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【赵庶凡, 申旭辉*等-Results in physics】基于全波模拟分析电离层扰动对电离层中VLF人工源信号的影响
来源:办公室 发布时间:2020-09-29

     近地表甚低频(Very Low Frequency, VLF)电磁辐射源(如VLF人工源、闪电等)产生的甚低频电波可以被地面和电离层底边界来回反射沿地球-电离层波导进行远距离传播,其中部分能量在传播过程中会不断向电离层渗透。近几十年来的研究表明,孕震活动的影响不仅仅局限于岩石圈内,还可以通过多种耦合机制影响电离层,电离层的D/E区、F区和顶部都可能发生电子密度异常等电离层扰动。这些电离层扰动会引起地基甚低频辐射源在电离层中激发的电磁场变化,从而被低轨卫星(LEO Satellite)记录用于进一步研究可能的地震异常。
     目前,中国电磁监测试验卫星(CSES)张衡一号已在轨运行2年半,其电磁场载荷数据已广泛的应用于地震引起的电磁异常研究。因此,为更准确系统地认识地震引起的电磁场异常,本研究从Maxwell方程出发建立了低频电磁波在各向异性有耗介质中传播的全波计算模型来模拟地基VLF人工源信号从近地表穿透电离层到卫星高度的传播过程,详细分析了地震可能引起的不同高度(D/E区和F区)、不同幅度、不同尺度的电离层扰动对低轨卫星高度观测的人工源信号电磁场强度的影响(图 1),可以为更好理解地震电离层电磁异常提供重要的理论依据。
免费一本一道在线观看     研究结果表明,电离层电子密度扰动对地-电离层波导中能量影响不大,主要影响渗透进电离层中的能量,穿透低电离层后波印廷能流基本不再变化。D/E区(低电离层)扰动,对渗透进入电离层的电磁场强度有显著影响,正扰动引起电磁波吸收的增强,反之亦然(图 2)。扰动的幅度和尺度越大,电磁扰动越大,但这种变化不是线性的,且电子密度增大引起的电磁场变化要比电子密度减小相同幅度引起的变化要大,这意味着电子密度的绝对变化对电磁场的影响更为重要(图 3)。F区电离层扰动引起的电磁波强度变化是局地的,可能的原因是波进入电离层后主要以哨声为主的电磁波(cB/E ~n),由于碰撞频率很低,电子密度的变化只引起折射指数的变化,从而只改变电磁场能量传播过程的存储形式(图 4)。

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图 1 白天(上图)和夜间(下图)VLF人工源在以辐射源为原点的子午面内激发的坡印廷能流分布

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图 2 白天电离层D/E区扰动对电磁场强度及能量的影响

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图 3 白天电离层D/E区不同扰动幅度(左)和尺度(右)对卫星高度坡印廷能流的影响

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免费一本一道在线观看图 4 电离层F区扰动对电磁场及能量的影响。

     该项成果发表在物理学领域的Q1分区期刊Results in physics.
     原文链接:ZHAO S, SHEN X*, ZHOU C, et al. The influence of the ionospheric disturbance on the ground based VLF transmitter signal recorded by LEO satellite – Insight from full wave simulation[J]. Results in Physics, 2020, 19: 103391.
免费一本一道在线观看https://doi.org/10.1016/j.rinp.2020.103391

 

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