極區(qū)電離層加熱實(shí)驗(yàn)及異常非相干散射譜研究.pdf

1、電離層是地球空間環(huán)境的重要組成部分，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電離層的主動實(shí)驗(yàn)研究成為現(xiàn)實(shí)。利用大功率高頻泵波對電離層進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)電離層等離子體的人工改變，并可引起很多非線性的擾動現(xiàn)象。非相干散射雷達(dá)以其高精度多參數(shù)的特點(diǎn)成為電離層加熱實(shí)驗(yàn)效應(yīng)的主要診斷工具，本文從極區(qū)電離層加熱實(shí)驗(yàn)出發(fā)，對加熱實(shí)驗(yàn)中增強(qiáng)的異常離子線和等離子體線非相干散射譜特征進(jìn)行了考察，對產(chǎn)生異常譜特征的物理機(jī)制進(jìn)行了分析，并對強(qiáng)擾動區(qū)域電離層參量的反演方法進(jìn)行了研

2、究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴基于對2010年9月13日進(jìn)行的極區(qū)電離層加熱實(shí)驗(yàn)中非相干散射雷達(dá)探測數(shù)據(jù)的處理，得到了由VHF雷達(dá)首次探測到的長生命周期的離子線和等離子體線的增強(qiáng)特征，在以往的加熱實(shí)驗(yàn)中僅觀測到了持續(xù)200ms的增強(qiáng)特征，而持續(xù)時(shí)間長達(dá)8分鐘的異常頻譜增強(qiáng)特征還沒有被報(bào)道過。異常離子線譜的頻譜結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為右高左低的不對稱雙峰結(jié)構(gòu)，而通過對等離子體線頻譜的分析推斷引起異常譜回波增強(qiáng)特征的物理機(jī)制是參量衰變不穩(wěn)定性?；?/p>

3、于對實(shí)驗(yàn)條件的分析，給出了參量衰變不穩(wěn)定性持續(xù)發(fā)生的可能必要條件，并利用該條件在2011年11月20日成功的進(jìn)行了長生命周期的參量衰變不穩(wěn)定性激發(fā)實(shí)驗(yàn)。另外，通過對VHF雷達(dá)的數(shù)據(jù)分析，得到了離子線譜峰值高度隨加熱的進(jìn)行逐漸下降的時(shí)空演化特征，而等離子體線譜峰值高度有著相似的時(shí)空演化特性，針對該時(shí)空演化特征，本文在物理機(jī)制上給出了解釋。⑵利用EISCAT的非相干散射雷達(dá)觀測到了極區(qū)電離層加熱實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的超強(qiáng)電子密度增長特征。在反射高度附

4、近的電子密度增幅達(dá)到269.3％，而且在遠(yuǎn)離強(qiáng)擾動區(qū)域的300-500km高度范圍電子密度仍有30-50％的增長?；趯訜釋?shí)驗(yàn)中離子線譜的分析以及探測空間范圍內(nèi)的殘差檢驗(yàn)，表明300-500km高度范圍內(nèi)電子密度增幅是真實(shí)的。通過對加熱實(shí)驗(yàn)中等離子體線的考察，得到了等離子體線的雙諧振峰結(jié)構(gòu)。基于電子速度分布函數(shù)和等離子體線譜的相關(guān)性，本文給出了超熱電子是引起實(shí)驗(yàn)中觀測到的大范圍超強(qiáng)電子密度增長特征的可能機(jī)制。另通過對離子線和等離子體線

5、峰值的時(shí)空演化特征的考察，推斷實(shí)驗(yàn)中的超熱電子可能系由拉莫爾磁旋諧振的加熱效應(yīng)引起的。⑶利用包含高能尾的電子速度分布函數(shù)，成功對2010年加熱實(shí)驗(yàn)中觀測到的右高左低不對稱雙峰離子線譜進(jìn)行了數(shù)值仿真?；跉W姆加熱理論，在忽略電子溫度影響的條件下，僅考慮擴(kuò)散輸運(yùn)過程的影響，對加熱實(shí)驗(yàn)中的反射高度時(shí)空演化特征進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明僅由擴(kuò)散輸運(yùn)過程可引起2010年加熱實(shí)驗(yàn)中觀測到的反射高度下降的特征，即驗(yàn)證了反射高度下降是由加熱電磁波導(dǎo)致擴(kuò)散

6、輸運(yùn)過程增強(qiáng)引起的物理機(jī)制。另外，利用超熱電子存在條件下的速度分布函數(shù)對等離子體線譜進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果與2011年加熱實(shí)驗(yàn)中的等離子體線實(shí)測結(jié)果相吻合，利用仿真中使用的超熱電子的速度參數(shù)，對超熱電子的電離能力、橫向自由程和縱向自由程進(jìn)行了分析，進(jìn)一步佐證了超熱電子是激發(fā)2011年加熱實(shí)驗(yàn)中觀測到的超強(qiáng)電子密度增長特征的物理機(jī)制。⑷提出了基于參量衰變不穩(wěn)定性發(fā)生時(shí)的cascade頻譜結(jié)構(gòu)的電離層參量反演方法。給出了基于離子等離子體頻率諧