基于全波法的甚低頻波對(duì)低電離層擾動(dòng)分析

孫佳欣 彭懷云 李清亮

（中國(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266107）

引 言

低電離層(60～120 km高度)是甚低頻(very low frequency, VLF)電磁波地-電離層波導(dǎo)傳播模型的上邊界[1]，其電子濃度、電子溫度、碰撞頻率等參量的分布、擾動(dòng)變化是影響VLF遠(yuǎn)距離通信效能、導(dǎo)航定位精度的重要因素[2]. 因此，低電離層參量的分布和擾動(dòng)特性研究是VLF電波傳播研究的重要方向之一.

1990年，Inan[3]分析了南極Palmer站接收的NAA臺(tái)VLF傳播數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該VLF信號(hào)幅度被NAU臺(tái)發(fā)射的VLF信號(hào)調(diào)制，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了VLF波能顯著改變低電離層電子溫度和濃度的理論預(yù)言.Inan等人[4]、Rodriguez等人[5]分析了NSS、NAU、NAA三個(gè)VLF臺(tái)發(fā)射的強(qiáng)VLF電磁波對(duì)夜間低電離層電子溫度和電子密度的影響，發(fā)現(xiàn)在70～90 km高度電子溫度升高2.5倍，電子密度下降26%. 1997年，劉立波等人[6]在Rodriguez的基礎(chǔ)上，分析了電離層中氧氣、氮?dú)饷芏鹊缺尘皡⒘繉?duì)電子溫度、濃度擾動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)中性大氣數(shù)密度越低或溫度越高，電子參數(shù)變化越大. 2007年，Peter等人[7]分析了閃電激發(fā)的VLF電波對(duì)電子密度的擾動(dòng)，發(fā)現(xiàn)85 km處D層電子密度提高了約15%. 2013年，Graf等人[8]計(jì)算了VLF波引起的低電離層擾動(dòng)范圍和跨低電離層衰減的估計(jì)值. 2017年，馮陽(yáng)[9]推導(dǎo)了全波分析法下的VLF波傳播模型，并對(duì)不同輻射源參數(shù)、地磁場(chǎng)參數(shù)、電離層參數(shù)下的VLF波傳輸特性進(jìn)行了分析.但他研究的重點(diǎn)是電離層中的VLF波傳播情況，并沒有對(duì)VLF波引起的電離層擾動(dòng)情況進(jìn)行分析.2018年，ATICI等人[10]利用Glukhov-Pasko-Inan電離層化學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算了雷電激發(fā)的VLF電磁波對(duì)低電離層電子密度的影響，發(fā)現(xiàn)由于負(fù)離子與氧、氮原子的反應(yīng)，在場(chǎng)強(qiáng)為10 V/m的情況下，低電離層電子濃度提高了5.5倍，與無(wú)線電波對(duì)電離層的擾動(dòng)相比，雷電引起的電子濃度擾動(dòng)幅度更大. 同年，成琦等人[11]在電離層自恰加熱模型的基礎(chǔ)上，引入電子復(fù)合和吸附效應(yīng)，對(duì)高頻電波引起的電離層擾動(dòng)進(jìn)行仿真. 成琦使用的電離層化學(xué)反應(yīng)模型和擾動(dòng)模型與本文相似，不同之處在于，本文使用的是VLF波擾動(dòng)電離層. 由于低電離層電子濃度、碰撞頻率參數(shù)的高度分布在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)劇烈變化，還需考慮各層反射、透射波的相互疊加情況.

本文首先通過(guò)全波解反射系數(shù)和波模振幅遞歸算法，引入不同入射角的平面波，分析了各層中上行和下行波的能量密度分布規(guī)律. 然后基于Glukhov-Pasko-Inan低電離層化學(xué)反應(yīng)模型，利用梯度下降法[12]，分析了不同入射角平面波對(duì)電子溫度、濃度改變的影響規(guī)律. 本研究可為細(xì)致分析偶極子源(例如VLF臺(tái)、雷電)輻射的不同入射角VLF波對(duì)低電離層擾動(dòng)的貢獻(xiàn)以及擾動(dòng)現(xiàn)象的分析、認(rèn)識(shí)提供思路.

