中纬度地区电离层偶发E层对量子卫星通信性能的影响

电离层偶发E层是指在距离地面高度80—150 km之间,在风剪切作用下,电子密度急剧增加的不规则电离薄层,它会对量子卫星光信号的传输造成极大的影响.然而,有关电离层偶发E层与星地间量子通信信道参数关系的研究,迄今尚未展开.为了研究偶发E层对量子卫星通信性能的影响,首先分析了它的形成过程,得出自由电子密度随高度变化的关系;然后建立了自由电子密度、偶发E层的厚度对量子卫星链路衰减的模型;针对振幅阻尼信道,给出自由电子密度对信道容量、纠缠保真度、误码率和安全密钥产生率的定量关系.理论分析和仿真结果表明,当偶发E层的厚度为1 km、电子密度由3×10~5cm^(-1)增加到27×10~5cm^(-1)时,信道容量由0.8304衰减到0.1319,纠缠保真度由0.9386下降到0.3606,量子误码率由0.0093增加到0.0769,安全密钥产生率由9.968×10^(-5)减小到1.91×10^(-6).由此可见,电子密度的大小和偶发E层的厚度对量子卫星通信性能有显著的影响.因此,在进行量子卫星通信时,应根据对电离层参数的探测情况,自适应调整卫星系统的各项指标,以确保量子通信的可靠性.

武汉上空偶发E层与流星雨的联系

利用全天空流星雷达和数字测高仪联合观测数据,初步分析了武汉(30°32′N,114°22′E)上空2002年3次大的流星雨(英仙座、狮子座、双子座)及2003年象限座流星雨爆发期间Es的出现率变化趋势及其与流星观测量的关系.结果表明,在流星雨爆发时,雷达观测到的流星数目会显著增加;流星雨峰值过后,Es出现率也会增大.流星数和Es出现率间的平均互相关函数有两个峰值,第一个峰值平均出现在流星雨爆发后的第2天前后,第二个峰值平均出现在流星雨后第6天前后.我们认为,第一个峰值对应于流星雨期间的大量流星雨电离产生的Es,第二个峰值对应于流星雨后沉积的金属离子在风剪切作用下形成的Es.

电离层突发E层与太阳活动的相关性

通过对 1 95 7— 1 990年 3个太阳黑子周期期间不同纬度台站的ES 层的临界频率f0 ES 的观测数据进行统计分析 ,研究了太阳活动对ES 层的强度与出现率的影响 ,主要结果为 :f0 ES 的年平均值在白天与太阳活动呈强正相关 ,在夜间呈负相关 .同样 ,ES 的出现率的年变化与太阳活动的关系也是白天呈正相关 ,夜间呈负相关 .进一步分析表明 ,上述白天ES层临界频率与太阳活动的正相关性的主要贡献来自于常规E层与太阳活动的强烈相关性 .消除了背景E层电子密度的作用后 ,ES 层的强度在白天与太阳活动呈微弱的正相关 ,在夜间呈负相关 ,其相关系数有比较规则的周日变化或半日变化 .

极区极夜期间E层占优电离层的分布特征

E层占优电离层是指E层的峰值电子密度大于F层的峰值电子密度(NmE>NmF)时的电离层,记为ELDI(E-Layer Dominated Ionosphere)。针对ELDI,利用2007—2010年的COSMIC(Constellation Observing System for Meteorolo-gy,Ionosphere,and Climate satellite)掩星数据,在修正地磁纬度-磁地方时标系下统计分析了它在南北极区极夜期间(南北半球的冬至日前后30天)的分布特征,结果表明极夜期间电离层ELDI特征明显,其分布与极光椭圆位形基本一致,而且其在夜侧的发生率较高,特别是磁子夜之后,北极为70%左右,而南极为90%左右;另外南极的ELDI特征在磁纬度分布上要略宽于北极的分布范围。在ELDI高发区,电离层峰值电子密度要高于其两侧地区,特别是在夜侧,尤其是磁子夜前的峰值电子密度要接近甚至大于磁正午的峰值电子密度,在南极地区格外明显;而且ELDI高发区内的E层的电子含量(TECE)、电离层总电子含量(TECI)及TECE占TECI的比重(TECEI)都高于其两侧地区,北极TECE和TECI大于南极,而TECEI则是南极大于北极。这些现象主要是由于极夜期间极区高能粒子沉降引起底部电离层电离率增大所致;同时,由于地磁轴偏离地理轴的程度在南极要大于北极,使得极夜期间南极地区的电离层的电子密度,特别是在F层要相应地小于北极地区,从而导致了极夜期间南北半球极区电离层ELDI特征之间差异。

大气潮汐风场诱导中纬突发E层的观测证据及理论模拟分析

统计分析了中纬突发E层的测高仪数据,给出了潮汐风场诱导Es层的观测证据,证实了大气潮汐风场和突发E层的强烈相关性．另外,依据风剪切理论,从连续性方程出发,并结合运动方程,运用特征线方法求解,模拟了Es层在潮汐风场作用下的形成．模拟结果证实了风剪切理论的合理性及潮汐风场导致突发E层形成的可能性．

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.

