呂慧娟 方涵先,2 汪四成 高澤 孟興

(1. 國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院,南京 211101;2. 中國(guó)科學(xué)院 空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;

3. 61741部隊(duì),北京 100094)

引 言

電離層作為無線電傳播的天然媒質(zhì),其擾動(dòng)變化對(duì)無線通信及導(dǎo)航定位的質(zhì)量具有重要影響. 隨著人類活動(dòng)向太空領(lǐng)域逐漸拓展,除了太陽(yáng)耀斑、磁暴等自然擾動(dòng)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(dòng)因素. 例如1973年在美國(guó)的SKYLAB升空期間,火箭尾焰造成的電離層電子密度“空洞”,嚴(yán)重?cái)_亂了大西洋廣大地區(qū)上空的地-地通信[1]. 我國(guó)的DF-5火箭發(fā)射時(shí)也有類似現(xiàn)象[2].

此外,國(guó)外還利用火箭和衛(wèi)星開展了大量化學(xué)物質(zhì)釋放擾動(dòng)電離層的主動(dòng)實(shí)驗(yàn),例如巴西的Brazilian Ionospheric Modification Experiment(BIME)[3]、美國(guó)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(xué)者從理論角度對(duì)化學(xué)物質(zhì)釋放形成電離層“空洞”的機(jī)理進(jìn)行了大量研究[6-8],并與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相結(jié)合[9-10]. Joshi等[11]將電離層斜向探測(cè)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行同化后產(chǎn)生背景電離層并構(gòu)造模型,結(jié)合MOSC實(shí)驗(yàn)中一次釋放的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,證實(shí)了在F層低層釋放少量化學(xué)物質(zhì)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(shí)驗(yàn)中等離子體云的經(jīng)驗(yàn)建模. 與國(guó)外相比,我國(guó)在空間物理主動(dòng)實(shí)驗(yàn)方面發(fā)展較為緩慢,相對(duì)滯后于美國(guó)、俄羅斯等先進(jìn)國(guó)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(kuò)散過程及離子化學(xué)反應(yīng),對(duì)中性氣體釋放擾動(dòng)電離層的效果進(jìn)行了理論計(jì)算;胡耀垓等[15-16]在建立化學(xué)釋放的動(dòng)力模型時(shí)增加了等離子體擴(kuò)散過程,并數(shù)值模擬了水(H2O)和六氟化硫(SF6)等物質(zhì)釋放對(duì)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(xué)原理比較了不同化學(xué)物質(zhì)釋放后的熱力學(xué)特征和電離層的擾動(dòng)特征;趙海生等[18]在中性氣體擴(kuò)散方程中考慮了更多因素,包括熱層風(fēng)場(chǎng)、中性氣體釋放速度和流量、運(yùn)載器飛行姿態(tài)和速度等參量,模擬了SF6釋放的三維精細(xì)效應(yīng),并采用二維射線追蹤討論了電離層擾動(dòng)對(duì)于信號(hào)傳播鏈路的影響.

在上述工作基礎(chǔ)上,本文選取了三種典型化學(xué)物質(zhì)作為電離層擾動(dòng)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(jié)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(fù)離子中間產(chǎn)物的典型物質(zhì),一般能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的電離層擾動(dòng)[15],因此三種物質(zhì)均可以考慮作為化學(xué)釋放的實(shí)驗(yàn)對(duì)象. 本文所用的化學(xué)釋放三維動(dòng)力模型考慮了中性氣體擴(kuò)散過程、離子化學(xué)反應(yīng)和等離子體擴(kuò)散過程,并在點(diǎn)源釋放基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論了三種物質(zhì)多源釋放對(duì)電離層的擾動(dòng)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(yàn)的開展提供一定理論指導(dǎo).

1 動(dòng)力學(xué)模型

1.1 中性氣體擴(kuò)散

中性氣體在釋放后初期會(huì)受到巨大壓力差,因此會(huì)像鏟雪機(jī)一樣推開周圍等離子體,這一過程一般以聲速進(jìn)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(kuò)散,擴(kuò)散過程因中性氣體的不同會(huì)經(jīng)歷不同的時(shí)間,這也是進(jìn)行離子化學(xué)反應(yīng)的主要階段[14].

