VLF/HF电波加热及电离层扰动响应

Radio wave heating is one of the technologies to artificially disturb the ionosphere, where their induced intense ionospheric perturbations will affect significantly the electromagnetic wave signals used in communication, navigation etc., so the study in ionospheric heating by radio waves is important for scientific research and military application. In recent years, a lot of observations at topside ionosphere by satellite verify the influences from ground-based ionospheric heating, which give good support for research on ionospheric physics and spheres coupling theory. In this project, we will use the 6-year DEMETER satellite data, to extract the topside ionospheric heating events over the powerful VLF and HF transmitters and their conjugate geomagnetic regions, to study the propagation characteristics of disturbed electromagnetic signals at different frequency band, to summarize the evolutional laws in plasma parameters and analyze their relationship within the disturbed time period and regions. Based on the results above, the propagation model of ELF/VLF electromagnetic waves will be improved, and the disturbed amplitude in plasma parameters and ion movement due to HF wave heating will be calculated at different layers of ionosphere. With the actual observations by satellites and other ground-based information as constraints and verification, the triggering mechanism for ionospheric regularities and electromagnetic emissions will be studied, and the coupling theories among them will be investigated. The results in this project are beneficial for improving the earth spheres coupling models, and also have guiding significance and application values in future heating experiments on China Seismo-Electromagnetic Satellite（CSES）.

电波加热是人工扰动电离层的重要技术手段之一，加热引起的强烈电离层扰动可影响通信导航等电磁波信号的传播，因此电波加热具有重要的科学研究及军事应用价值。近年来大量卫星观测证实加热在顶部电离层的影响效应，为电离层物理及圈层耦合研究提供非常好的实例支撑。本项目将利用连续6年的DEMETER卫星观测数据，提取大功率VLF和HF人工源激发的顶部电离层及共轭区加热扰动事件，研究不同频段电磁扰动信息的时空传播特征，和扰动时区内等离子体参量的演化规律和相关关系。在此基础上，优化ELF/VLF电磁波在岩石层-大气层-电离层各层中的传播模型和HF电波加热引起的不同层位等离子体参量扰动和离子运移响应，以卫星和地基实测资料作为约束验证条件，解析加热过程中电离层不规则体和电磁辐射波的激发机制及其相互耦合过程。本项目的研究将有利于完善地球圈层耦合模型，对中国电磁卫星开展电离层加热试验也具有重要的指导意义和应用价值。

电波加热是人工扰动电离层的重要技术手段之一，加热引起的强烈电离层扰动可影响通信导航等电磁波信号的传播，因此电波加热具有重要的科学研究及军事应用价值。近年来大量卫星观测证实了加热在顶部电离层的影响效应，为电离层物理及圈层耦合研究提供非常好的实例支撑。本项目主要利用连续6年的DEMETER卫星观测数据，提取了大功率VLF和HF人工源激发的顶部电离层及共轭区加热扰动事件，获得人工源电波信号在卫星高度的多源电离层扰动数据集。针对HF发射泵波，在DEMETER-SURA联合试验的基础上，重点获得了泵波传播、加热区等离子体参量相关特性、粒子沉降与投掷角扩散、ULF/VLF频段电磁场响应、HF电波加热机理的数值模拟等研究成果，充分发挥了 HF电波加热引起的不同层位等离子体参量扰动幅度和离子运移响应，以实测卫星和地基资料作为验证约束条件，通过理论模拟和实测结果的相互校验深化了HF加热激发电离层自聚焦不稳定性现象的过程。针对VLF人工源信号，研究了发射源区的加热区域时空分布、季节特性、等离子体参量扰动、共轭区扰动与源区扰动的异同、VLF电波激发的粒子沉降等，进一步提出了低混杂波频率、地磁场等VLF电波传播模拟的影响效能，为模型改进提供了现实条件约束。项目执行期间，2018年中国新发射了电磁监测卫星张衡一号（CSES/ZH-1），利用研究中获得了VLF人工源加热事件及其响应特征对卫星多参量数据探测质量进行了标校，尤其是对卫星发射初期朗缪尔探针探测的电子密度反演精度和准确性提出了科学质疑，对数据反演质量进行了科学评估。同时卫星发射后即通过国际合作与俄罗斯SURA加热站开展了HF电波发射试验，参与HF电波加热中一些关键性方案的设计，获得20余次SURA-CSES联合试验数据集，对于CSES卫星HF频段的仪器指标与探测效能有了更为清晰的认知，尤其对于SURA发射站的调制VLF波获得重要探测实证。本项目的研究有效完善了电离层中电波传播与等离子体参量的相互制约和耦合过程，在中国电磁卫星的质量评价、应用拓展、国际合作中发挥了重要作用。