中纬突发E层特性的模拟分析

从基本的连续性方程出发,并结合运动方程,运用特征线方法求解,在合理的动力学假设条件下,模拟金属离子的汇聚,即Es层的形成.模拟的结果在一定程度上证实了风剪切理论的合理性.通过改变风场和电场模式的输入参量,使模拟的结果体现出不同当地时、不同季节的金属离子汇聚情况,讨论了模拟Es层峰值密度对风场和电场的周日和季节变化的响应,其结果与统计得到的Es层出现率的时间分布特征相似.

低纬(海南)地区电离层偶发E层的潮汐类周期研究

基于低纬(海南)台站(19.5°N,109.1°E)电离层测高仪在2004年观测到的偶发E层(Es)临界频率(f_oE_s)和虚高(h′E_s)数据,利用谱分析方法,给出了中国低纬地区Es层在全年和不同季节内的短周期变化特性.对全年数据谱分析表明,Es层除具有非常强的24h周期外,还具有显著的12h和8h周期.对不同季节内两个参数的谱分析进一步表明,8 h周期主要出现在f_oE_s参数的春秋分季和夏末及在h′E_s参数的几乎所有季节;6h周期主要出现在f_oE_s参数的11-12月.海南低纬Es层中具有显著的6h和8h周期特性,特别是这两个周期还能同时出现在冬季,这是以往研究中不曾发现的新结果.初步分析认为,Es层的6 h和8 h周期极可能是分别由1/4日和1/3日潮汐所造成的.

利用COSMIC掩星探测分析120°E经线附近电离层E层闪烁指数变化

利用气象、电离层和气候卫.星联合观测系统COSMIC掩星2007-2013年探测资料,分析了120°E经线附近电离层E层区域(70~140km)闪烁指数的季节、地方时和空间变化.结果表明强电离层闪烁主要集中在磁纬度±30°内,夏季达到最大,冬季其次,春季最小.闪烁峰值大小与太阳辐射有关,但北半球夏冬季闪烁峰值大于南半球观测结果,秋半球闪烁峰值大于春半球观测结果.地磁高纬地区较强闪烁现象出现在地方时傍晚之后,午夜前后达到最大值.地磁中纬和低纬区域日出后即出现较为明显的闪烁现象,一直持续至夜间甚至凌晨,分别约在中午和傍晚前达到最大值.磁赤道区闪烁现象通常始于地方时日出后,最大值发生在傍晚1800LT左右.电离层E区的闪烁峰值大都集中110km高度,但高纬地区的峰值高度略有降低.此外,太阳和地磁活动的增强一定程度上会抑制E层闪烁现象.相关研究结果有利于分析E层不规则结构及物理形成机制,同时为电离层区域闪烁模型的建立提供有用的信息.

雷达研究E层不均匀结构的最新进展

着眼于电离层Ｅ层是一个特殊等离子体空间环境，综述了ＶＨＦ相干散射雷达研究Ｅ层不均匀结构在６个方面的最新进展，阐明了我国开展这种研究的良好前景．

远东地区的微粒E层事件

本文给出了1983—1985年磁暴期间,我国乌鲁木齐等七个站及日本国分寺等五个站出现微粒E层的情况;得到了微粒E层的日变化、月变化和纬度变化;结合同时的地磁、宇宙线、TEC和电离层的变化,对微粒E层出现率作了分析.初步证实:微粒E层的形成和维持与赤道环电流指数(D_(st))负变幅大小密切相关,此外还同宇宙线的FD(Forbush decreases)事件的出现有关.作者认为,沉降粒子可能是低纬地区微粒E层事件的主要粒子来源.

远东地区一次典型的微粒E层事件

本文介绍了在1986年2月6日21时12分开始的急始型强磁暴主相期间,我国乌鲁木齐、兰州、北京、长春、满洲里、重庆和海南站观测到微粒E层的情况,结合同时的地磁、宇宙线和TEC的观测结果,电离层的各种变化和日本国分寺等5个地面垂测站的月报表,对1986年2月7日和8日午夜前后在远东地区出现微粒E层事件的概貌和特征作了初步概括和讨论。作者认为,粒子沉降可能是形成此次微粒E层事件的主要原因。

基于FY-3C掩星数据偶发E层的研究

利用FY-3C极轨卫星提供的2014年6月至2015年5月的GPS无线电掩星数据,统计分析了全球范围内抽样频率为50 Hz的C/A码SNR扰动情况,进而对偶发E层进行了研究.结果表明:偶发E层在夏季半球中纬地区的扰动强度远远大于冬季半球同一纬度地区的扰动强度,偶发E层在纬度40°附近扰动明显增强;在E层100 km高度附近,Es层在10:00 LT和22:00 LT达到峰值;Es层在夏季半球的出现率明显高于冬季半球;FY-3C卫星的掩星观测结果与COSMIC系统的观测结果较一致,可以利用FY-3C卫星的掩星数据研究电离层偶发E层等的变化.