1 計(jì)算方法

1.1 平面波入射的全波法

建立電離層水平分層均勻模型，x為正北方向，y為正東方向，z為垂直向上方向. 從地面至電離層上邊界(700 km)，按高度分為N層，每層的邊界為zi(i=0,1,2,···,N)，z0代表地面，zN為電離層上邊界.由于VLF電波頻率遠(yuǎn)高于離子回旋頻率，離子影響可忽略. 電離層相對(duì)磁導(dǎo)率為1，時(shí)諧因子為 e?jωt.θ為入射角，為波矢量與x方向夾角.l、m、n為地磁場(chǎng)與x、y、z軸夾角的余弦，l=cosφBcosθB,m=sinφBcosθB,n=sinθB, θB為 磁傾角，φB為地磁場(chǎng)水平分量與正北方向夾角.

電離層中每層的電極化率矩陣由該層電子濃度、碰撞頻率決定，每層中電極化率矩陣[13]表示為

全波法將各分層中水平電場(chǎng)、磁場(chǎng)進(jìn)行二維空間域傅里葉變換，并代入Maxwell方程，消去和，可得無(wú)源層中水平電、磁場(chǎng)的矩陣形式：

式中：

基于各層分界面水平電、磁場(chǎng)連續(xù)的邊界條件，利用反射系數(shù)遞歸算法，可獲得各分層界面對(duì)上行、下行波的反射系數(shù)矩陣當(dāng)?shù)?層(為空氣層)中入射波為TM平面波時(shí)入射磁場(chǎng)為水平方向，且垂直于入射面，其二維空間域傅里葉變換表示為

式中：a為 磁場(chǎng)幅度，單位為A/m. 入射波的波模振幅表示為

同理，當(dāng)入射波為TE波時(shí)入射電場(chǎng)為水平方向，且垂直于入射面，其二維空間域傅里葉變換表示為

式中，β為電場(chǎng)幅度，單位為V/m. 對(duì)應(yīng)的上行波模振幅為

在上述平面波引入的基礎(chǔ)上，利用波模振幅遞歸算法[14]，獲取各層中的上行、下行波模振幅. 再依據(jù)式(4)、Maxwell方程和傅里葉逆變換計(jì)算各層中的上下行4個(gè)波模的電場(chǎng)和磁場(chǎng). 進(jìn)而基于坡印廷定理計(jì)算出各波模的平均能流密度

1.2 低電離層參數(shù)擾動(dòng)的梯度下降法

在低電離層中VLF電波能量主要被電子吸收，其他粒子的吸收可忽略[15]，電離層各分層中單位時(shí)間、單位體積內(nèi)吸收的能量

是4種波模吸收能量之和，單位為W/(m3·s?1)；(m=1, 2, 3, 4)為4種波模的吸收指數(shù)，

式中：c為光速；Im(·)表示取虛部.

各分層中電子溫度變化由電子能量方程確定：

式中：k為玻爾茲曼常數(shù)；Li為各層電子能量損失項(xiàng).

能量損失主要來(lái)源于電子與其他粒子的碰撞、中性粒子的能級(jí)激發(fā)等，其計(jì)算模型為Stubbe[16]能量損失模型.

通過(guò)式(12)可以得到電子溫度隨時(shí)間變化速率dTe/dt，選取時(shí)間步長(zhǎng)Δt，用差分法將電子溫度的變化過(guò)程離散化，相鄰兩時(shí)刻電子溫度之間關(guān)系可表示為

式中：Te0為前一時(shí)刻的電子溫度；Te為當(dāng)前時(shí)刻電子溫度. 電子溫度的變化改變了電離層中電子與其他帶電粒子的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，使其濃度發(fā)生變化. 各粒子的濃度變化速率可通過(guò)Glukhov-Pasko -Inan低電離層化學(xué)反應(yīng)模型[17]表達(dá)：

