NWC人工甚低频台站信号产生“条缕状”准捕获电子能谱的模拟研究

遍布全球的人工甚低频台站发射的信号主要用于对潜通信,在夜间,这些信号可以泄漏进磁层与内辐射带中几十至几百keV电子发生回旋共振,从而导致电子沉降.这一过程是导致内辐射带电子损失的重要原因,也是磁层-电离层耦合过程中能量和物质输运的重要环节.被台站信号散射的电子呈现出能量随L增加而减小的“条缕状”能谱结构,与台站信号和电子的一阶回旋共振能量曲线相符.低轨卫星可以对“条缕状”能谱结构进行清晰地观测,为研究近地空间波粒相互作用提供了重要契机.本文基于Drift-Diffusion-Source模型,复现了DEMETER卫星于2009年3月19日多个轨道测量的NWC台站信号导致的“条缕状”能谱,量化了NWC台站信号对辐射带电子的散射作用,明晰了NWC台站信号的幅度和传播角,揭示了内辐射带电子漂移过程中的动态变化规律,为开发人工影响辐射带技术提供了重要理论参考.

基于张衡一号卫星波动观测的人工甚低频台站信号特征统计分析

地基人工甚低频(10~30 kHz)台站信号可以穿透电离层,甚至泄露进地球磁层,从而导致内辐射带高能电子的沉降.研究人工甚低频台站信号的特征对于研究辐射带电子的损失具有重要的科学意义.基于张衡一号卫星2019—2022年的电场观测数据,本文对全球10个人工甚低频台站在电离层中的信号特征进行了研究,统计分析了电离层中人工甚低频台站信号的昼夜差异、季变规律、对地磁活动水平的依赖性,及其在地磁共轭区的分布特征.结果表明,人工甚低频台站信号会传播至台站上空电离层及其共轭区,信号辐射范围及强度与台站的发射功率呈正相关.电离层电子密度对甚低频信号的传播具有重要影响,在夜侧和当地冬季,电离层电子密度相对较小时,泄露进入内磁层的人工甚低频台站信号较强,而信号强度受地磁活动影响很弱.在台站上空,信号增强区域以穿刺点为中心呈现近圆形分布,并存在明显的波模干涉效应,在共轭半球,信号增强区域中心相对共轭穿刺点会发生极向漂移(L<2的台站)或赤道向漂移(L>2的台站),但所有台站的电波能量都被限制在1/2赤道电子回旋频率磁壳以内的区域.这些统计观测特征表明,发射台站位于较低L值(L<1.4)的人工甚低频台站信号在内磁层中主要以非导管模式传播到共轭半球,而发射台站位于较高L值(L>2.6)的人工甚低频台站信号主要以导管模式传播.

基于范阿伦双星EMFISIS观测数据的NWC和NAA人工甚低频台站信号的内磁层全球统计分布

地球表面的人工甚低频台站信号可以穿透电离层泄漏进地球磁层导致内辐射带电子沉降到两极大气.因此研究人工甚低频台站信号的空间全球分布特性对于分析辐射带电子的损失具有重要科学意义.本文使用范阿伦双星从2013年到2018年共计6年的高质量的波动观测数据,统计了NWC(19.8 kHz)、NAA(24.0 kHz)两个人工VLF台站信号的全球分布,分析了台站信号的电场功率谱密度对地理经纬度、磁壳值L、磁地方时MLT、地磁活动水平的依赖性.结果表明,在内磁层中,人工台站VLF信号主要沿着台站位置对应的磁力线传播,夜侧强度高于日侧,冬季高于夏季.这种日夜和夏冬差异的形成是因为夜侧和冬季的日照强度较弱,电离层电子密度较低,VLF信号较容易穿透电离层进入磁层.此外人工VLF台站信号的全球分布受地磁活动的影响很弱.这些统计观测结果给出了NWC和NAA两个重要人工VLF台站信号强度的全球分布特征,为进一步分析人工VLF台站信号与地球辐射带电子的波粒相互作用提供了关键信息.

