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极区中层异常雷达回波加热模型的研究

符路遥  
【摘要】:这篇论文要研究和探讨的是极区中层异常雷达回波及其在人工加热条件下的表现。极区中层雷达回波包括夏季回波PMSE和冬季回波PMWE。PMSE是夏季发生在极地上空极区中层顶部附近80~90km处的一种十分强烈的雷达回波。与之相似,PMWE是高纬地区冬季月份出现在当地上空50~80km之间区域的强烈雷达回波。这些现象可以极大地帮助我们了解和探究极区大气空间环境的特性,因此引起了高层大气物理领域诸多研究者的广泛关注。极区中层顶部区域受到大气环流、重力波和空气污染的影响,中层顶部区域的水蒸气含量相对偏高,而该区域的温度在整个大气层中最低,导致水蒸气在该区域结成冰晶,这些冰晶形成尘埃粒子。由于该区域吸收太阳远紫外线及X射线使得中性气体被电离为等离子体,尘埃粒子又处于等离子体中,于是形成空间尘埃等离子体。诸多的研究结果普遍认为,该区域出现的异常雷达回波现象与空间尘埃等离子体有密切的关系。极区中层顶部区域十分复杂,尤其是带电尘埃粒子的存在使得中层顶部区域的物理环境更趋复杂。对极区中层雷达回波的研究属于空间物理领域和尘埃等离子体领域非常前沿的研究。通过无线电波加热雷达回波的产生区域从而人为改变雷达回波的表现,是目前较为热门的研究领域。这种研究手段可以用来诊断测量尘埃层的相关参数的变化,从而为揭开产生极区中层雷达回波的物理机制提供了有效途径。在这篇论文中,我们在了解大气层、电离层相关背景知识的基础上,探讨了PMSE现象的细节,PMSE在统计上体现出的大致变化规律,对PMWE现象及其观测结果也做了深入的分析。之后,我们认识了极区中层大气加热实验的概况,引入了PMSE加热的理论计算模型,以等离子体的连续性方程、动量方程和能量方程为出发点,基于加热开启后尘埃层区域发生的扩散过程和尘埃充电过程,讨论了PMSE的物理机制。冬季回波PMWE的研究目前依然处于方兴未艾的状态,我们这里更多地把关注点集中于这里。在PMSE加热模型的基础之上,我们根据冬季回波的观测分析结果,引入极区中层尘埃层冬季参数,并依据模型进行数值仿真,考察相关尘埃层参数对于微波加热期间的电子不规则性的具体影响。研究结果表明:(1)极区中层的带电尘埃粒子在产生PMWE的过程中扮演着重要的角色,是产生雷达回波的重要成因;(2)从仿真结果来看,无线电波加热的确会对极区中层尘埃层的大部分参量产生影响,这与实验观测是相吻合的。加热开关打开后,根据设定参数的大小不同,电子不规则性幅度会不同程度的升高。在设定范围内,雷达频率越低,尘埃粒子半径越大,单个尘埃粒子可吸附的电子数越多,电子密度初值越大,则加热开启瞬间获得的电子不规则性幅度峰值越高。加热后和加热前的电子温度比对电子不规则性幅度的影响则经历了一个先升后降的过程,电子温度比在6到8之间时,可获得不规则性幅度峰值;(3)加热期间的不规则性幅度的衰减表现各异,其中不同单个尘埃粒子吸附电子数和不同电子密度初值影响下的衰减过程表现出一致性的特征。


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