[论文解读] Numerical modelling of VLF radio wave propagation through earth-ionosphere waveguide and its application to sudden ionospheric disturbances

Sujay Pal|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2015

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 54被引用 8

一句话总结

本研究开发了一种基于射线追踪的数值模型，用于模拟VLF无线电波在地球-电离层波导中的传播，利用印度空间物理研究所（ICSP）的数据进行验证。该模型成功再现了VLF信号的昼夜变化，并对2009年日全食和2010年环食期间太阳耀斑被月球掩食时的电离层扰动进行了建模，从而能够从观测到的信号异常推断D区电子密度的变化。

ABSTRACT

In this thesis, we theoretically predict the normal characteristics of Very Low Frequency (3~30 kHz) radio wave propagation through Earth-ionosphere waveguide corresponding to normal behavior of the D-region ionosphere. We took the VLF narrow band data from the receivers of Indian Centre for Space Physics (ICSP) to validate our models. Detection of sudden ionospheric disturbances (SIDs) are common to all the measurements. We apply our theoretical models to infer the D-region characteristics and to reproduce the observed VLF signal behavior corresponding to such SIDs. We develop a code based on ray theory to simulate the diurnal behavior of VLF signals over short propagation paths (2000~3000 km). The diurnal variation from this code are comparable to the variation obtained from a more general Long Wave Propagation Capability (LWPC) code which is based on mode theory approach. We simulate the observational results obtained during the Total Solar Eclipse of July 22, 2009 in India. We also report and simulate a historic event, namely, the lunar occultation of a solar flare during the annular solar eclipse of 15th January, 2010 and find the effects on the D-region electron density profiles.

研究动机与目标

• 在典型D区电离层条件下，模拟VLF波在地球-电离层波导中的正常传播。
• 利用印度空间物理研究所（ICSP）收集的窄带VLF数据，对理论模型进行验证。
• 检测并分析观测到的VLF信号中突发电离层扰动（SIDs），并推断相应的D区电离层变化。
• 模拟并解释特定太阳事件期间的VLF信号行为，包括2009年日全食和2010年环食期间月球掩食太阳耀斑的情况。
• 将射线追踪模型结果与基于模理论的成熟长波传播能力（LWPC）代码结果进行比较。

提出的方法

• 开发一种射线追踪算法，用于在地球-电离层波导中模拟短距离（2000–3000公里）的VLF波传播。
• 使用代表正常D区条件的电离层电子密度剖面，以定义传播边界。
• 将ICSP接收器获取的观测VLF信号数据作为输入，验证模型对昼夜行为预测的准确性。
• 在不同电离层条件下模拟信号幅度和相位的变化，特别是在日食期间。
• 将模型输出与采用模理论方法的LWPC代码结果进行比较，以评估一致性与准确性。
• 通过基于太阳耀斑和日食引起的电离化变化调整电子密度剖面，模拟突发电离层扰动的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 射线追踪模型在多大程度上能准确再现2000–3000公里地球-电离层波导路径上VLF信号的昼夜变化？
• RQ2 观测到的VLF信号异常（在日食期间）与D区预测的电离层扰动在多大程度上相关？
• RQ3 该模型能否检测并模拟在环食期间被月球掩食的太阳耀斑对VLF传播的影响？
• RQ4 射线追踪模型结果与成熟的LWPC模理论代码结果在定量上如何比较？
• RQ5 从SIDs期间观测到的VLF信号行为中，可以推断出关于D区电子密度剖面的哪些见解？

主要发现

• 射线追踪模型成功再现了2000–3000公里路径上VLF信号的昼夜变化，与基于模理论的LWPC代码结果具有良好的一致性。
• 该模型准确模拟了2009年日全食期间的VLF信号行为，捕捉到了因D区电离化减少而导致的信号幅度降低现象。
• 该模型再现了2010年环食期间月球掩食太阳耀斑引起的瞬态VLF信号扰动，表明电离层存在可测量的响应。
• 观测到的SIDs在VLF数据中与D区电子密度变化一致，该模型可通过调整电离层剖面重现这些变化。
• 本研究证实，射线追踪是地球-电离层波导中VLF传播建模的一种可行且计算高效的替代方法，可替代模理论。
• 该模型为从瞬态太阳事件期间的VLF信号测量中定量推断D区电子密度变化提供了框架。