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参量衰减不稳定性研究(1):数值模拟

参量衰减不稳定性(Parametric Decay Instability,PDI)在大功率高频(High frequency,HF)电波与电离层等离子体相互作用的过程中扮演着十分重要的角色,本文采用广义Zakharov方法对常规的等离子体流体力学方程组进行相应处理后,并在近似实际的电离层背景和电波传播模型下,构建了高频电波加热电离层激发PDI的数值计算模型.模拟结果发现:在毫秒量级的时间尺度上,大功率高频电波在寻常波(Ordinary wave,O波)反射点高度附近激发出了朗缪尔波(Langmuir wave)和离子声波(Ion-Acoustic wave)两种等离子体静电波模,模拟中产生的朗缪尔波和离子声波相应波数为5~11rad·m~(-1),结果与利用色散关系求出的理论值4~7 rad·m~(-1)近似一致,密度扰动幅值从10~6m~(-3)量级指数级增长到了10~(10)m~(-3)量级,直至能显著影响与"低频"密度背景相关的等离子体频率后,出现了等离子体"空穴"结构以及朗缪尔波被"俘获"现象,在扰动空间内的小尺度静电场幅值最高能达到100 V·m~(-1)量级,最终造成一种强烈的局地化"空穴"湍流现象.本文的研究有助于深入理解PDI的物理机制,对研究大功率高频电波与电离层等离子体之间复杂的非线性相互作用也有着非常重要的意义.     

不同初始扰动对电离层扩展F影响的数值模拟

重力波、中性风场、电场是激发电离层扩展F的主要影响因子,本文基于中低纬电离层扩展F发展的物理模型,通过电场强度、背景风场对扩展F影响作用的分析和经验对比,首先验证了模型的有效性,后借助该模型数值模拟了给定背景环境下三种尺度初始电子密度扰动条件下扩展F的发展情况,同时研究了利用化学物质释放实现一定尺度扰动,进而激发扩展F的过程.结果表明,较强的背景电场、东向风场有利于扩展F的形成和抬升,与经验结论相吻合;电离层从被作用初始扰动到激发扩展F的过程中存在拐点效应,拐点之后扩展F被激发形成并且抬升迅速,同时短波长扰动相对于长波长扰动更有利于扩展F的激发和发展;化学物质H₂O释放通过耗散电子密度,形成了一定尺度扰动并诱发了扩展F的形成,该方法可作为一种人工激发扩展F的探索手段.

     

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.     

高频加热中低纬电离层激励不稳定性研究

高频泵波加热电离层实验二维数值模拟结果显示,虽然背景电离层状态能够明显影响模拟加热结果,但是在大部分平静电离层状态下,模拟加热一段时间后,加热区域内电子浓度、电子温度会趋于稳定,这一结论已为实验所证实.然而部分模拟结果显示,当电离层电子浓度、电子温度空间结构满足一定条件后,过密加热中泵波反射区域,电子浓度、电子温度在加热机开关机后将产生不稳定的时空效果.激发该不稳定性的正反馈过程如下：当泵波反射区域内电子温度受到泵波加热上升后,其引起的等离子体膨胀导致该区域内电子浓度减小,受到电子温度、电子浓度变化的共同影响,电子能量方程中由于电子-离子碰撞导致的电子能量损失项减小,电子温度将进一步升高,一种正反馈机制建立.最后得到以下结论,当电离层电子温度剖面呈明显的双峰结构,被加热区域内电子温度较高,且电子-离子碰撞引起能量损失项成为电子主要的能量损失项后,一种不稳定性被激发,加热将产生更明显的电子浓度、电子温度的变化.以上条件在下午电离层更容易被满足.     

大功率高频X波欠密加热电离层的理论与数值模拟

基于电离层中电子的加热物理机制,构建了左旋圆极化(X波)欠密加热理论仿真模型,通过对已知实验的模拟验证了模型的正确性.并利用此模型分析和研究了不同加热参数和背景参数对X波欠密加热效果的影响,结果表明,在X波欠密加热中,加热效果随加热功率增加而增强,随加热频率增加而减弱,在相当的加热条件下,背景电子温度越低、电子密度越小,加热效果越强.最后简单分析了X波欠密加热的一些应用.     

