呂慧娟 方涵先,2 汪四成 高澤 孟興

(1. 國防科技大學氣象海洋學院,南京 211101;2. 中國科學院 空間天氣學國家重點實驗室,北京 100190;

3. 61741部隊,北京 100094)

引 言

電離層作為無線電傳播的天然媒質,其擾動變化對無線通信及導航定位的質量具有重要影響. 隨著人類活動向太空領域逐漸拓展,除了太陽耀斑、磁暴等自然擾動因素之外,火箭尾焰等人為產(chǎn)物也不可避免地成為了電離層的擾動因素. 例如1973年在美國的SKYLAB升空期間,火箭尾焰造成的電離層電子密度“空洞”,嚴重擾亂了大西洋廣大地區(qū)上空的地-地通信[1]. 我國的DF-5火箭發(fā)射時也有類似現(xiàn)象[2].

此外,國外還利用火箭和衛(wèi)星開展了大量化學物質釋放擾動電離層的主動實驗,例如巴西的Brazilian Ionospheric Modification Experiment(BIME)[3]、美國的Shuttle Ionospheric Modification with Pulsed Localized Exhaust(SIMPLEX)、Charged Aerosol Release Experiment (CARE)[4]和Metal Oxide Space Cloud(MOSC)[5]等. 也有學者從理論角度對化學物質釋放形成電離層“空洞”的機理進行了大量研究[6-8],并與實驗觀測相結合[9-10]. Joshi等[11]將電離層斜向探測儀數(shù)據(jù)進行同化后產(chǎn)生背景電離層并構造模型,結合MOSC實驗中一次釋放的觀測數(shù)據(jù)進行分析,證實了在F層低層釋放少量化學物質可以使電磁波的傳播環(huán)境發(fā)生顯著改變. Pedersen等[12]介紹了MOSC實驗中等離子體云的經(jīng)驗建模. 與國外相比,我國在空間物理主動實驗方面發(fā)展較為緩慢,相對滯后于美國、俄羅斯等先進國家,目前仍集中于理論研究工作[13]. 黃文耿和古士芬[14]基于中性氣體擴散過程及離子化學反應,對中性氣體釋放擾動電離層的效果進行了理論計算;胡耀垓等[15-16]在建立化學釋放的動力模型時增加了等離子體擴散過程,并數(shù)值模擬了水(H2O)和六氟化硫(SF6)等物質釋放對電離層中短波傳播的影響;黃勇等[17]利用有限元模擬方法和熱力學原理比較了不同化學物質釋放后的熱力學特征和電離層的擾動特征;趙海生等[18]在中性氣體擴散方程中考慮了更多因素,包括熱層風場、中性氣體釋放速度和流量、運載器飛行姿態(tài)和速度等參量,模擬了SF6釋放的三維精細效應,并采用二維射線追蹤討論了電離層擾動對于信號傳播鏈路的影響.

在上述工作基礎上,本文選取了三種典型化學物質作為電離層擾動源模擬其釋放效果,包括氫氣(H2)、二氧化碳(CO2)和三氟溴甲烷(CF3Br). 根據(jù)黃勇等[17]的模擬結果,H2、CO2和CF3Br的氣化率均在60%以上,其中H2、CO2的密度較小,有利于降低發(fā)射成本,而CF3Br作為生成負離子中間產(chǎn)物的典型物質,一般能夠產(chǎn)生更強的電離層擾動[15],因此三種物質均可以考慮作為化學釋放的實驗對象. 本文所用的化學釋放三維動力模型考慮了中性氣體擴散過程、離子化學反應和等離子體擴散過程,并在點源釋放基礎上進一步討論了三種物質多源釋放對電離層的擾動效果.最后利用三維數(shù)字射線追蹤模擬了短波在電離層“空洞”區(qū)域的三維傳播路徑,為今后電離層人工變態(tài)試驗的開展提供一定理論指導.

1 動力學模型

1.1 中性氣體擴散

中性氣體在釋放后初期會受到巨大壓力差,因此會像鏟雪機一樣推開周圍等離子體,這一過程一般以聲速進行,只有幾秒[19]. 隨后壓力差減小,中性氣體與電離層背景等離子體充分混合,并向周圍擴散,擴散過程因中性氣體的不同會經(jīng)歷不同的時間,這也是進行離子化學反應的主要階段[14].