式中：Ne、N?、N+、Nx+分別表示電子、負(fù)離子、正離子、團(tuán)簇離子的濃度；I0是電離層自然狀態(tài)下的電子產(chǎn)生率，白天太陽(yáng)是主要的電離源，在夜間主要由月亮反射的太陽(yáng)光、人工源、其他自然因素或宇宙背景下的電離源產(chǎn)生；γ是電子從負(fù)離子上的脫離率；β是電子附著到中性粒子的效率；αd是電子與正離子復(fù)合系數(shù)；是電子與團(tuán)簇粒子的結(jié)合率；αi是負(fù)離子與正離子和水合正離子之間的復(fù)合系數(shù)；B是初級(jí)正離子轉(zhuǎn)化為水和離子的轉(zhuǎn)化率. 電子溫度的擾動(dòng)改變了帶電粒子間的反應(yīng)系數(shù)，進(jìn)而對(duì)各粒子成分濃度造成影響. 與式(13)同理，相鄰兩時(shí)刻的各粒子濃度關(guān)系可表示為

將初始電子溫度、濃度等參量帶入式(1)～(11)，用全波法計(jì)算電波能流分布、低電離層能量吸收，進(jìn)而得到時(shí)間步長(zhǎng)Δt后的電子溫度、電子和離子濃度. 如此循環(huán)迭代，直到電子溫度和帶電粒子濃度不再發(fā)生變化，即可實(shí)現(xiàn)VLF電磁波對(duì)低電離層擾動(dòng)的計(jì)算仿真.

為加快迭代模型的收斂速度，Δt的選擇采取梯度下降法，將電子濃度的變化率作為損失函數(shù)，使Δt隨電子濃度變化率改變：

式中，ζ為學(xué)習(xí)率，取ζ=1×10?9.

2 計(jì)算分析與討論

2.1 擾動(dòng)結(jié)果對(duì)比

文中使用的電離層中性大氣參數(shù)來(lái)源于MSISE-90模型. 正離子密度、電子溫度、80 km高度以上的電子數(shù)密度來(lái)源于IRI-2016或文獻(xiàn)[4]中使用過(guò)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ? 在無(wú)特殊說(shuō)明的情況下，平面波入射方向?yàn)榇怪毕蛏?，即?0°、φ=0°，地磁場(chǎng)方向?yàn)棣菳=60°、φB= 0°，大小為50μT. 入射波頻率設(shè)置為f= 10 kHz，輸入能流為8×10?6J/(m3·s?1).

在上述條件下，分別用Rodriguez[18]方法和本文方法對(duì)電離層擾動(dòng)情況進(jìn)行仿真. 圖1(a)、(b)分別給出了全波法得到的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分量二維仿真圖. 由于本節(jié)引入的是TM平面波垂直入射電離層，電場(chǎng)、磁場(chǎng)垂直分量很小. 隨著透入電離層的高度增加，電波方向發(fā)生改變，80 km以上高度出現(xiàn)了電場(chǎng)z分量.圖2為兩種方法得到的電離層能量吸收隨高度的變化. 在85 km以下高度，能量吸收差別很??；85 km以上區(qū)域，兩種方法得到的能流吸收峰值都在90 km高度附近. 不同的是，由于全波法考慮到電離層各分層中反射、透射波相互疊加的情況，在進(jìn)入電離層能流相同的情況下，電離層能流吸收要大于Rodriguez方法得到的能流吸收.

圖1 電磁場(chǎng)分量隨高度的變化Fig. 1 Variation of electric field and magnetic field component with height

圖2 電離層能流吸收對(duì)比Fig. 2 Comparison of energy flow absorption in the ionosphere

圖3給出了Rodriguez方法和全波計(jì)算方法得到的電子溫度擾動(dòng)對(duì)比. 與圖2中的能流吸收情況相對(duì)應(yīng)，Rodriguez方法中電子溫度的變化主要集中在70～95 km高度范圍內(nèi)，電子溫度在85 km和90 km高度附近存在兩個(gè)峰值點(diǎn)，最高可以達(dá)到290 K. 用全波法得到的仿真結(jié)果中由于電離層能流吸收集中在90 km高度附近，電子溫度的擾動(dòng)范圍主要集中在75～100 km且僅在90 km處有一個(gè)峰值點(diǎn)，最高可達(dá)320 K. 可以看出，波模的反射迭加不僅提高了電離層的能流吸收，電子溫度擾動(dòng)幅度也隨之增大.