基于NWC甚低频信号的日出效应的观测与分析

频率在3~30 kHz的甚低频(VLF,Very Low Frequency)波具有较小的传播损耗和较高的趋肤深度,可以在地球-低电离层波导中实现长距离传输,广泛应用于航海导航、对潜通信等领域,且在电离层遥测方面具有十分重要的意义.基于武汉大学自主研发的VLF接收机在武汉接收的NWC(North West Cape)台站信号,本文通过分析2018年4月23日—2020年7月22日的观测数据研究了日出期间NWC信号的幅度响应及其特点和规律.结果表明NWC信号日出期间的幅度响应主要包括两种极小值结构:2个幅度极小值(SR1、SR2)的Type I结构和3个幅度极小值(SR1、SR2、SR3)的Type II结构.在以SR1出现时间为时间零点进行时序叠加分析后发现,Type I结构比Type II具有更强的规律性和稳定性.在Type I结构下,SR2出现时间的波动范围、平均值、标准差分别为43~65 min、54.2 min、4.4 min,而在Type II结构下,SR2和SR3出现时间的波动范围分别为48~93 min、80~120 min,平均值分别为64.7 min、96.4 min,标准差分别为10.2 min、11.7 min.在27个月的观测期内,3—7月份Type I结构的出现概率100%,未出现Type II结构,而在1—2月和8—12月Type I结构出现的概率明显下降,最低降至1月份的20.7%,而Type II在1月、2月、11月的出现概率均高于70%.按春秋分交替变化(周期1和周期2)的统计结果,在周期1内Type I和Type II结构出现的概率分别为91.5%、8.5%,而在周期2内Type I结构出现的概率降至41.9%,Type II结构出现概率则升至58.1%,这表示观测期间内Type II结构主要出现在秋冬季,春夏季发生概率较低.

甚低频台站信号对地球内辐射带和槽区能量电子的散射效应分析

人工地面甚低频台站发射的10-30 kHz信号主要在地球-低电离层波导传播,部分能量会泄露进入内磁层,进而会影响近地空间中高能电子的动态变化过程.本文详细研究了NWC,NAA和DHO38三个人工甚低频台站信号对内辐射带和槽区高能电子的散射作用.基于准线性理论,分别计算了三个甚低频台站信号单独和共同作用时对高能电子的弹跳平均投掷角扩散系数,并进一步利用Fokker-Planck扩散方程模拟内辐射带及槽区的高能电子在200 d内的动态演化过程.结果表明,在低L-shell(L≤1.8),NWC台站信号对电子的损失占主导作用,可以使能量在100 keV附近、投掷角小于60°的电子出现明显损失;在较高的L-shell(2.2≤L≤2.7),主要是NAA和DHO38台站信号占主导作用,可以使能量小于20 keV、投掷角小于70°的电子通量显著下降;三个甚低频台站信号对高投掷角(>80°)的电子均无显著影响.

东西传播路径上JJI台站甚低频信号的日出效应研究

甚低频(VLF, Very Low Frequency)波的频率范围为3~30 kHz,因其在地球-电离层波导中传播损耗小、传输距离远而被用于低电离层遥测的相关研究.本文基于武汉大学自主研发的甚低频探测系统在湖北随州(31.57°N,113.32°E)的观测数据,详细研究了中纬度地区来自日本JJI(32.04°N,130.81°E)甚低频台站信号沿东西方向传播的日出效应.在对日出期间接收信号的幅度极小值进行统计分析后发现,幅度极小值出现时间的分布与随州或JJI日出时间的变化趋势基本一致.日出期间JJI信号的幅度响应主要包括type Ⅰ和type Ⅱ两种结构,分别对应2个幅度极小值和3个幅度极小值的情况.其中,type Ⅰ结构主要发生在春夏两季,幅度极小值出现的平均时间落后随州日出时间24 min左右;type Ⅱ结构主要发生在秋冬两季.基于波模干涉理论对日出期间两种不同模式的JJI甚低频信号进行模拟研究,结果表明,在JJI-随州的东西向传播路径上,若只考虑前两阶模的影响,模拟结果与观测结果差异明显;若考虑前三阶模的影响,那么模拟结果与观测结果基本一致.由此可见,JJI甚低频信号在短路径上传播时高阶模会对信号的传播产生较大的影响,分析此类路径上甚低频台站信号的传播特征时需要考虑前三阶模甚至更高阶模的作用.

基于LWPC和IRI模型的NWC台站信号传播幅度建模分析

频率为3~30kHz的甚低频(VLF,Very Low Frequency)电磁波具有波长长、传播距离远的特点,能够沿地面-低电离层波导进行传播,在通信、导航等许多领域都被广泛应用.基于波导模理论的长波传播模型(LWPC,Long-Wavelength Propagation Capability)能够用于计算甚低频波的传播路径及幅度,进而研究耀斑、磁暴、地震等事件对电离层的扰动.本文利用国际电离层参考模型(IRI,International Reference Ionosphere)对LWPC中电子密度和碰撞频率进行改进,并将模拟结果与武汉大学VLF接收机实际观测到的NWC(North West Cape)台站信号幅度进行比较分析,结果表明改进后LWPC模型得到的幅度及变化趋势与实际值更加接近.LWPC模型给出的电子密度与IRI模型得到的电子密度在日间基本一致,但是在夜间存在差异,造成夜间部分区域NWC台站信号幅度的差异性,验证了电离层电子密度对于VLF信号传播具有的重要影响.传播路径上的晨昏变化也可以引起VLF信号幅度分布的突变,在日出和日落时间段内存在明显的过渡区域.基于IRI模型的LWPC,改善了VLF电波传播过程的预测分析效果,提供了一种长波导航通信质量的评估方法.