基于SAMI2模式的电离层加热模拟

通过在SAMI2模式的电子能量方程中添加人工加热项,数值模拟了在加热条件下磁场线上电子温度与电子密度的扰动情况,并对比了不同加热条件下的扰动效应.结果表明,入射到电离层中的大功率无线电波与等离子体相互作用,能够有效造成整条磁场线上电子温度的升高而产生电子温度扰动,尤其是加热点处,温度可增加3倍多;由于电子温度升高,压力平衡受到破坏,引发等离子体扩散进而导致电子密度扰动;电子密度扰动使得垂直于磁场线的电子密度梯度发生变化,这有可能形成电离层管（Ionosphere duct）;电子温度和电子密度的扰动幅度随着加热时间的推移而减小,即扰动逐渐趋于稳定.电子温度与密度的扰动与加热率存在一种非线性关系.     

南京地区低电离层加热效应的初步模拟

从电子能量方程和连续性方程出发,利用国际参考电离层(IRI-2007)和中性大气模型(NRLMSISE-00)得出背景参数,数值计算了大功率无线电波加热南京地区低电离层的电子温度和电子密度扰动幅度,并对比了不同加热条件下的电离层扰动效应.结果表明,大功率无线电波入射到电离层后,与等离子体相互作用,能够有效造成电子温度的升高而产生电子温度扰动;由于电子温度升高,等离子体碰撞频率增加且电子的复合系数减小,导致电子密度扰动;电子温度和电子密度的扰动幅度随着加热时间的推移而减小,即扰动逐渐趋于饱和;电子温度扰动的弛豫时间尺度为微秒量级,电子密度扰动的弛豫时间尺度为毫秒量级;在欠密加热条件下,X波模比O波模更容易吸收.     

我国极区冬季电离层加热实验研究

通过对非相干散射雷达观测数据的处理分析,研究了2008年1月我国在挪威Troms进行的冬季电离层加热实验效应.研究结果表明,电离层临界频率大于泵波频率的O波加热事件扰动效应明显,电子温度存在60%~120%的增强,扰动范围从150 km一直延伸到400 km,电子密度扰动不显著,最大可以观察到12%的密度衰减.受加热影响,离子声波频率有1~2 kHz的增加,离子线谱峰谷比增加,有时伴随有高阶谐振线出现.离子线和等离子线功率存在过冲现象,等离子线的功率剖面存在单峰、双峰和三峰结构,等离子线的功率增强幅度随频率负指数衰减.     

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.     

极区电离层加热的数值模拟与实验对比

大功率无线电波能加热电离层等离子体,可以引起电离层电子温度和密度的扰动,实现电离层的人工变态.从电子的连续性方程、动量方程和能量方程出发,我们给出了地面人工大功率无线电波加热电离层的数值模型.通过对方程的数值求解,计算了极地电离层条件下,电子温度、电子密度的加热效应,讨论了泵波参数对加热效应的影响.研究结果表明,电子温度几乎在整个高度上表现为一致性的幅度增强,且在反射高度附近形成温度增强峰很平缓.电子密度在峰上高度附近形成密度谷,谷两侧存在密度增强.加热效应基本随加热功率的增大而增大,随加热频率的增大而减小.使用我国2008年1月在挪威进行的电离层加热实验的电离层参量作为仿真初值,对6个O波加热时刻进行了数值仿真,仿真结果与实验观测基本保持一致.     