設電離層和熱層的背景為平面分層分布,忽略熱層風場及溫度隨時間的變化,考慮化學反應損耗和重力影響,選取的笛卡爾坐標系以中性氣體釋放點為中心,x軸指向東,y軸指向北,z軸垂直向上,則點源釋放條件下中性氣體的擴散方程近似解為[7]

(1)

式中:n是所釋放中性氣體的數(shù)密度;N0為釋放中性氣體量;Ha=kT/(mag)為背景大氣的標高,k為玻爾茲曼常數(shù),T為中性氣體溫度,ma為大氣平均分子量,g為重力加速度;Hs=kT/(msg)為釋放氣體的標高,ms為釋放氣體的分子量;αt為化學反應損失項;Ds是釋放氣體的擴散系數(shù)[20-21].

1.2 離子化學反應

被釋放的中性氣體分子能夠與電離層中(特別是F區(qū))大量存在的O+快速反應生成分子離子,而分子離子與電子復合的速率比O+與電子直接反應的速率大了約3個數(shù)量級,因此能夠大量消耗釋放區(qū)域的電子并形成“空洞”[6,22],相關的離子化學反應數(shù)據(jù)見表1.

表1 中性氣體的反應方程及反應速率[21]Tab.1 Chemical reaction equations of neural gases and the reaction rates

注:星號(*)表示原子或分子處于激發(fā)態(tài);Te表示電子溫度

1.3 等離子體擴散

中性氣體釋放使電離層原有的等離子體密度分布發(fā)生改變,動態(tài)平衡被打破,受磁場、帶電粒子密度梯度、粒子碰撞、中性風等因素影響,等離子體將會發(fā)生漂移[18]. 這一現(xiàn)象對不同區(qū)域電子密度的下降會產(chǎn)生不同影響,在電離層“空洞”中心可以起抑制作用,在周邊則起促進作用,在形態(tài)上與“空洞”恰呈互補特性,因而考慮這一過程可以更加全面地描述中性氣體釋放后電離層“空洞”的產(chǎn)生及演化過程[15]. 由于在電離層F區(qū),離子的回旋頻率比離子—離子或離子—中性分子的碰撞頻率大得多,所以假設等離子體只沿磁場線運動,忽略磁偏角影響,可以得到等離子體擴散方程[23]

P-L.

(2)

式中:np為等離子體的數(shù)密度(主要指O+);D是有效雙極擴散系數(shù),D=(1+Te/Ti)Di,Di是離子擴散系數(shù)[24];I為磁傾角;vD為外加漂移速度,本文中忽略其影響;Tp為等離子體溫度,Tp=(Te+Ti)/2;Hp為等離子體標高,Hp=2kTp/mpg;P為等離子體的產(chǎn)生率;L為等離子體的復合率.

1.4 多源釋放模型

考慮一般情況,例如火箭飛行時,中性氣體并非僅在單點釋放,因此需考慮中性氣體多源釋放的動力過程,即釋放源隨時間和空間變化的情況.點源情況下的釋放物密度分布函數(shù)為n(x,y,z,t),假設在路徑的任意釋放點上中性氣體的釋放量相等,可得中性氣體多源釋放的擴散方程近似解為[23]

nD(x,y,z,t)=

(3)

式中:nD為多源釋放下的釋放物密度分布函數(shù);(α,η,λ,γ)為釋放路徑上的點. 在數(shù)值模擬中,將釋放源看作由多個離散釋放點源組成,通過調制源項的時空分布,得到不同的電離層洞形態(tài). 本文通過等高度間隔釋放以構造類拋物線管狀的電離層洞,為確保源項中點源足夠密集,將高度的釋放間隔選為4 km,時間間隔選為1 s. 類橢球形的電離層洞則可以通過點源釋放得到.

2 數(shù)值模擬結果及討論

本文數(shù)值模擬中的中性大氣背景參數(shù)由NRLMSISE-00模式得出,背景電離層參數(shù)由international reference ionosphere 2012(IRI2012)模式得出,磁場參數(shù)由DGRF/IGRF1900-2015模式得出. 模擬的釋放時間為2010年7月,地點為南京地區(qū)(32.0°N, 118.5°E),數(shù)值模擬的平臺為Matlab R2016a,模擬流程如圖1所示.

