顶部电离层ELF/VLF电磁波动产生机理及传播特征研究

The upper ionosphere is the orbital region of earthquake-monitoring satellite CSES, and it is a complicated perturbation system due to coupling effects of different spheres of geo-space, generating different types of electromagnetic waves at ELF/VLF frequency band. However, the generation and propagation mechanism of these ELF/VLF electromagnetic waves in the upper ionosphere is still not fully understood, bringing difficulties to extract seismic electromagnetic precursor from electromagnetic satellite data. In this project, firstly, we will combine observations from the newly launched China’s first earthquake-monitoring satellite CSES and USA’s DMSP satellite, to systematically study the ELF/VLF electromagnetic waves with different sources and types in the upper ionosphere, to explore the generation and propagation mechanism of waves. Secondly, we will carry out the comparative study between observations from ground to the upper ionosphere, to investigate propagation characteristics of seismic ELF/VLF waves at different altitudes from ground to the upper ionosphere, aimed to improve the method of extracting seismic precursor from space observations. Thirdly, based on the results of observations, we will simulate how ELF/VLF waves which are induced by earthquakes propagate from ground to the upper ionosphere, by using the finite-difference time domain method. The expected results will lay a good foundation for extracting earthquake precursors from satellite observations, and also contribute to a better understanding about the physical process of the upper ionosphere.

顶部电离层是地震电磁监测试验卫星“张衡一号”CSES的轨道空间，这个空间由于圈层耦合作用下产生了各种ELF/VLF频段的电磁波动，但目前对这些波动的产生及传播机制尚未得到清晰的解释，这对从CSES观测提取地震空间电磁前兆信号带来困难。本项目利用我国最新发射的CSES和美国DMSP卫星联合研究顶部电离层不同类型、不同来源的ELF/VLF电磁波动的产生及传播机理；结合从地表到顶部电离层不同高度观测数据，研究强震引起的ELF/VLF电磁辐射在不同高度上的传播特征；利用时域有限差分方法模拟震源区的ELF/VLF电磁辐射从地表到顶部电离层的传播过程。本项目的实施不仅为提取地震空间电磁前兆信息提供重要的依据，而且还有助于更加深入地了解顶部电离层的空间物理过程。

本项目重点研究顶部电离层不同类型、不同来源的ELF/VLF电磁波动。围绕我国张衡一号CSES卫星观测为主，并辅以其他高度的卫星如约830km高度上的DMSP卫星，内磁层的RBSP和THEMIS等卫星资源重点研究了顶部电离层不同源、不同类型ELF/VLF电磁波的产生及传播机制，为从空间电磁场观测中提取地震电磁前兆信息提供科学参考。具体针对上行传播方向的闪电、地震、高压电力传输系统、人工地基VLF发射站等引起的电磁辐射；向下传播方向的电离层准周期辐射（QP）， 嘶声（Hiss）和磁力线谐波（MLR）波动开展了研究。 开展电磁频谱分析，并根据多种波矢量分析方法计算出的波传播参数（波矢量方向、传播角、Poynting能流方向等），识别出这些上行/下行电磁波动的来源和传播特征，进而研究顶部电离层空间的ELF/VLF电磁波的产生机制。我们验证了在地震发生时间内所有向上传播的ELF电磁辐射沿频域的传播参数分布，发现在地震期间向上传播电磁波具有统计特征，主要分布在300 Hz至800 Hz的频率范围内，方位角在40º至60º之间变化，方位角主要在40º以下，椭圆度表现出更复杂的特征，变化在±0.5左右，平面度在0.6至1之间占主导地位。以张衡一号卫星的电磁场、等离子体参数、不同频段电磁场观测为主，并辅助以红外高光谱卫星观测，以及地基GNSS观测，电磁观测等提出了一套关于张衡一号电磁卫星常规数据预处理和地震电离层信异常信息分析方法，通过这套方法我们可以比较客观的了解地震电磁辐射在不同高度的电磁传播特征，探索更科学、更可靠的从电磁卫星数据提取地震微弱前兆信息的方法。.在观测数据研究基础上，构建地下电磁辐射源产生的ELF/VLF波在岩石层-大气层-电离层的传播模型，利用时域有限差分方法（FDTD）求解波从地面到电离层的传播过程，探讨了不同高度不同介质参数对电磁波传播的影响，模拟电离层不均匀介质下电磁波与等离子体的非线性相互作用过程，研究了ELF/VLF电磁波动在电离层不同高度上的电磁场分布变化，以及电离层等离子体中的不同模式下电磁波动的传播特征，探讨地震引起的电磁扰动在电离层的耦合过程。.项目总体取得了满意的研究成果，共计发表科技论文30篇（SCI 22篇，核心8篇 ），其中第一标注论文12篇，第二标注论文10篇，第三标注论文8篇，超额完成了预期科研目标。项目执行期间共计培养了博士后1名