圖3 電子溫度擾動(dòng)對(duì)比Fig. 3 Comparison of electronic temperature disturbance

電子溫度的擾動(dòng)導(dǎo)致電子濃度發(fā)生變化，圖4給出了電子濃度與初始時(shí)刻的比值，受背景電子濃度分布的影響，擾動(dòng)的幅度和高度與電子溫度存在一定差異. Rodriguez方法仿真的結(jié)果中，電子濃度在83 km處損耗最大，降低了約12%. 用全波法得到的電子濃度模型中，電子在85 km損耗最大，由于85 km處的背景電子濃度較高，濃度損失反而不如Rodriguez方法的結(jié)果明顯，降低了約10%. 在93 km以上區(qū)域，由于電子溫度的提高降低了電子與正離子的復(fù)合效率，該區(qū)域內(nèi)的電子濃度反而有所提高.

圖4 電子濃度擾動(dòng)對(duì)比Fig. 4 Comparison of electron concentration disturbance

2.2 不同入射波、地磁場(chǎng)條件下的擾動(dòng)結(jié)果對(duì)比

2.2.1 入射角變化對(duì)電離層擾動(dòng)的影響

將磁傾角設(shè)為60°，地磁場(chǎng)水平分量指向正北方向，在入射波水平方向的分量與正北方向夾角φ為180°的情況下，本節(jié)對(duì)比了入射角 θ對(duì)電離層擾動(dòng)的影響. 圖5(a)、(b)分別給出了各高度下電場(chǎng)、磁場(chǎng)矢量隨入射角的變化，可以看出，電場(chǎng)的衰減主要發(fā)生在90 km以上高度，磁場(chǎng)的衰減主要發(fā)生在85 km以上高度. 圖5(c)為不同入射角下的電波能流對(duì)比，可以看出，90 km高度以下區(qū)域，入射角θ = 30°的情況下電波能流密度最大，反射透射波的疊加使80～90 km高度范圍內(nèi)的能流密度大于入射波能流密度.90 km高度以上區(qū)域，入射角θ=0°時(shí)，能流密度最大，這是因?yàn)閂LF波垂直入射電離層時(shí)穿透性最強(qiáng)，能流密度隨高度衰減最慢.

圖6給出了不同入射角對(duì)應(yīng)的電離層能流吸收情況，電離層能流吸收主要集中在80 km以上區(qū)域，隨著入射角增大，能流吸收峰值所在高度逐漸從92 km向85 km偏移，由于電波在反射面附近能流吸收最大，進(jìn)一步證明了改變?nèi)肷浣菚?huì)影響電波的反射、吸收高度. 入射角越大的情況下，電波穿透性越弱，反射吸收面高度越低.

圖5 電離層參數(shù)隨入射角的變化Fig. 5 Variation of ionospheric parameters with incident angles

圖6 不同入射角下的電離層能流吸收Fig. 6 Ionospheric energy flow absorption at different incident angles

與電離層能流吸收相對(duì)應(yīng)，圖7給出了電子溫度的擾動(dòng)情況，電子溫度變化主要集中在75～95 km高度范圍內(nèi). 由式(12)可知，電子溫度的變化除受電離層能量變化影響外，還與背景電子濃度有關(guān)，電子濃度越低的區(qū)域電子溫度變化越明顯. 在入射角為30°和60°的情況下，電子溫度擾動(dòng)峰值都在85 km高度附近，θ= 30°時(shí)擾動(dòng)幅度大一些，溫度最高可達(dá)550 K，由于90 km高度電子濃度比85 km大得多，導(dǎo)致θ= 0時(shí)電子溫度的擾動(dòng)峰值很小，溫度最高僅為300 K.

圖8給出了不同入射角下的電子濃度與初始時(shí)刻的比值，93 km以下區(qū)域，入射角 θ越大，電子濃度主要擾動(dòng)區(qū)域所在高度越低，電子濃度損失越大. θ=60°情況下，電子濃度擾動(dòng)幅度最大，83 km附近電子濃度僅為初始時(shí)刻濃度的80%，θ= 30°情況下，電子濃度擾動(dòng)幅度最小，85 km附近電子濃度僅損失15%. 93 km以上區(qū)域，電子濃度因電子與正離子復(fù)合效率降低而提高.

