Resonances in the Earth-Ionosphere Cavity and Elf Propagation pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Hayakawa, M.

出品人:

页数:450

译者:

出版时间:

价格:$ 258.77

装帧:

isbn号码:9783540857556

丛书系列:

图书标签:

• 地球物理学
• 电离层物理
• 超低频电磁波
• 地球-电离层空腔谐振
• ELF传播
• 大气物理学
• 无线电科学
• 空间物理学
• 电磁波传播
• 雷电电磁辐射

地球电离层波导中的电磁场：理论、测量与应用 本书深入探讨了地球表面与电离层之间封闭空间中电磁波的传播特性，这一特定区域被称为地球-电离层波导。 本书的重点在于建立一个全面的理论框架，用于理解和预测极低频（ELF）、超低频（VLF）以及甚低频（SLF）电磁波在此波导中的行为。 本书的结构旨在引导读者从基础物理原理出发，逐步深入到复杂的波导模式理论、精确的数值模拟技术，以及实际观测数据分析。我们详细阐述了如何将地球的电导率、电离层的电子密度和碰撞频率等关键参数纳入传播模型，并分析了这些参数的日夜变化、季节性变化乃至地磁活动对传播效率和波形的影响。 第一部分：基础理论与波导结构 第一章：地球-电离层波导的几何与电磁环境 本章首先界定了地球-电离层波导的物理边界：坚实的地球表面（视为完美导体）和电离层（视为一个具有非零电导率和特定高度依赖性的介质层）。我们将回顾麦克斯韦方程组在时变、非均匀介质中的应用，并特别关注电磁波在导电表面附近的边界条件。 接着，本书详细讨论了电离层的多层结构。从D层到E层、F层的电子密度剖面变化，以及其对传播模式的影响被深入剖析。我们探讨了德拜长度、等离子体频率和陀螺频率等关键参数如何决定了不同频率电磁波在电离层内部的传播行为，包括反射、折射和吸收机制。 第二章：导波理论与模式展开 地球-电离层波导本质上是一个准圆柱形的介质波导。本章的核心内容是导波理论在这一特定几何结构中的应用。我们将引入模式展开法，将复杂的电磁场分布分解为一系列特征本征模式（Eigenmodes）。 重点讨论了横电模（TE）和横磁模（TM）的特征方程的推导过程。我们详细分析了波导内传播的最低阶模式——主模（或称最低阶模式）的特性，包括其相位常数、衰减常数以及群速度的频率依赖性。对于不同的频率范围（ELF/VLF），模式的性质如何从准静态场（低频）过渡到准平面波（高频）的特性变化，被清晰地展示。 第三章：传播常数的精确计算 精确计算传播常数是预测信号到达强度的基础。本章致力于介绍和比较多种计算传播常数的数值方法。 我们首先回顾了经典的“模式积分法”和“本征方程求解法”。随后，本书详细介绍了全波导方法（Full Waveguide Approach），该方法能够更精确地处理电离层高度变化和非均匀性引入的复杂性。此外，我们还探讨了“黎曼切平面法”在识别和分离行波模式与衰减模式中的应用，这对于理解近场和远场信号的贡献至关重要。本章包含大量数学推导，旨在为读者提供一个坚实的计算基础。 第二部分：频率依赖性与环境影响 第四章：极低频（ELF）传播的特性 ELF频段（3 Hz至3 kHz）的传播受地球曲率和电离层高度的显著影响。由于波长远大于地球半径，ELF波近似于准静场传播。本章着重分析了ELF模式的低频近似，特别是其衰减率与频率的幂律关系。 我们详细讨论了地壳导电率（特别是海洋与大陆差异）对ELF传播的影响。通过对比不同地质背景下的实测数据和模型预测，我们量化了地形和地质结构对信号强度的调制作用。此外，还探讨了ELF信号在深海环境中的穿透特性。 第五章：甚低频（VLF）与低频（LF）的模式耦合 VLF频段（3 kHz至30 kHz）是远距离通信和导航应用的核心频段。在本章中，我们关注VLF模式的复杂性，包括模式的交点（Mode Crossover）现象，即不同阶次模式的相位常数可能相遇的频率点，这导致了接收信号的相位突然变化。 我们引入了“传输函数”的概念来描述VLF信号在电离层中的吸收和耦合效率。对白天和夜晚电离层D层吸收特性的详细分析是本章的重点，特别是利用经验模型（如：霍勒-米勒模型）来模拟电离层日夜变化的快速过渡对VLF信号幅度和相位的瞬时影响。 第六章：地磁活动与电离层扰动对传播的影响 地球磁场对导波传播的影响主要通过地磁偶极子效应和地磁暴期间的电离层扰动体现。本章专门研究了电离层在太阳活动事件（如耀斑和日冕物质抛射）期间的动态响应。 我们分析了电离层电子密度和碰撞频率的瞬时增加如何导致VLF/LF频率的吸收急剧增强，从而造成通信中断（如无线电静默）。通过分析地磁活动指数（如Kp指数）与传播衰减率之间的关联，本书提供了评估空间天气对全球通信系统影响的工具。 第三部分：测量、模拟与应用 第七章：场强测量技术与数据处理 本书的理论建立必须依赖于精确的现场测量。本章详细介绍了ELF/VLF/LF电磁场接收系统的设计与校准。我们探讨了宽带、窄带接收机在不同频段下的技术挑战，特别是如何有效分离微弱的导波信号与本地环境噪声（如大气噪声、人为噪声）。 关键的数据处理技术，如高精度时间同步、背景噪声抑制滤波器设计，以及如何从原始接收数据中反演出传播常数和群速度，被系统地介绍。书中包含了多个案例研究，展示了如何利用这些测量数据来验证和改进传播模型。 第八章：数值模拟：有限元与全波方法 现代电磁传播研究高度依赖数值模拟。本章详细介绍了应用于地球-电离层波导的先进数值方法。 有限元法（FEM）被用于精确处理波导边界（如地表不均匀性和电离层梯度）的复杂几何和材料特性。我们展示了如何建立三维有限元模型来模拟特定频率下电磁场的空间分布。此外，全波数值方法（如FDTD和波束传播法）的应用被讨论，特别是在模拟电离层湍流或非对称扰动对波形细节影响方面的优势。 第九章：应用领域展望 本书的最后一部分将理论和模型应用于实际工程和科学领域。 导航与授时系统： 详细分析了VLF/LF导航系统（如OMEGA、Loran-C的遗留原理）的原理，以及如何利用精确的传播模型来提高定位精度。我们讨论了利用电离层波导传播的特性来设计高可靠性的全球授时系统。 地球物理勘探与监测： ELF/VLF波是探测地壳和地幔导电率的有效工具。本章阐述了如何反演测量的传播数据以推断地下结构，例如深层矿体或地壳断层带的导电性。 电磁兼容性与抗毁性： 讨论了强地磁暴可能诱发的地磁感应电流（GIC）对地面电网和管道系统的潜在危害。基于传播模型，我们评估了电离层扰动对地面基础设施的电磁耦合强度，为抗灾减灾提供了理论依据。 本书旨在成为对地球电磁波传播领域感兴趣的研究人员、工程师和高级学生的权威参考书，提供从基本理论到尖端数值方法的全面、深入的视角。

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