圖1 化學物質釋放擾動電離層數(shù)值模擬流程圖Fig.1 The flowchart of the numerical simulation of chemical release in ionosphere

在得到中性氣體及電子密度的時空分布后,便可利用三維數(shù)字射線追蹤方法模擬化學物質釋放對短波傳播的影響[25-27].本文采用快速算法進行短波射線追蹤,以等離子體頻率的梯度為依據(jù)自適應調整群路徑步長,其中點源釋放條件下模擬短波的仰角范圍為79°～101°,多源則為75°～101°. 點源調制的釋放點、多源調制的釋放起點和射線發(fā)射點均為(32.0°N, 118.5°E).

2.1 點源調制

考慮到F區(qū)的O+和e-濃度較高,化學物質釋放后的作用效果較易觀察,所以三種化學物質點源釋放的高度均選為300 km,中性氣體物質的量均為5 000 mol.

2.1.1 CO2的釋放模擬

以CO2為例,模擬點源釋放條件下類橢球形電離層洞的演化過程. 如圖2所示,觀察釋放點處電子密度垂直廓線隨時間的演變過程,可以發(fā)現(xiàn),隨著時間的推移,電子密度降低的速率不斷減小,t=100 s時,電子密度的最大相對變化率已經(jīng)達到了84.1%,但此時電子密度“空洞”仍處在發(fā)展階段,尚未達到飽和.圖中紅色虛線表示t=300 s時的電子密度減少量,其最大值并不是在釋放高度300 km處,而是在釋放高度以下．綜合t=100 s內垂直廓線的演化過程,發(fā)現(xiàn)“空洞”的中心在不斷下降,下降速率約為37.5 m/s. 到t=160 s左右,釋放高度處電子密度擾動才達到最大,相對變化率為84.5%.之后該高度電離層進入緩慢的恢復階段[15],t=1 000 s時相對變化率降低為53.0%. 隨著時間的增加,電子密度回升的速度逐漸減小,廓線趨于穩(wěn)定,并且“空洞”中心高度不斷下降,使得不同高度電離層進入恢復階段的時間也各不相同. 需要注意的是,本文主要研究的是化學物質釋放初期的電離層擾動.

圖2 CO2點源釋放點處電子密度垂直廓線演化圖(紅色虛線為t=300 s時電子密度減少量)Fig.2 The variation of electron density profiles at the point of single-point CO2 release(The red dotted line shows the electron density reduction at t=300 s)

圖3為5 000 mol CO2在300 km高度被釋放100 s后的釋放物空間分布. 從圖3(a)可以看出,釋放物濃度的最大值位于釋放高度以下,其空間分布已經(jīng)不是規(guī)則的球體,這是因為釋放物的擴散系數(shù)在水平面上具有各向異性. 圖3(b)顯示不同高度處釋放物的濃度大小,垂直方向上釋放物主要集中在258～366 km高度之間(釋放物濃度在105cm-3量級及以上),隨著高度升高,擴散范圍逐漸增大,這是因為背景大氣溫度隨高度升高而增加,而釋放物的擴散系數(shù)又與背景大氣溫度呈正相關. 觀察圖3(c)發(fā)現(xiàn),t=100 s時釋放物濃度在水平方向上的差異并不明顯,東西及南北方向的擴散半徑均約為66 km(釋放物濃度在105cm-3量級及以上).

圖4為5 000 mol CO2在300 km高度處被釋放100 s后的電子密度空間分布. 與釋放物濃度的分布類似,電子密度的空間分布也不是一個規(guī)則的球體,但不同的是,圖4(b)垂直剖面中,電子密度分布上大下小的“鴨梨”狀結構[16]并不明顯,電子濃度大幅度減少的范圍主要集中在釋放高度以下．產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能包括:一是釋放物物質的量較少,導致100 s時330 km左右處的釋放物盡管有,但是濃度較低,對電子密度的影響較小,因此只能在較高值等值面才可以顯現(xiàn);二是“空洞”下部的擴散速度較小,兼之重力影響,下部釋放物得以與電子充分接觸從而發(fā)生反應[2].