圖7 不同入射角下的電子溫度Fig. 7 Electron temperatures at different incident angles

圖8 不同入射角下的電子濃度與初始時(shí)刻的比值Fig. 8 Ratio of electron concentration to initial time at different incident angles

2.2.2 入射波方位角對(duì)電離層擾動(dòng)的影響

在入射角θ= 30°，地磁場(chǎng)方向?yàn)棣菳=60°、φB= 0°的情況下，圖9(a)、(b)分別給出了不同方位角下的電場(chǎng)與磁場(chǎng)分布. 電場(chǎng)的衰減主要發(fā)生在90 km以上高度，磁場(chǎng)的衰減主要發(fā)生在85 km以上高度. 在本文給出的初始條件下，場(chǎng)強(qiáng)隨方位角增加而增大.圖9(c)給出了不同入射波方位角φ下電離層能流吸收隨高度的變化. 電離層對(duì)電波能流的吸收主要集中在75 km以上區(qū)域，改變方位角會(huì)影響電離層的能流吸收幅度，φ值越大，吸收峰值越大. 峰值點(diǎn)所在高度不受φ值變化的影響，集中在90 km高度附近，說(shuō)明方位角變化不會(huì)改變電波的反射吸收高度.

圖10給出了不同φ值下的電子溫度擾動(dòng)情況，溫度的擾動(dòng)主要發(fā)生在75 km以上的電離層區(qū)域.受背景電子濃度影響，電子溫度的峰值點(diǎn)出現(xiàn)在87 km高度附近且位置不隨φ值變化. 在φ為135°的情況下電子溫度提升最明顯，最高可達(dá)350 K；φ為45°時(shí)電子溫度擾動(dòng)幅度最小，其溫度峰值僅為300 K.

圖9 電離層參數(shù)隨方位角的變化Fig. 9 Variation of ionospheric parameters with azimuth angles

圖11給出了不同φ值下的電子濃度擾動(dòng)情況.可以看出，電子濃度擾動(dòng)主要集中在85 km附近，φ為135°情況下，85 km處電子濃度損失最大，濃度僅有初始時(shí)刻的87%；φ取45°情況下，電子濃度擾動(dòng)幅度最低，85 km處電子濃度僅損失10%.

圖10 不同方位角下的電子溫度Fig. 10 Electronic temperature at different azimuths

圖11 不同方位角下的電子濃度與初始時(shí)刻的比值Fig. 11 Ratio of electron concentration to initial time at different azimuths

2.2.3 磁傾角對(duì)電離層擾動(dòng)的影響

受地理位置影響，不同緯度地區(qū)磁傾角存在較大差異，在入射波垂直向上的情況下，本節(jié)分析了磁傾角θB分別為30°、45°、60°時(shí)，基于全波法的電離層擾動(dòng)情況. 圖12(a)、(b)分別給出了不同磁傾角下的電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比. 在場(chǎng)強(qiáng)衰減比較大的90 km以上高度，二者夾角越大，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的衰減越小. 圖12(c)給出了θB不同的情況下電波的能流密度. 我們發(fā)現(xiàn)，θB的變化對(duì)能流密度的影響主要集中在80 km以上的電離層區(qū)域. 在80～90 km高度范圍內(nèi)，能流密度隨θB的增大而降低，特別是θB= 30°的情況下，反射、透射波相互疊加使該區(qū)域內(nèi)能流密度提升明顯. 90 km以上區(qū)域，θB越大電波能流衰減越慢.

圖13給出了不同θB下 的電離層能流吸收情況，電波能流的吸收主要集中在80～100 km高度范圍內(nèi)，三種夾角下的能流吸收峰值點(diǎn)都在90 km高度附近. θB越 大，電離層能流吸收峰值越小，這是因?yàn)楫?dāng)來(lái)波方向與地磁場(chǎng)夾角越接近90°，波的衰減越大，電離層能流吸收越大.