設(shè)電離層和熱層的背景為平面分層分布,忽略熱層風(fēng)場(chǎng)及溫度隨時(shí)間的變化,考慮化學(xué)反應(yīng)損耗和重力影響,選取的笛卡爾坐標(biāo)系以中性氣體釋放點(diǎn)為中心,x軸指向東,y軸指向北,z軸垂直向上,則點(diǎn)源釋放條件下中性氣體的擴(kuò)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(biāo)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(biāo)高,ms為釋放氣體的分子量;αt為化學(xué)反應(yīng)損失項(xiàng);Ds是釋放氣體的擴(kuò)散系數(shù)[20-21].

1.2 離子化學(xué)反應(yīng)

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(yīng)生成分子離子,而分子離子與電子復(fù)合的速率比O+與電子直接反應(yīng)的速率大了約3個(gè)數(shù)量級(jí),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(guān)的離子化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)見表1.

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

注:星號(hào)(*)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(kuò)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(dòng)態(tài)平衡被打破,受磁場(chǎng)、帶電粒子密度梯度、粒子碰撞、中性風(fēng)等因素影響,等離子體將會(huì)發(fā)生漂移[18]. 這一現(xiàn)象對(duì)不同區(qū)域電子密度的下降會(huì)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(jìn)作用,在形態(tài)上與“空洞”恰呈互補(bǔ)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(shè)等離子體只沿磁場(chǎng)線運(yùn)動(dòng),忽略磁偏角影響,可以得到等離子體擴(kuò)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(kuò)散系數(shù),D=(1+Te/Ti)Di,Di是離子擴(kuò)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(biāo)高,Hp=2kTp/mpg;P為等離子體的產(chǎn)生率;L為等離子體的復(fù)合率.

1.4 多源釋放模型

考慮一般情況,例如火箭飛行時(shí),中性氣體并非僅在單點(diǎn)釋放,因此需考慮中性氣體多源釋放的動(dòng)力過程,即釋放源隨時(shí)間和空間變化的情況.點(diǎn)源情況下的釋放物密度分布函數(shù)為n(x,y,z,t),假設(shè)在路徑的任意釋放點(diǎn)上中性氣體的釋放量相等,可得中性氣體多源釋放的擴(kuò)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(diǎn). 在數(shù)值模擬中,將釋放源看作由多個(gè)離散釋放點(diǎn)源組成,通過調(diào)制源項(xiàng)的時(shí)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(gòu)造類拋物線管狀的電離層洞,為確保源項(xiàng)中點(diǎn)源足夠密集,將高度的釋放間隔選為4 km,時(shí)間間隔選為1 s. 類橢球形的電離層洞則可以通過點(diǎn)源釋放得到.

2 數(shù)值模擬結(jié)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(chǎng)參數(shù)由DGRF/IGRF1900-2015模式得出. 模擬的釋放時(shí)間為2010年7月,地點(diǎn)為南京地區(qū)(32.0°N, 118.5°E),數(shù)值模擬的平臺(tái)為Matlab R2016a,模擬流程如圖1所示.

圖1 化學(xué)物質(zhì)釋放擾動(dòng)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(shí)空分布后,便可利用三維數(shù)字射線追蹤方法模擬化學(xué)物質(zhì)釋放對(duì)短波傳播的影響[25-27].本文采用快速算法進(jìn)行短波射線追蹤,以等離子體頻率的梯度為依據(jù)自適應(yīng)調(diào)整群路徑步長(zhǎng),其中點(diǎn)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(diǎn)源調(diào)制的釋放點(diǎn)、多源調(diào)制的釋放起點(diǎn)和射線發(fā)射點(diǎn)均為(32.0°N, 118.5°E).

2.1 點(diǎn)源調(diào)制

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

2.1.1 CO2的釋放模擬

以CO2為例,模擬點(diǎn)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(diǎn)處電子密度垂直廓線隨時(shí)間的演變過程,可以發(fā)現(xiàn),隨著時(shí)間的推移,電子密度降低的速率不斷減小,t=100 s時(shí),電子密度的最大相對(duì)變化率已經(jīng)達(dá)到了84.1%,但此時(shí)電子密度“空洞”仍處在發(fā)展階段,尚未達(dá)到飽和.圖中紅色虛線表示t=300 s時(shí)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(nèi)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(dòng)才達(dá)到最大,相對(duì)變化率為84.5%.之后該高度電離層進(jìn)入緩慢的恢復(fù)階段[15],t=1 000 s時(shí)相對(duì)變化率降低為53.0%. 隨著時(shí)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(jìn)入恢復(fù)階段的時(shí)間也各不相同. 需要注意的是,本文主要研究的是化學(xué)物質(zhì)釋放初期的電離層擾動(dòng).