分析圖4(c)可知,電離層洞在水平方向上的形態(tài)并非圓形,而是類橢圓形. 在釋放高度層,其長軸在南北方向,長度接近58 km(ΔNe/Ne約為1%),其短軸在東西方向,長度約為52 km(ΔNe/Ne約為1%). 這是由于等離子體沿磁場線擴散導致了電離層擾動沿磁場線傳播,因此在一定時間內,長短軸的比例將隨著時間推移而逐漸增加. 另一方面,中性氣體分子與電離層成分進行化學反應生成氧原子,作為背景大氣的主要成分之一,氧原子的分布又會反過來影響釋放物的擴散系數(shù),因此圖3(c)中的釋放物濃度水平分布并不能直接認定為一個規(guī)則圓形.

(a) 三維立體圖 (b) y=0 km處切面圖 (c) z=300 km處切面圖 (a) 3D view (b) Slice at y=0 km (c) Slice at z=300 km 圖3 CO2點源釋放100 s后釋放物濃度分布三維圖Fig.3 The 3D distribution of CO2 after 100 s of single-point CO2 release

(a) 三維立體圖 (b) y=0 km處切面圖 (c) z=300 km處切面圖 (a) 3D view (b) Slice at y=0 km (c) Slice at z=300 km 圖4 CO2點源釋放100 s后電子密度分布圖Fig.4 The 3D distribution of electron density after 100 s of single-point CO2 release

2.1.2 三種物質釋放模擬的對比

2.1.1節(jié)中描述了點源釋放產(chǎn)生類橢球形電離層洞的過程及特點,但是,對于不同的釋放物質,由于其自身質量、離子反應路徑、反應速率、相關理論常數(shù)等的不同,釋放后往往會產(chǎn)生不同的演化過程,因此需要對幾種典型物質進行對比研究.

結合圖2與圖5,對比三種化學物質釋放點處電子密度廓線在100 s之內的演化過程, 可以發(fā)現(xiàn),在釋放物物質的量相同的前提下,就其擾動電離層造成的電子密度變化速率而言,CF3Br遠遠大于CO2和H2,t=20 s的電子密度最大相對變化率就已達100%;而CO2在t=100 s時的最大相對變化率僅為84.1%;H2引起的電子密度變化速率最小,t=100 s時的最大相對變化率也只有56.4%．說明三種物質釋放引起的電子密度擾動速率對比而言,CF3Br為首,CO2次之,H2為末. 需要注意的是,在t=100 s時,CO2和H2的電子密度變化量并未達到飽和.

比較三種物質的“空洞”中心下降程度可以發(fā)現(xiàn):H2的下降程度最大,100 s時下降到了288 km;CO2次之,100 s時下降到294 km;CF3Br則由于反應較快,中心在20 s之前就到達了295 km. 比較三種物質釋放引起的電離層擾動在垂直方向的范圍大小,由t=100 s時的電子密度變化量(圖5中紅色虛線)可以發(fā)現(xiàn),H2能夠擾動的電離層垂直范圍最大,其電子密度相對變化率(t=100 s)在1%以上的垂直范圍為247～385 km,而CO2為255～371 km,CF3Br造成的電離層擾動垂直范圍最小,為266～345 km．說明就電離層在垂直方向的擾動范圍(t=100 s時電子密度相對變化率在1%以上)而言,H2最大,CO2次之,CF3Br為末.

結合圖3與圖6,對比釋放后100 s時三種釋放物的濃度分布,可以發(fā)現(xiàn)在釋放物物質的量相同的前提下,H2的擴散速率最大,100 s時釋放高度層東西方向擴散半徑甚至超過了100 km(釋放物濃度在105cm-3量級及以上),釋放物濃度的最大值僅為4.6×106cm-3;其次是CO2,東西方向擴散半徑在66 km左右(釋放物濃度在105cm-3量級及以上),最大值為3.8×107cm-3;CF3Br東西方向擴散半徑最小,約為28 km(釋放物濃度在105cm-3量級及以 上),最大值為8.0×107cm-3. CO2與CF3Br的釋放物濃度最大值比H2大一個量級,這種結果與中性氣體分子量的大小有關[2].