圖12 電離層參數(shù)隨磁傾角的變化Fig. 12 Variation of ionospheric parameters with magnetic dip angles

圖13 不同磁傾角下的電離層能流吸收Fig. 13 Ionospheric energy flow absorption at different magnetic dip angles

圖14給出了不同θB下的電子溫度模型，與圖8中的電離層能流吸收模型相對(duì)應(yīng)，電子溫度的擾動(dòng)范圍主要集中在80～95 km高度內(nèi)，θB越小，電子溫度提升越明顯，θB= 30°的情況下，電子溫度最高可達(dá)600 K. 不同磁傾角下，電子溫度極大值點(diǎn)所在高度也有差異，增大θB，溫度擾動(dòng)的峰值點(diǎn)所在高度逐漸從85 km向90 km偏移.

圖14 不同磁傾角下的電子溫度Fig. 14 Electron temperature at different magnetic inclinations

電離層電子溫度的變化會(huì)引起電子與其他粒子的附著、分離效率發(fā)生改變，圖15給出了不同θB下的電子濃度變化. 對(duì)比可知，80～92 km高度內(nèi)，電子溫度的提高增強(qiáng)了中性粒子對(duì)電子的吸附效率，導(dǎo)致電子濃度降低，負(fù)離子濃度提高，且θB越小，電子損耗越明顯，θB=30°的情況下，85 km高度處電子濃度只有初始時(shí)刻的80%. 92 km以上高度，由于電子溫度的增加抑制了電子與正離子的復(fù)合效率，電子濃度由降低轉(zhuǎn)變?yōu)樘岣?

圖15 不同磁傾角下的電子濃度與初始時(shí)刻的比值Fig. 15 Ratio of electron concentration to initial time at different magnetic inclinations

2.3 不同電離層背景參量下的擾動(dòng)結(jié)果對(duì)比

由于中性成分參數(shù)、化學(xué)反應(yīng)系數(shù)等參量控制著電離層碰撞頻率、能量損失和化學(xué)反應(yīng)效率的變化，改變電離層背景參量亦會(huì)對(duì)電離層擾動(dòng)情況產(chǎn)生影響. 本節(jié)分析了在入射波方向θ= 30°、φ= 180°，頻率f= 10 kHz，地磁場(chǎng)方向θB= 60°、φB= 0°，強(qiáng)度為5 0μT情況下，不同背景參量下的電離層擾動(dòng)情況.

2.3.1 化學(xué)反應(yīng)系數(shù)對(duì)電離層擾動(dòng)的影響

100 km以下的低電離層區(qū)域，中性成分主要為氮?dú)夂脱鯕?，中性氣體對(duì)電子的吸附是引起電子損耗的重要因素. 圖16給出了中性粒子的電子附著率β對(duì)電子濃度的影響. 讀圖可知，隨著電子附著到中性粒子的效率提高，電子濃度向減小的趨勢(shì)發(fā)展. 電子濃度的變化進(jìn)一步影響到電子溫度的擾動(dòng)情況，由圖17可知，隨著電子濃度的降低，電子溫度在75～90 km高度范圍內(nèi)的擾動(dòng)幅度逐漸提高.

圖16 不同β下的電子濃度與初始時(shí)刻的比值Fig. 16 Ratio of electron concentration to initial time at different values of β

圖17 不同β下的電子溫度Fig. 17 Electron temperature at different values of β

2.3.2 中性成分濃度對(duì)電離層擾動(dòng)的影響

圖18給出了中性成分濃度Nn分別為原值N0的0.6倍、1倍、1.4倍情況下，電子溫度的擾動(dòng)情況.結(jié)合式(12)和文獻(xiàn)[15]給出的能量損失模型可知，Nn越大，能量損失項(xiàng)Li越大，電子溫度的擾動(dòng)幅度越小. 中性成分濃度的變化不會(huì)影響電子溫度峰值點(diǎn)所在高度，電子溫度的峰值點(diǎn)都出現(xiàn)在88 km附近.

