值模拟得到中纬电离层E层电子和各种离子密度随时间和高度的变化情况.计算结果能较好地反映出E层电子密度峰值(NmE)或E层临界频率(foE)的日变化、季节变化以及随太阳活动的变化趋势.将模式的计算结果与武汉地区测高仪的观测数据进行比较,结果证明模式能够较为客观地反映中纬电离层E层的实际形态.针对以往电离层E层理论模式存在的主要问题,本文还进一步讨论了几种重要因素,包括二次离化源,λ<15 0 谱段的辐射通量,吸收截面以及NO分布对于模式计算结果的影响.

一个低纬电离层理论模式

建立一个改进的低纬F层时变理论模式．采用沿磁力线分布的固定网格点，利用算子分裂方法求解离子连续性和动量方程，给出O＋、N2＋、O2＋和NO＋密度随纬度、高度变化的二维分布．对太阳活动高年的春分季节东亚区赤道异常日变化进行的模拟计算，较好地再现了赤道异常的典型特征．计算结果也表明HWM90模式给出的低纬夜间风速可能偏大；东亚区垂直漂移速度可能比美洲区的要小．

加热电离层生成不均匀体的理论及模拟研究

针对均匀和平面分层电离层背景，分别建立了描述大功率高频（HF）泵波加热电离层产生不均匀体的物理模型，从理论上解释了加热过程中不均匀体的生成主要是有质动力和热压力共同作用的结果。基于均匀电离层背景下加热电离层生成不均匀体的理论，通过数值模拟得到了加热导致电子密度不均匀体的空间分布。模拟结果表明，电子密度扰动在泵场方向上的特征长度为1km量级，在垂直于泵波电场方向上的特征长度为10～20m；这与电离层加热实验观测到的不均匀体纵向特征长度一般为千米量级、横向特征长度一般为10m量级的结论是相符的。另外，数值模拟得到的电子密度“空洞”和“稠团”的交替分布，可以解释加热过程产生的无线电波自聚焦效应。

二维电离层发电机理论模式及其初步应用

在地理坐标系下推导出二维电离层发电机理论方程，采用逐线迭代法求解得到全球二维电离层发电机电流函数，进而得到电离层发电机电流和电场．模式中使用的电导率是根据外部经验模式给出的背景大气和电离层参数，采用理论公式计算得出；输入的中性风场和磁场分别由HWM93和IGRF2000模型给出，该电离层发电机理论模式很好地给出了全球Sq电流形态及电离层E层发电机电场的基本特征．利用该模式研究了外部模式风场以及地磁场随高度的变化对模拟结果的影响，发现在90～180km高度上，风场随高度变化对电流影响较大，而地磁场影响较小；重点模拟研究了地磁平静时期，Sq电流涡旋中心位置和总电流强度的变化规律，初步研究发现，电流中心位置在地理纬度±30°附近，不同的地方时电流随地磁纬度线平行移动，且南北半球两个电流涡中心电流强度之和变化不大．分析发现这种规律与发电机高度上的磁场总强度及地磁倾角的全球分布有很好的相关性．

类硼离子N^(2+)光电离的R-矩阵理论计算

本文首次运用R 矩阵理论方法 ,分别在单通道近似和三态密耦近似下计算了离子N2 + 基态(1s2 2s2 2 p) 2 P的不同过程、不同分波的光电离截面及各分波的光电离截面随有效量子数的变化规律。在三态密耦近似下 ,由于大量的自电离态与连续态的相互作用 ,计算结果显示了光电离过程中非常丰富的Rydberg系列共振结构 ,是以前的理论计算中所从未涉及到的。

用理论模式研究电离层F_1－ledge的变化

利用一个时变电离层理论模式，研究武昌地区（３０．５°Ｎ，１１４．４°Ｅ）电离层Ｆ_１－ｌｅｄｓｅ现象．表明利用当前关于中性气体和太阳辐射的经验模式，观测到的Ｆ_１－ｌｅｄｇｅ出现与演化的基本规律将可基于现有电离层理论加以再现．指出较明显的Ｆ_１－ｌｅｄｇｅ结构同较低的中性原子－分子含量比有直接关系，并同原子－分子成份的过渡高度、背景温度及其垂直分布形态有一定联系．同Ｆ_１－ｌｅｄｇｅ形态相关联的Ｆ_１－Ｆ_２谷，其出现主要是由于亚稳态氧离子参与光化过程，以及电离气体参与具有一定垂直变化的输运过程．

蛋氨酸电离能与红外光谱的密度泛函理论计算研究

采用混合密度泛函理论中的B3LYP方法,并结合6-31G(d)、6-31G(df,p)、6-31+G(d)和6-311+G(2d,2p)四种基组,首次系统地计算了蛋氨酸在空气、四氯化碳、四氢呋喃、水和模拟蛋白质环境中的几何结构、电离能和红外光谱。研究结果表明,在不同的基组和介质环境下,蛋氨酸的几何参数与晶体结构实验参数相比,其键长和键角的差值分别小于0.0271(?)和5.32°;但二面角相差12.04°～122.11°;在同一计算方法下,介质的介电常数越高,分子的单点能越低,电离能也越小,对应的主要振动频率随之减小,强度增大;蛋氨酸的电离能比组氨酸的计算结果高0.33eV～0.56eV。所有数据均显示,较高基组下的计算结果更接近实验值。该研究为深入探索叶绿素与蛋氨酸配位后在光反应中心中的功能与作用提供了理论参考依据。