但是,電子密度擾動程度與釋放物擴散范圍的關系并非正相關.結合圖4與圖7可以明顯發(fā)現(xiàn),就電子密度變化的程度而言,CF3Br為首,CO2次之,H2為末,與圖5的結論一致. 在Ne=0.6×106cm-3的等值面上可以發(fā)現(xiàn):在水平方向上,CF3Br的半徑最大,南北和東西向均約為31 km,H2的半徑最小,南北向約為27 km,東西向約為24 km. 在垂直方向上,CF3Br的等值面范圍在56 km左右,而H2則為45 km左右. 需要注意的是,結合圖2與圖5中對于電子密度擾動垂直范圍的結論可以發(fā)現(xiàn),盡管CF3Br的Ne=0.6×106cm-3等值面較為寬廣,電子密度變化幅度也較大,但其引起的電離層擾動范圍卻并非最大,因此具有較大的電子密度梯度. 與之相反,H2則具有較小的電子密度梯度.

綜上所述,在釋放物物質的量及釋放高度相同的前提下,CF3Br擴散最慢,但因為其離子化學反應第一步的反應速率比其他兩種物質大2～3個量級,能夠與周圍電子迅速發(fā)生反應,所以在100 s內的相同時刻,其釋放引起的電子密度最大相對變化率遠大于CO2和H2. 與之相反,相同前提下,H2擴散最快,但在100 s內的相同時刻,其釋放引起的電子密度最大相對變化率最小.CO2的擴散速度及引起的電離層擾動程度則居于兩者中間.

(a) CF3Br (b) H2圖5 點源釋放點處電子密度垂直剖面圖(紅色虛線為t=100 s時電子密度減少量)Fig.5 The variation of electron density profiles at the point of single-point releases(The red dotted line shows the electron density reduction at t=100 s)

(a) CF3Br (b) H2圖6 點源釋放后100 s時釋放物濃度在y=0 km處切面圖Fig.6 The distribution of released chemicals at y=0 km after 100 s of single-point releases

(a) CF3Br (b) H2圖7 點源釋放后100 s時電子密度在y=0 km處切面圖Fig.7 The distribution of electron density at y=0 km after 100 s of single-point releases

2.2 點源調制后的短波傳播

為進一步對比三種化學物質釋放產(chǎn)生的電離層擾動效果,本文利用三維數(shù)字射線追蹤方法對點源釋放后不同頻率短波的傳播情況進行了模擬,其中射線由釋放點的正下方地面發(fā)射.圖8展示了三種化學物質在釋放100 s時對不同頻率短波傳播產(chǎn)生的擾動.

以H2為例分析不同頻率短波的傳播路徑. 如

圖8中(c1)～(c4)所示, 6 MHz的短波入射后未到達電離層受明顯擾動的高度即被反射;8 MHz的短波束中,仰角最為接近90°的短波已經(jīng)可以穿透受擾動的電離層區(qū)域,仰角稍小的短波雖然被反射回地面,但是在電離層的“空洞”邊界上經(jīng)過了多次反射,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是電離層“空洞”上邊界的電子密度要大于下邊界(見圖5),使得短波可以穿透下層卻無法穿透上層;10 MHz的短波已經(jīng)可以完全穿過電離層(圖8顯示的仰角范圍內,下同)并且產(chǎn)生電磁波的聚焦效應,這是因為受擾動區(qū)域的電子密度變化大小不一,使得短波的折射率也產(chǎn)生了相應大小的變化[18];結合12 MHz的短波傳播結果可以發(fā)現(xiàn),聚焦效應會隨著電波頻率的增加而減弱,相應的聚焦點也會隨之升高.

綜合對H2的分析可知,化學物質釋放后的短波傳播有如下幾種情況,隨著短波頻率升高分別為:全部反射、部分穿透部分反射、全部穿透,其中反射還包括單次反射與多次反射.