圖18 不同中性成分濃度下的電子溫度Fig. 18 Electron temperature at different concentrations of neutral components

圖19給出了不同Nn下的電子濃度擾動(dòng)情況，Nn的增大同時(shí)提高了中性粒子對(duì)電子的吸附效率和電子從負(fù)離子上的脫離效率，但是前者的提升更為明顯. 與圖16類似，電子濃度隨Nn的提高向變小的趨勢(shì)發(fā)展. 高度越低，背景電子濃度越小，電子濃度的變化越明顯.

圖19 不同中性成分濃度下的電子濃度與初始時(shí)刻的比值Fig. 19 Ratio of electron concentration to initial time at different concentrations of neutral components

2.3.3 中性成分溫度對(duì)電離層擾動(dòng)的影響

圖20給出了中性成分溫度Tn分別為原值T0的0.8倍、1倍、1.2倍情況下，電子溫度的擾動(dòng)情況.與圖18相反，Tn越大電子溫度的擾動(dòng)幅度越大.Tn變?yōu)樵?.8倍的情況下，電子溫度最大值約為325 K；Tn為原值1.2倍的情況下，電子溫度最大值可提高到425 K.

圖20 不同中性成分溫度下的電子溫度Fig. 20 Electron temperature at different neutral component temperatures

圖21給出了不同Tn下的電子濃度擾動(dòng)情況，可以看出在92 km以下高度，由于Tn的增大提高了中性成分對(duì)電子的吸附效率，電子濃度隨Tn的增大向變小的趨勢(shì)發(fā)展. 92 km以上高度，正離子濃度的增大使電子與正離子的復(fù)合效率成為影響電子濃度的重要因素，由于電子與正離子的復(fù)合效率隨Tn的增大而減小，負(fù)離子上的電子脫離率隨負(fù)離子濃度的提高而增大，電子濃度隨Tn的增大向變大的趨勢(shì)發(fā)展.

圖21 不同中性成分濃度下的電子溫度與初始時(shí)刻的比值Fig. 21 Ratio of electron concentration to initial time at different neutral component temperatures

3 結(jié) 論

通過(guò)全波法和波模振幅遞歸算法，結(jié)合Glukhov-Pasko-Inan低電離層化學(xué)反應(yīng)模型，對(duì)VLF波影響下的電離層電子濃度、溫度的擾動(dòng)情況進(jìn)行仿真. 主要成果與結(jié)論如下：

1)本文使用的全波計(jì)算方法與其他文獻(xiàn)方法的差別在于全波法考慮到上、下行波的疊加情況. 與Rodriguez方法對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)入電離層能流相同的情況下，兩種方法得到的電離層能流吸收都集中在75～100 km高度范圍內(nèi)，峰值點(diǎn)都出現(xiàn)在90 km高度附近. 用全波法算出的電離層能流吸收大于Rodriguez方法得到的能流吸收，進(jìn)而造成電子溫度、濃度擾動(dòng)的不同.

2)對(duì)比了不同電波入射角、方位角、磁傾角下的電離層擾動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)增大平面波入射角會(huì)導(dǎo)致電波能流的反射吸收高度發(fā)生改變，入射角越大，電波的反射吸收高度越低. 方位角、磁傾角的變化不會(huì)改變電波反射高度，但會(huì)對(duì)電離層能流吸收幅度造成影響，入射波與地磁場(chǎng)夾角越接近90°，電離層能流吸收的峰值越高. 由于電離層中電子的擾動(dòng)情況還與電離層背景參量、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程有關(guān)，在多種因素調(diào)控下，電子溫度、濃度的擾動(dòng)幅度和擾動(dòng)范圍存在明顯差異.

3)對(duì)比了中性成分濃度、溫度等背景參量對(duì)電離層擾動(dòng)的影響. 發(fā)現(xiàn)上述參量主要通過(guò)改變電離層能量損失項(xiàng)L控制電子溫度的擾動(dòng)幅度. 背景參量的變化還會(huì)改變離子間的化學(xué)反應(yīng)效率，進(jìn)而影響電子濃度的擾動(dòng)情況. 不同之處在于，中性成分濃度越高，電子溫度擾動(dòng)幅度越小，電子濃度的損耗越大. 中性成分溫度越高，電子溫度擾動(dòng)幅度越大，92 km以下高度電子濃度損耗越大，92 km以上高度電子濃度損耗越小.