热源激发重力波特征以及波流作用的数值模拟研究

本文在二维等温可压大气中引入了一个随时间和空间变化的热源扰动,分别以静止风和中纬1月份月平均向东的纬向风急流为背景,对不同背景下热源激发的重力波的传播详细过程及其特性进行了数值模拟研究.热源激发出来的重力波在初始阶段有很宽的频谱范围,随后由于重力波的传播效应,水平波长和垂直波长分布范围随时间都有所减小.顺风传播的重力波的小尺度和低频部分会容易被急流吸收,从而加强了对流层急流,而逆风传播的重力波更容易上传,会导致中间层区域向西的背景风增强.这体现了低层大气急流对中间层大气风场结构的影响.热源的尺度直接决定激发波的尺度;激发波的垂直尺度和时间尺度对热源的变化比其水平尺度更敏感.     

曲靖非相干散射雷达功率剖面的初步观测与分析

介绍了非相干散射雷达功率剖面与电离层电子密度剖面之间的关系,给出了曲靖非相干散射雷达功率剖面的一些观测结果,结合电离层垂直探测数据,初步介绍了曲靖非相干散射雷达在夜间电离层波状扰动、低纬电离层异常区北驼峰位置、电离层电子密度日落增强和暴时变化等观测研究中的应用.本文结果丰富了对我国曲靖地区电离层空间天气特性的认识,显示了该雷达在我国低纬电离层空间天气观测研究中的良好应用前景.     

电离层人工调制激发的VLF波在磁层的传播特性及应用研究

电离层人工调制可以激发甚低频（VLF）波,其中向上传播进入磁层的VLF波,不但能够用来研究磁层中的各种物理现象,且具有人工沉降高能粒子,消除辐射带等实际用途.本文使用射线追踪方法,模拟电离层调制激发的VLF波在磁层的传播路径,分析激发纬度和调制频率对传播路径和传播特性的影响;并基于低频波的色散方程和波粒共振条件,分析VLF波传播路径上与磁层高能粒子的最低共振能及其分布.研究表明,VLF波通过在磁层来回反射向更高的L-shell传播,最终稳定在某一L-shell附近.以较低的调制频率或者从较高的纬度激发的VLF波能够传播到更高的L-shell,但是,当激发纬度过高时,低频波也可能不发生磁层反射而直接进入电离层和大气层.低频波在磁层的传播过程中,在较高的纬度或者较低的L-shell能够与较高能量的电子发生共振相互作用,在较高的L-shell并且低纬地区,能够与较低能量的电子发生共振相互作用.共振谐数越高,能发生波粒共振的电子能量越高.     

近磁尾TC-1观测到伴随有高速流的ULF波及不稳定性分析

2004年8月3日近地TC-1卫星在磁尾X_GSM~－12R_E的等离子体片内,观测到了伴随着高速流的低于离子回旋频率的波,即超低频波(ULF,Ultra Low Frequency).该波垂直分量的振幅在高速流及其振荡减速期间大致相当;而平行分量振幅在高速流时明显大于其振荡减速时. 利用一个扰动双流模型对完全磁化离子横场漂移驱动的电磁不稳定性计算后,预测结果表明:(1)对于垂直分量来说,横场漂移速度与Alfvén速度的比值影响不稳定性增长率和激发波频率,随其比值增加,增长率变大,激发波频率从负值增加到正值.(2)对于平行分量来说,温度各向异性时等离子体热速度与Alfvén速度比值只影响不稳定性增长率和激发波频率,未改变不稳定性模类别;而温度各向同性时离子横场漂移速度与Alfvén速度比值既影响不稳定性模的种类及其分支,又影响激发波频率.进一步将卫星观测到的等离子体密度、温度、整体流速和磁场代入模型方程,进行数值计算与上述预测结果对比后发现:卫星观测中垂直分量的功率谱密度(PSD,Power Spectrum Density)增强时间和频段与理论模型中由β_//、β_⊥和v_⊥/V_A引起不稳定性激发的波一致;卫星观测中平行分量的功率谱密度增强时间与理论模型基本相符,但是前者的频率明显地低于后者.因此,除了需考虑平行磁场的离子整体流速对不稳定性激发波频率的可能影响,还需要统计上进一步核实伴随有高速流的ULF波与不稳定性的相关性.