比較三種物質的釋放在同一頻率短波傳播時的不同作用．對比8 MHz圖像可以發(fā)現(xiàn),不同化學物質的釋放使電離層的臨界頻率發(fā)生了不同程度的改變,CF3Br的反應速率較快,來不及向更低層的電離層擴散,因此電離層擾動的垂直范圍較小,在8 MHz短波的垂直反射高度之上,即其擾動范圍下界的臨界頻率高于8 MHz．但CO2或H2釋放后,8 MHz短波卻能夠不同程度地穿過電離層“空洞”,說明“空洞”下界的臨界頻率已經(jīng)低于8 MHz. 對比10 MHz、12 MHz的圖像可以發(fā)現(xiàn),由于H2引起的的電子密度擾動程度最小,具有較小的電子密度梯度,因此對于同一頻率的短波,其聚焦點比其他兩種物質明顯偏高,聚焦效應最弱,而12 MHz圖像中CO2的聚焦點位于大約320 km處,CF3Br的約為310 km,可知CO2的聚焦點又略高于CF3Br.

注:a1、a2、a3、a4:CF3Br;b1、b2、b3、b4:CO2;c1、c2、c3、c4:H2;背景圖為y=-1 km處切面圖,單位為106 cm-3;射線圖為自南向北的側視圖圖8 點源釋放100 s后不同頻率短波三維射線追蹤結果Fig.8 The 3D ray tracing simulations of short-wave propagation at different frequencies after 100 s of single-point releases(The background is the slice of electron density distribution at y=-1 km, unit:106 cm-3;the rays are shown in a side view from south to north)

2.3 多源調制

點源釋放可以較為清晰地演示化學物質釋放所造成的電離層擾動過程,但實際情況中的化學釋放過程往往更加復雜,例如火箭尾焰中的化學物質常常是隨著火箭的運動持續(xù)釋放,釋放源是時間和空間的函數(shù),所能形成的電離層“空洞”形態(tài)多樣. 因此本文進一步研究了類拋物線管形狀的電離層洞調制過程. 釋放的起始高度為200 km,CO2與H2的釋放量為40 000 mol,CF3Br的釋放量為4 000 mol,并模擬了其對短波傳播產(chǎn)生的影響,射線由初始釋放點的正下方地面發(fā)射. 其中,CF3Br的釋放量較小是因為CF3Br的相對分子質量較大,若仍保持與其他兩種物質的釋放量一致,則會導致其總質量過大,考慮到CF3Br的擾動速度很快,此處將其釋放量縮小之后并不影響三種物質的對比效果.

圖9給出了三種物質在多源釋放條件下釋放100 s后的濃度分布. 結合圖6給出的點源分布特征可知,就擴散速度與擴散范圍而言,H2為首,CO2次之,CF3Br為末. 盡管上層的釋放物釋放時間較晚,擴散時間較短,但三種物質均表現(xiàn)為上層物質濃度小于低層,表明中性氣體的擴散系數(shù)隨高度的增加而增大.

圖10給出了三種物質在多源釋放條件下釋放100 s后的電子濃度分布. 可見,三種物質釋放后均呈現(xiàn)出類拋物線管形狀的結構,但是由于CF3Br擴散較慢,卻反應迅速,因此類拋物線管的邊緣更為清晰,漸變性較弱. 而H2則恰與其相反,由于擴散范圍大,卻化學反應慢,電子密度的層次性明顯.

(a) CF3Br (b) CO2 (c) H2圖9 多源釋放后100 s時釋放物濃度在y=0 km處切面圖Fig.9 The distribution of released chemicals at y=0 km after 100 s of multipoint releases

(a) CF3Br (b) CO2 (c) H2圖10 多源釋放后100 s時電子密度在y=0 km處切面圖Fig.10 The distribution of electron density at y=0 km after 100 s of multipoint releases