圖2 CO2點(diǎn)源釋放點(diǎn)處電子密度垂直廓線演化圖(紅色虛線為t=300 s時(shí)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?yàn)獒尫盼锏臄U(kuò)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(jí)及以上),隨著高度升高,擴(kuò)散范圍逐漸增大,這是因?yàn)楸尘按髿鉁囟入S高度升高而增加,而釋放物的擴(kuò)散系數(shù)又與背景大氣溫度呈正相關(guān). 觀察圖3(c)發(fā)現(xiàn),t=100 s時(shí)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(kuò)散半徑均約為66 km(釋放物濃度在105cm-3量級(jí)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(gè)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(jié)構(gòu)[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(zhì)的量較少,導(dǎo)致100 s時(shí)330 km左右處的釋放物盡管有,但是濃度較低,對(duì)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(kuò)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(yīng)[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(zhǎng)軸在南北方向,長(zhǎng)度接近58 km(ΔNe/Ne約為1%),其短軸在東西方向,長(zhǎng)度約為52 km(ΔNe/Ne約為1%). 這是由于等離子體沿磁場(chǎng)線擴(kuò)散導(dǎo)致了電離層擾動(dòng)沿磁場(chǎng)線傳播,因此在一定時(shí)間內(nèi),長(zhǎng)短軸的比例將隨著時(shí)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)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(huì)反過來影響釋放物的擴(kuò)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(rèn)定為一個(gè)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(diǎn)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(diǎn)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(zhì)釋放模擬的對(duì)比

2.1.1節(jié)中描述了點(diǎn)源釋放產(chǎn)生類橢球形電離層洞的過程及特點(diǎn),但是,對(duì)于不同的釋放物質(zhì),由于其自身質(zhì)量、離子反應(yīng)路徑、反應(yīng)速率、相關(guān)理論常數(shù)等的不同,釋放后往往會(huì)產(chǎn)生不同的演化過程,因此需要對(duì)幾種典型物質(zhì)進(jìn)行對(duì)比研究.

結(jié)合圖2與圖5,對(duì)比三種化學(xué)物質(zhì)釋放點(diǎn)處電子密度廓線在100 s之內(nèi)的演化過程, 可以發(fā)現(xiàn),在釋放物物質(zhì)的量相同的前提下,就其擾動(dòng)電離層造成的電子密度變化速率而言,CF3Br遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CO2和H2,t=20 s的電子密度最大相對(duì)變化率就已達(dá)100%;而CO2在t=100 s時(shí)的最大相對(duì)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(shí)的最大相對(duì)變化率也只有56.4%．說明三種物質(zhì)釋放引起的電子密度擾動(dòng)速率對(duì)比而言,CF3Br為首,CO2次之,H2為末. 需要注意的是,在t=100 s時(shí),CO2和H2的電子密度變化量并未達(dá)到飽和.

比較三種物質(zhì)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(shí)下降到了288 km;CO2次之,100 s時(shí)下降到294 km;CF3Br則由于反應(yīng)較快,中心在20 s之前就到達(dá)了295 km. 比較三種物質(zhì)釋放引起的電離層擾動(dòng)在垂直方向的范圍大小,由t=100 s時(shí)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(dòng)的電離層垂直范圍最大,其電子密度相對(duì)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(dòng)垂直范圍最小,為266～345 km．說明就電離層在垂直方向的擾動(dòng)范圍(t=100 s時(shí)電子密度相對(duì)變化率在1%以上)而言,H2最大,CO2次之,CF3Br為末.

結(jié)合圖3與圖6,對(duì)比釋放后100 s時(shí)三種釋放物的濃度分布,可以發(fā)現(xiàn)在釋放物物質(zhì)的量相同的前提下,H2的擴(kuò)散速率最大,100 s時(shí)釋放高度層?xùn)|西方向擴(kuò)散半徑甚至超過了100 km(釋放物濃度在105cm-3量級(jí)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(kuò)散半徑在66 km左右(釋放物濃度在105cm-3量級(jí)及以上),最大值為3.8×107cm-3;CF3Br東西方向擴(kuò)散半徑最小,約為28 km(釋放物濃度在105cm-3量級(jí)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(gè)量級(jí),這種結(jié)果與中性氣體分子量的大小有關(guān)[2].

