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.     

断层地震孕育和发生的不稳定性模型

在以前的工作中,考虑直立走滑型断层地震,假设断层面微元破裂强度遵循Weibull概率分布,由细观力学方法推导出断层面的宏观本构关系是一个非线性函数,表现为弹性-软化塑性特征,在此基础上用稳定性理论研究了地震稳定性问题.而实际断层大多是倾斜的,为此,本文首先建立了由围岩和倾斜断层构成的平面地震力学模型,采用宏观的断层载荷-变形的全过程曲线,详细讨论了倾斜断层地震的不稳定性问题.结果表明,远场一旦施加位移,断层也同时错动,这可能与实际情况不符合.为了更好的模拟断层的初始能量累计过程,进一步对断层本构模型进行改进.考虑断层面破裂强度,采用Coulomb破裂准则,则断层表现为刚塑性本构关系,只有当断层面剪应力达到一个临界值时,断层才开始错动.研究表明,对于倾斜断层地震,与直立走滑型断层地震一样,系统刚度比β（围岩切线刚度与断层刚度最大值之比）是决定地震失稳的重要参数,只有当β<1时才会出现地震失稳,且伴随应力突跳和围岩应变能释放.当β≥1时,仅仅是断层无震滑动,不会发生地震.在远场应施以位移形式边界条件,以致地震失稳发生在平衡路径的位移转向点并伴有应力突跳.     

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.     

中亚热带红土与水稻土铁锰结核理化特性与形成环境对比

通过中亚热带第四纪红土和金衢盆地现代水稻土中铁锰结核的理化特征对比发现,水稻土铁锰结核的外部特征、内部结构以及化学组成与第四纪红土中的结核既具有一定的相似性又存在着明显差别.第四纪红土中的结核与水稻土中的结核都是在于湿交替的环境中发育形成的.水稻土中结核的形成是水稻生长期的渍水、还原作用和收获后的控水、弱氧化作用交替进行的结果,形成时间短暂,环境较为稳定;第四纪红土结核的形成是气候环境周期性干湿变化的结果,结核淀积时段气候干热,氧化作用强烈,反映第四纪红土形成环境的不稳定性.     

鄂东黄石地区三叠纪岩层中发育的重力滑动构造——重力不稳定性在控制构造变形和地质灾害过程中的作用

位于湖北省东部黄石地区制图尺度的近东西向黄荆山向斜和桐梓堡背斜是在印支期造山作用时形成的,主要由古生代及三叠纪沉积岩层序列组成。其中的下、中三叠统包括页岩、泥灰岩、石灰岩、白云质灰岩和白云岩等层状岩系。从构造地质学的观点出发,由下而上可划分为3个力学分层单位或组合,相互间存在有不同的黏度比或相对强度。在大型褶皱翼部,发育一系列中小型褶皱(其振幅从几米至上百米),如屋顶和墙壁状构造、膝状褶皱、平卧褶皱、翻转及叠褶构造等,覆于层理面及低缓角度正断层面之上。详细的三维空间构造解析指出,这些复杂的中小型构造产状和组合样式,与通常的寄生牵引褶皱和大的褶皱关系是相反的,即上层的相对运动或流动指向向斜的槽部,显示重力导致的滑动构造特征。这种滑动构造只是一类继发性的独立构造现象,可以解释为是在重力不稳定性影响下,部分沉积岩层沿着先存的倾斜层理面或拆离剪切带向下坡有限滑动的结果。所发育的特征性构造取决于涉及的岩层及力学分层单位的能干性或相对强度。在大型褶皱翼部岩层向下滑动的尺度、速度及可行性,与层理面的倾斜度及拆离带的厚度、黏度等因素相关。类似的重力滑动构造在中上扬子地区的沉积岩层中常可观察到,同时,地表的滑坡、岩崩及山体垮塌...     