关于电离理论的发展

通过概述电离理论艰难的发展过程 ,揭示出某一学科理论和实践上的重大突破 ,往往需要其他学科的理论和成果 。

空腔电离理论发展概述

简述了空腔电离理论的基本原理及其在辐射剂量学中的地位 ;介绍了 Bragg-Gray理论、Spencer-Attix理论、Burch理论、Burlin模型、Kearsley模型、等效电子源理论等空腔电离理论及各种理论的适用范围 ;同时 ,介绍了用蒙特卡罗方法 ( EGS4程序 )对不同理论及模型的计算结果。

面向电离层反演的参数平滑迭代层析方法

层析是电离层三维结构反演的重要技术.增加约束可缓解层析模型的病态问题.然而,迭代层析中,大量无射线穿过的网格易对施加的约束产生与真实意图相违背的约束结果(称负面约束).针对该问题,提出了一种参数平滑的迭代层析方法(iterative tomography method via parameters smoothing, ITPS).每次迭代中,先用Chapman函数及最小二乘法拟合及改正每一垂直剖面,获取关于Chapman函数参数的二维图像,然后用移动窗口法平滑各参数图像并以此改正各网格的电子密度.实验表明:ITPS方法可一定程度上减少负面约束并抑制层像的扰动.相对于MART和CMART算法,ITPS方法在垂直剖面、F2层临界频率(f_(o)F_(2))、F_(2)层峰值高度(h_(m)F_(2))、斜电子总含量(Slant Total Electron Content, STEC)及h_(m)F_(2)以上电子密度等方面均具有更佳的表现.相对于精度较高的CMART算法,ITPS方法在f_(o)F_(2)与h_(m)F_(2)的平均优化率分别为7.49%及6.60%,STEC的平均优化率为5.19%,h_(m)F_(2)以上电子密度的平均优化率为11.41%.

原子第二宇宙速度与电离能普遍公式的推导、实验验证和理论预言

提出了“原子第二宇宙速度”这一新概念,并根据此概念推导出了单电子原子和离子的原子第二宇宙速度和电离能的普遍公式。根据这些公式计算出了100余种单电子原子和离子电离能的具体数值,计算数据与实验数据符合得很好,从而使这一新的理论和计算获得了成功。因现今实验技术的局限性,有些单电子离子的电离能实验值尚未被科学界测出,我们的理论计算值就作为理论预言列出,已获得的成功使我们有理由相信它们将会获得实验验证。本文的概念和计算显然涉及到经典物理与量子物理的关系等原则问题,其物理本质将在后面两篇文章中论述。

基于Chapman函数反演电离层电子密度

利用Chapman函数结合球谐函数建立电离层反演计算方法,并以静日下中国区域GPS CORS实测数据反演中国区域上空的电离层电子密度值,反演得到的电离层的延迟量与已知值比较,其残差中误差为0.311 m;对垂直方向上和一定高度层面上的电离层电子密度变化的研究表明,运用该方法计算的电子密度具有较高的精度,并能较为直观地反映出电离层不同层间电子密度变化的一致性。

灰理论在电离层短期预报中的应用

通过对电离层历史数据的分析,提出将灰理论分析法应用于电离层短期预报。定义灰色距离信息熵以确定样本序列最佳灰色长度,构建新的基于残差的预报模型。然后分别利用中国地区多个电离层观测台站的实测数据进行检验,分析不同地区、季节以及太阳活动水平下的预报残差和精度的特点。预报结果表明,所提的灰理论分析法不仅能够高精度地提前1天预报电离层foF2值,还可用于其他电离层参量的短期预报中,具有一定的工程应用价值。

一维氦原子在强激光场下电离的经典理论研究

本文采用经典轨迹研究方法,研究了强场下一维氦原子,脉冲包络的形状对氦原子电离的影响,氦原子单电子能量随时间的演化,我们的经典计算结果定性的与实验结果和量子计算一致。

裸核离子与中性原子碰撞电离过程的理论研究

基于处理裸核离子与中性原子碰撞电离过程的OBKN和ECPSSR理论模型,系统计算了不同裸核离子与中性原子碰撞K壳层电子俘获截面和直接电离截面,并与其它文献已有的理论和实验结果进行了比较.研究结果表明:碰撞能量较低时,电子俘获截面大于直接电离截面,随着碰撞能量的增加,电子俘获截面和直接电离截面均是先增大后减小且直接电离截面减小地非常缓慢,高能时,直接电离截面大于电子俘获截面.当入射炮弹离子速度接近0.67倍靶原子K壳层电子速度时,电子俘获截面达到最大值,而当入射炮弹离子速度接近靶原子K壳层电子速度时,直接电离截面达到最大值.

胺基自由基绝热电离能的理论计算研究

采用密度泛函理论B3LYP、BB1K、MPW1K、MPWB1K、MPW1B95和耦合簇理论CCSD(T)方法,分别用6-31+G(d,p)、6-311+G(d,p)、6-311++G(2d,2p)、6-311++G(2df,2p)、6-311G(3df,3pd)和6-311++G(3df,3pd)6种基组对胺基自由基的绝热电离能进行了理论计算.研究表明,零点能校正和弥散基函数引入可以明显改善电离能计算结果,MPW1B95/6-311++G(3df,3pd)给出与实验非常相近的结果.MPWB1K计算结果普遍严重偏离实验值,不适合胺基自由基电离能的计算.

基于灰理论的电离层foF2短期预报方法

将灰理论应用于电离层fo F2的短期预报中,基于灰色距离信息熵确定样本序列最佳灰色预报长度,构建基于残差修正的预报模型,并利用中国地区多个观测站的观测数据进行检验。研究表明,平均灰色距离信息熵的计算结果反映了太阳自转的周期性影响;高纬度地区预报方法的精度高于低纬度地区,且在太阳活动较为剧烈的季节,预报方法的误差相对较大;提前1天预报结果的平均相对残差在1MHz以内,平均精度在90%以上。为今后电离层短期预报提供一种新的思路。