2.4 多源調制后的短波傳播

如圖11所示,多源釋放后的短波三維傳播呈現(xiàn)出多樣性,水平方向上的不對稱性更加明顯.6 MHz的短波未能穿過電離層,但在類拋物線管的“空洞”內發(fā)生了多次反射,使得短波在電離層的吸收損耗會有幾個數(shù)量級的提升;8 MHz短波經(jīng)過受擾動的電離層區(qū)域時,路徑仍然以多次反射為主,且由于H2在垂直方向的擴散范圍較大,短波的反射高度明顯抬升;而10 MHz的短波則大部分可以穿透電離層洞,部分短波甚至沿類拋物線管的管壁傳播,原本在無擾動情況下可以穿透電離層的短波被部分反射回地面,此外,由于部分短波在經(jīng)過“空洞”時會發(fā)生明顯折射,使得多源釋放條件下仍然可以有聚焦效應產(chǎn)生;15 MHz的短波可以完全穿透三種物質的電離層擾動區(qū),由于路徑的彎曲程度較小,其短波在電離層的吸收損耗略小于10 MHz,但就折射導致的傳播路徑偏離程度以及聚焦點高度而言,CF3Br的偏離最大,聚焦點最低,H2的偏離相對較小,聚焦點最高;此外,對比圖11中10 MHz和15 MHz的圖像可以發(fā)現(xiàn),聚焦點隨射線頻率的增加而升高,聚焦效應減弱.綜上可知,化學物質的多源釋放會使短波的傳播路徑發(fā)生更加多樣的變化,多次反射現(xiàn)象更加突出,導致傳播路徑延長,更容易造成無線信號的衰落,影響通信系統(tǒng)性能.

3 結 論

本文選取了三種典型化學物質(H2、CO2和CF3Br)作為擾動源,調制了類橢球形和類拋物線管狀兩種電離層“空洞”形態(tài),并對比研究了電子密度及不同釋放物在釋放后100 s之內的時空分布特征,所用的三維動力模型考慮了中性氣體擴散過程、離子化學反應和等離子體擴散過程. 此外,還利用三維數(shù)字射線追蹤方法模擬了短波在受擾電離層的三維路徑,模擬時采用快速算法,以等離子體頻率梯度為依據(jù)自適應調整群路徑步長,討論了電離層擾動對短波傳播的影響,得出以下結論:

1) 三種化學物質被釋放后,等離子體原有的動態(tài)平衡被打破,電離層電子被迅速消耗并形成電離層“空洞”,“空洞”在水平面上沿磁場線方向的軸長略大于其垂直方向,等離子體擴散造成電離層擾動水平分布不均勻.

2) 在300 km高度釋放三種中性氣體各5 000 mol,會對電離層產(chǎn)生不同程度的擾動效應. 其中H2擴散最快,CF3Br擴散最慢,釋放100 s時CF3Br與CO2的濃度最大值比H2大一個量級,但CF3Br造成的電離層擾動速率遠大于CO2和H2,而CO2又大于H2,三者的濃度最大值所在高度及電子密度最小值所在高度均隨釋放時間的增加有所下降.

3) 點源釋放條件下產(chǎn)生類橢球狀的電離層“空洞”,CF3Br造成的電離層擾動垂直范圍較小,擾動下界所處位置較高,開始發(fā)生穿透現(xiàn)象所需的短波頻率最高,H2擴散最快但反應最慢,導致電子密度梯度較小,在折射產(chǎn)生聚焦效應時,聚焦點比其他兩種物質明顯偏高.

4) 多源釋放條件下可產(chǎn)生類拋物線管狀的電離層“空洞”,短波傳播呈現(xiàn)出多樣性,且多源釋放條件下仍然可以有聚焦效應產(chǎn)生,與點源釋放相同的是,聚焦點隨射線頻率增加而升高,聚焦效應減弱. 聚焦效應的研究對改善高頻電波加熱電離層的效果也具有重要意義.

本文主要研究了幾種典型的化學物質釋放后100 s內對電離層電子密度的三維擾動結果,對于初始發(fā)展階段之后的充分發(fā)展、維持及恢復階段還有待進一步研究;其次,本文在建立模型時做出了一定簡化,下一步可以綜合考慮磁偏角、中性風場等更多因素以完善模型,此外需要注意的是,本文假定物質釋放是在理想條件下進行,但實際情況中,釋放效率很難達到100%;最后,多源調制的目的是使模擬更加貼近實際,但多源釋放后的短波傳播結果表明,釋放源分布和釋放物質的選擇對模擬結果具有十分重要的影響,簡單的疊加點源與持續(xù)釋放相比尚有差別,下一步的多源釋放模型應當進行更加精細的模擬.