大功率高频电波加热电离层中参量衰减不稳定性研究(2):EISCAT实验观测

本文利用欧洲非相干散射雷达协会(European Incoherent Scatter Scientific Association,EISCAT)的两次加热实验诊断数据,基于我们在文章(1)中建立的数值模型,定量分析了实验过程中出现参量衰减不稳定性(Parametric decay instability,PDI)的物理过程.分析结果如下:(1)通过对两次加热实验数据的分析,均观测到了增强的等离子体谱线(HFPLs)和离子声波谱线(HFILs),谱线的频率和加热电波频率满足频率匹配条件,表明电离层加热过程中参量衰减不稳定性的激发.(2)通过对加热电波反射区电子密度和离子密度模拟数据的谱分析,可以清晰发现与实验结果相符的朗缪尔波和离子声波.实验1观测到的离子声波谱线频率为8.8 kHz,而模拟得到的离子声波在5～6 kHz,实验2观测到的离子声波谱线为7.1 kHz,而模拟得到的离子声波频率在5.5～6 kHz,模拟结果与实验观测比较一致.(3)实验观测和模拟结果均表明,在参量衰减不稳定性激发过程中,加热电波频率(f_h)与等离子谱线频率和离子声波谱线频率(f_(ia))并不是简单匹配,实验1观测到的等离子体谱线频率为f_h-3f_(ia),实验2观测到的等离子体谱线增强频率为f_h—f_(ia)和f_h—3f_(ia).这一结果表明在加热过程中出现了多次参量衰减的现象,从而为朗缪尔湍流的激发提供了条件.     

大功率高频电波加热电离层的非线性物理过程

地基大功率电波加热电离层是通过地基大功率短波发射机向电离层发射无线电波,通过波-粒和波-波的相互作用将无线电波的能量注入电离层.通过这种有目的可操控的方式改变电离层电子密度和温度的分布,可以深入研究电离层中等离子体能量和物质的非线性演化过程,特别是电离层电子的非平衡态分布和加速问题.本文通过对电离层加热中几个比较重要物理过程的评述,对过去20年来我国研究学者在这一研究方向上取得的重要进展进行了介绍.

     

大功率高频电波加热电离层中人工沿场不均匀体散射特性的理论与数值模拟研究

大功率高频电波与电离层的相互作用会引起电子密度扰动,进而产生人工沿场不均匀体,其对无线电波特别是超短波信号有强的定向散射能力,可形成一种新型的超短波通信方式.基于各向异性介质的散射理论,首先通过求解电子密度扰动产生的附加极化势获得电子密度扰动散射方程,然后对电子密度扰动进行高斯自相关处理,并结合入射波/散射波与地磁场方向的空间几何关系,获得电子密度扰动的波数谱表达式,建立了人工沿场不均匀体的散射系数理论模型.利用模型对Platteville站实验中产生的人工不均匀体散射截面积进行了数值模拟,并通过与实测值对比验证了模型的正确性.根据人工沿场散射原理给出了利用其进行无线电信号传输的约束条件.重点仿真分析了人工沿场不均匀体的散射系数和散射覆盖区范围,结果表明：同等条件下,相对于高纬度地区,低纬度地区人工沿场不均匀体的散射系数小5~10 dB,但其散射覆盖区的地面范围大,东西向可达3000 km,南北向可达1500 km,完全可用于超短波信号的超远距离传输.本文结果为中低纬度地区开展相关实验研究提供了理论指导,对利用人工沿场不均匀体进行无线信号的超远距离传输应用研究具有重要意义.     

大功率电波加热电离层中热自聚焦不稳定性的理论研究和数值模拟

本文首先从电子密度及电子温度的输运方程和考虑自作用时的电磁波波动方程出发, 利用简正模展开的方法推导出泵波在反射区域激发出热自聚焦不稳定性(thermal self-focusing instabilities, TSFI)所需电场阈值以及其增长率的完整数学表达式, 并估算了TSFI激发阈值及所对应的有效辐射功率(ERP)的量级.随后利用三维垂直加热的理论模型, 结合国际参考电离层(IRI-2012)和中性大气模型(MSIS-E-00)给出的背景参数, 数值模拟了大功率高频泵波加热电离层时泵波反射区域电子密度及电子温度因TSFI而产生的变化及发展的过程, 并对比分析了不同背景参数对较热效果的影响.结果表明:当高频泵波的加热阈值达到或超过百毫伏每米的量级时, 即可激发TSFI, 发展出大尺度电子密度及温度不均匀体, 这些不均匀体内的密度耗空约为4%~10%, 而电子温度剧烈增长, 到达背景温度值的1.6~2.1倍;且在相当的加热条件下, 背景电子温度越低、电子密度越小, 加热效果越显著;电子密度及电子温度的扰动幅度随着加热时间的推移而逐渐减小, 即扰动逐渐趋于饱和, 且电子温度要快于电子密度达到饱和状态.本文还对泵波反射高度处的电子密度及电子温度变化率进行采样并求得其功率谱密度, 分析结果表明:TSFI发展出的大尺度不均匀体满足幂律谱结构, 谱指数随着加热的进行逐渐趋于稳定, 白天与夜间的幂律谱指数区别不大, 但电子密度与电子温度的幂律谱有所区别.