2012年全球矿业形势及2013年展望——从2013年南非和加拿大矿业大会谈起

2012年,全球经济复苏乏力,各大经济体相继施展出浑身解数,但成效并不显著,经济发展的不确定性、不稳定性依旧。受此影响,2012年全球矿业整体呈下滑态势,特别是在下半年,中小型矿业公司出现融资困难,大型矿业公司依靠变卖非核心资产收回现金流,以求安稳度过矿业寒冬,矿业市场一度萎靡不振。尽管如此,在2013年南非和加拿大矿业大会上,也不乏各种积极因素和亮点。例如,非洲各国相继推出利好矿业政策招商引资,加拿大提出延长勘查税收抵免审批年限,注重矿业长远发展等。业界对以中国为代表的新兴经济体充满期待,认为新型城镇化,以及潜在的汽车消费增长,都将继续推动此轮矿业周期前行,全球矿业未来前景仍被看好。预计2013年全球经济或将好转,重要矿产品价格有望回升。然而,受2012年下半年初级勘查公司融资困难的影响,2013年全球非燃料固体矿产勘查投入料将持平或回落。     

一次爆发性气旋引发东北地区暴雨成因分析

利用2016年5月2—4日NCEP的FNL 1°×1°再分析资料和GDAS的1°×1°再分析资料、地面观测资料,运用天气学分析、等熵位涡、物理量诊断和水汽来源追踪等方法,从大尺度环流背景、水汽源地和输送、动力和热力机制、等熵位涡等方面对2016年春季一次地面气旋爆发性发展导致的东北地区暴雨天气过程进行了分析。结果表明:位于40°N附近的黄淮气旋北上加强发展,2日14时至3日14时中心气压下降24 hPa,超过爆发性气旋的定义标准。500 hPa高空槽快速加强发展为闭合低涡,低空切变线加强发展为低空低涡,其东部形成明显的低空急流,为暴雨区提供水汽和热量,为东北地区典型的暖式切变降水。等熵位涡自320 K高层向305 K低层输送下传,并逐步向南向东移动,高空正位涡的下传促使地面气旋快速发展,上升运动加强,有利于暴雨的出现。比湿在6 g·kg^(-1)以上对东北地区春末夏初暴雨预报有一定的参考意义。水汽主要来源于东海、黄海及西北太平洋。暴雨区与850 hPa水汽通量散度的负值区、700 hPa垂直速度和850 hPa绝对涡度大值区较为一致,强降水区与850 hPa相当位温密集带和暖区锋生区相对应,降水位于能量锋区以及偏暖区一侧。     

中、低纬度地区电离层不同层结间的耦合对夜晚F区不规则结构的影响

电离层不规则结构的形成和演化与电离层等离子体不稳定性密切相关 .长期以来 ,在中低纬区扩展 -F现象的研究中 ,没有考虑电离层上下层结之间的相互作用 .本文从理论上全面探讨了在中纬度地区 ,E区可变的Pedersen电导率和Hall电导率 ,与F区可变的Pedersen电导率的共同作用对F区梯度漂移不稳定性的影响 ,导出了存在这种耦合时电离层梯度漂移不稳定性的统一表达式 .这一耦合理论不但解释了实际观测中发现的 ,在某些地方电离层F区顶部的不稳定性发生率要高于F区底部这一现象 ;同时还表明 ,电离层E区与F区的耦合对F区夜晚梯度漂移不稳定性的形成不仅会有阻碍作用 ,同时还使得中、低纬度地区的扰动增长具有了方向的选择性 .该理论的一个重要结论是 ,F区中某一地区能否发展出梯度漂移不稳定性 ,并不完全由当地电离层F区的状态决定 ,同一根磁力线连接的、位于不同纬度地区的E区层结对其发展和演化也会有相当大的影响 .     

西北太平洋上三个爆发性气旋的对比分析和数值模拟研究

利用FNL(Final Analysis)再分析资料对西北太平洋上三个爆发性气旋,即2007年11月18—21日的OJ(Ok-hotsk-Japan Sea Type)型,2012年1月10—13日的PO-O(Pacific Ocean-ocean Type)型,以及2014年3月28—31日的PO-L(Pacific...