但是,電子密度擾動(dòng)程度與釋放物擴(kuò)散范圍的關(guān)系并非正相關(guān).結(jié)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(jié)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(jié)合圖2與圖5中對(duì)于電子密度擾動(dòng)垂直范圍的結(jié)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(dòng)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(zhì)的量及釋放高度相同的前提下,CF3Br擴(kuò)散最慢,但因?yàn)槠潆x子化學(xué)反應(yīng)第一步的反應(yīng)速率比其他兩種物質(zhì)大2～3個(gè)量級(jí),能夠與周圍電子迅速發(fā)生反應(yīng),所以在100 s內(nèi)的相同時(shí)刻,其釋放引起的電子密度最大相對(duì)變化率遠(yuǎn)大于CO2和H2. 與之相反,相同前提下,H2擴(kuò)散最快,但在100 s內(nèi)的相同時(shí)刻,其釋放引起的電子密度最大相對(duì)變化率最小.CO2的擴(kuò)散速度及引起的電離層擾動(dòng)程度則居于兩者中間.

(a) CF3Br (b) H2圖5 點(diǎn)源釋放點(diǎn)處電子密度垂直剖面圖(紅色虛線為t=100 s時(shí)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(diǎn)源釋放后100 s時(shí)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(diǎn)源釋放后100 s時(shí)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(diǎn)源調(diào)制后的短波傳播

為進(jìn)一步對(duì)比三種化學(xué)物質(zhì)釋放產(chǎn)生的電離層擾動(dòng)效果,本文利用三維數(shù)字射線追蹤方法對(duì)點(diǎn)源釋放后不同頻率短波的傳播情況進(jìn)行了模擬,其中射線由釋放點(diǎn)的正下方地面發(fā)射.圖8展示了三種化學(xué)物質(zhì)在釋放100 s時(shí)對(duì)不同頻率短波傳播產(chǎn)生的擾動(dòng).

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(dá)電離層受明顯擾動(dòng)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(dòng)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(nèi),下同)并且產(chǎn)生電磁波的聚焦效應(yīng),這是因?yàn)槭軘_動(dòng)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(yīng)大小的變化[18];結(jié)合12 MHz的短波傳播結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),聚焦效應(yīng)會(huì)隨著電波頻率的增加而減弱,相應(yīng)的聚焦點(diǎn)也會(huì)隨之升高.

綜合對(duì)H2的分析可知,化學(xué)物質(zhì)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(zhì)的釋放在同一頻率短波傳播時(shí)的不同作用．對(duì)比8 MHz圖像可以發(fā)現(xiàn),不同化學(xué)物質(zhì)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(yīng)速率較快,來不及向更低層的電離層擴(kuò)散,因此電離層擾動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)程度最小,具有較小的電子密度梯度,因此對(duì)于同一頻率的短波,其聚焦點(diǎn)比其他兩種物質(zhì)明顯偏高,聚焦效應(yīng)最弱,而12 MHz圖像中CO2的聚焦點(diǎn)位于大約320 km處,CF3Br的約為310 km,可知CO2的聚焦點(diǎn)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(cè)視圖圖8 點(diǎn)源釋放100 s后不同頻率短波三維射線追蹤結(jié)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(diào)制

點(diǎn)源釋放可以較為清晰地演示化學(xué)物質(zhì)釋放所造成的電離層擾動(dòng)過程,但實(shí)際情況中的化學(xué)釋放過程往往更加復(fù)雜,例如火箭尾焰中的化學(xué)物質(zhì)常常是隨著火箭的運(yùn)動(dòng)持續(xù)釋放,釋放源是時(shí)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(jìn)一步研究了類拋物線管形狀的電離層洞調(diào)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(duì)短波傳播產(chǎn)生的影響,射線由初始釋放點(diǎn)的正下方地面發(fā)射. 其中,CF3Br的釋放量較小是因?yàn)镃F3Br的相對(duì)分子質(zhì)量較大,若仍保持與其他兩種物質(zhì)的釋放量一致,則會(huì)導(dǎo)致其總質(zhì)量過大,考慮到CF3Br的擾動(dòng)速度很快,此處將其釋放量縮小之后并不影響三種物質(zhì)的對(duì)比效果.

圖9給出了三種物質(zhì)在多源釋放條件下釋放100 s后的濃度分布. 結(jié)合圖6給出的點(diǎn)源分布特征可知,就擴(kuò)散速度與擴(kuò)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(shí)間較晚,擴(kuò)散時(shí)間較短,但三種物質(zhì)均表現(xiàn)為上層物質(zhì)濃度小于低層,表明中性氣體的擴(kuò)散系數(shù)隨高度的增加而增大.