含突发E层的电离层模型建立及其在测高中的应用

针对高频射线测高模型未考虑电离层突发E层(sporadic-E,Es层)的问题,从电离层物理结构特性入手,结合实测的电离层垂测数据,在多层准抛物模型的基础上研究了含Es层的电离层模型及其在目标高度测量中的应用.首先,利用反转抛物线特性模拟了含Es的电离层模型,并得到了等离子体频率与高度的关系;然后,利用该模型分析了射线的电离层传输路径与发射仰角/频率的关系以及高频射线微多径特征与目标高度的关系;最后,结合含Es的电离层模型与射线微多径特征,提出了基于分段爬山搜索的快速匹配域测高方法,该方法能大大减少搜索时间.研究结果表明:含Es的电离层模型和提出的测高方法能准确估计出目标高度,并具有较强的实时性.

极光区电离层Hall电导率的观测及其在E层电子加热情况下的特征

本文利用欧洲的ＥＩＳＣＡＴ雷达观测资料及与之配合的地磁观测数据，用电离层参数直接计算和地面磁场反演两种方法导出了极区电离层Ｈａｌｌ电导率，特别显示出在强对流电场激发的Ｅ层等离子体不稳定波对电子加热情况下，电导率明显增高．

利用CHAMP卫星掩星数据分析偶发E层现象

利用滑动平均滤波等系列数据处理方法,对2004年CHAMP卫星的GPS掩星观测数据进行详细分析,得到Es随地理纬度和高度的月平均变化特征。结果表明：北半球和南半球夏季Es扰动剧烈;5月北半球中纬地区出现了比较特殊的Es强烈扰动;在南、北纬15°~45°和高度90~110 km经常出现Es强扰动。从分析结果可以看出,Es的分布规律与太阳活动密切相关。

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.

微粒E层事件判读及分析

2012年2月16日我国14个电离层观测站观测到微粒E层事件.针对目前微粒E层事件判据及相应电离图判读方法不统一问题,借助该事件对微粒E层判据进行了讨论,在已有资料基础上,结合自身多年度量经验,形成六条判据,并通过电离图实例,说明度量方法.希望藉此形成典型微粒E层判读方法,为电离图度量及科研人员提供参考.同时,利用我国14个电离层观测站电离图,对该次事件进行初步分析.结果表明:纬度较高的观测站(如满洲里、乌鲁木齐、北京)F层非常波低频端时延增加显著,但没有出现E层回波,即有事件无类型;中纬度台站(如兰州、重庆、拉萨等)夜间E层回波清晰、可辨,且持续时间较长;较低纬度台站(昆明、海口及广州)夜间E层回波较弱,持续时间短.此外,通过对地磁活动数据及电离层foF2分析,发现该次事件发生在磁暴主相期间,与磁层活动相关,同时对微粒E层成因进行了讨论.

武汉突发E层的季节变化及其与中层风的关系

通过对2018年武汉站(114.61°E,30.53°N)数字测高仪记录的数据统计分析,研究武汉地区突发E层的特征。研究发现:2018年武汉地区电离层突发E层的临界频率在夏季最高,在冬季有一个次增强现象,在春秋季较低;在正午前最大,在日落后出现小幅度提升,在日出前最低。利用指定动态全球大气气候扩展模型SD-WACCM-X模拟出2018年武汉上空90~140 km高度的平均风场,探讨突发E层与背景风之间的关系,揭示突发E层的形成机制。结果表明,半日潮汐分量可能诱导突发E层临界频率的半日变化,周日潮汐分量诱导突发E层临界频率的周日变化;突发E层的强度可能与纬向风场120 km高度处的风剪切有关。

大气电场倒转与突发钠层及突发E层的相关性

突发钠层(Sporadic Sodium Layer,Na_(S))是中高层大气金属层最为显著的一种现象,其发生机制目前尚无定论。突发E层(Sporadic E layer,E_(S))是等离子体密度异常增大的薄层,被认为与Na_(S)密切相关。为进一步研究Na_(S)及E_(S)事件之间相关性及影响因素,利用中国科学院“子午工程”2010~2018年合肥科大站宽带钠荧光共振激光雷达观测结果,并结合武汉左岭镇站数字测高仪及九峰站大气电场仪数据,分析大气电场倒转(即北向电场)对Na_(S)以及E_(S)事件的影响。在统计的91例Na_(S)事件中,发生于大气电场倒转时的比例为20/91;同时,在发生Na_(S)事件的事例中,E_(S)消失或中断的比例较大(14/20),表明E_(S)可能以提供钠源的形式转化为Na_(S)。此外,在分析武汉左岭镇站数字测高仪数据的同时进行概率统计,结果表明:当大气电场倒转时,E_(S)临界频率减小甚至消失的概率较大(187/242),少数情况下可能造成临界频率增大甚至激发E_(S)生成(55/242);E_(S)虚高消失比例为179/242,E_(S)不变比例为27/242,E_(S)上升比例为23/242。综上所述,大气北向电场在一定程度上对E_(S)事件的发生有抑制作用,并对E_(S)事件的发生高度有明显影响。最后,对一种与电场倒转相关的突发钠层机制也进行了讨论。