圖10給出了三種物質(zhì)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(zhì)釋放后均呈現(xiàn)出類拋物線管形狀的結(jié)構(gòu),但是由于CF3Br擴(kuò)散較慢,卻反應(yīng)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(kuò)散范圍大,卻化學(xué)反應(yīng)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(shí)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(shí)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(diào)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(duì)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(nèi)發(fā)生了多次反射,使得短波在電離層的吸收損耗會(huì)有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的提升;8 MHz短波經(jīng)過受擾動(dòng)的電離層區(qū)域時(shí),路徑仍然以多次反射為主,且由于H2在垂直方向的擴(kuò)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(dòng)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(shí)會(huì)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(yīng)產(chǎn)生;15 MHz的短波可以完全穿透三種物質(zhì)的電離層擾動(dòng)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(dǎo)致的傳播路徑偏離程度以及聚焦點(diǎn)高度而言,CF3Br的偏離最大,聚焦點(diǎn)最低,H2的偏離相對(duì)較小,聚焦點(diǎn)最高;此外,對(duì)比圖11中10 MHz和15 MHz的圖像可以發(fā)現(xiàn),聚焦點(diǎn)隨射線頻率的增加而升高,聚焦效應(yīng)減弱.綜上可知,化學(xué)物質(zhì)的多源釋放會(huì)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(dǎo)致傳播路徑延長(zhǎng),更容易造成無線信號(hào)的衰落,影響通信系統(tǒng)性能.

3 結(jié) 論

本文選取了三種典型化學(xué)物質(zhì)(H2、CO2和CF3Br)作為擾動(dòng)源,調(diào)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(duì)比研究了電子密度及不同釋放物在釋放后100 s之內(nèi)的時(shí)空分布特征,所用的三維動(dòng)力模型考慮了中性氣體擴(kuò)散過程、離子化學(xué)反應(yīng)和等離子體擴(kuò)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(shí)采用快速算法,以等離子體頻率梯度為依據(jù)自適應(yīng)調(diào)整群路徑步長(zhǎng),討論了電離層擾動(dòng)對(duì)短波傳播的影響,得出以下結(jié)論:

1) 三種化學(xué)物質(zhì)被釋放后,等離子體原有的動(dòng)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(chǎng)線方向的軸長(zhǎng)略大于其垂直方向,等離子體擴(kuò)散造成電離層擾動(dòng)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(huì)對(duì)電離層產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng)效應(yīng). 其中H2擴(kuò)散最快,CF3Br擴(kuò)散最慢,釋放100 s時(shí)CF3Br與CO2的濃度最大值比H2大一個(gè)量級(jí),但CF3Br造成的電離層擾動(dòng)速率遠(yuǎn)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(shí)間的增加有所下降.

3) 點(diǎn)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(dòng)垂直范圍較小,擾動(dòng)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(kuò)散最快但反應(yīng)最慢,導(dǎo)致電子密度梯度較小,在折射產(chǎn)生聚焦效應(yīng)時(shí),聚焦點(diǎn)比其他兩種物質(zhì)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(yīng)產(chǎn)生,與點(diǎn)源釋放相同的是,聚焦點(diǎn)隨射線頻率增加而升高,聚焦效應(yīng)減弱. 聚焦效應(yīng)的研究對(duì)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(xué)物質(zhì)釋放后100 s內(nèi)對(duì)電離層電子密度的三維擾動(dòng)結(jié)果,對(duì)于初始發(fā)展階段之后的充分發(fā)展、維持及恢復(fù)階段還有待進(jìn)一步研究;其次,本文在建立模型時(shí)做出了一定簡(jiǎn)化,下一步可以綜合考慮磁偏角、中性風(fēng)場(chǎng)等更多因素以完善模型,此外需要注意的是,本文假定物質(zhì)釋放是在理想條件下進(jìn)行,但實(shí)際情況中,釋放效率很難達(dá)到100%;最后,多源調(diào)制的目的是使模擬更加貼近實(shí)際,但多源釋放后的短波傳播結(jié)果表明,釋放源分布和釋放物質(zhì)的選擇對(duì)模擬結(jié)果具有十分重要的影響,簡(jiǎn)單的疊加點(diǎn)源與持續(xù)釋放相比尚有差別,下一步的多源釋放模型應(yīng)當(dāng)進(jìn)行更加精細(xì)的模擬.