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极区夏季中层顶尘埃等离子体散射特性研究

江晓楠  
【摘要】:极区夏季中层回波(Polar Mesosphere Summer Echoes,PMSE)是发生在夏季极地地区高度约80~90km的异常雷达回波现象。自从发现PMSE现象以来,科学家们开展了大量的实验和理论研究工作。一般来说,大气雷达回波的物理机制有两种:湍流散射和菲涅尔(部分)反射。湍流散射理论主要是从中性大气湍流出发,考虑小尺度结构对雷达电磁波的散射(Bragg散射);菲涅尔反射理论主要是从PMSE大尺度分层结构出发,考虑折射梯度引起的雷达波反射,这两种物理机制在一定条件下都能造成足够强的回波现象。然而现有的理论模型并不能很好的解释PMSE现象,而且实验结果显示了PMSE现象可能并不是只是某一种回波机制造成的,理解PMSE现象发生的背后物理机制对丰富大气层的无线电波传播理论具有非常重要的意义。本文就极区夏季中层顶区域的电磁散射开展了研究工作:首先介绍了中层顶区域结构和PMSE现象。根据以往对PMSE的实验观测结果可以发现PMSE现象在空间和时间上有很大的变化,另外实验观测到的冰晶颗粒使得中层顶区域的结构变得非常复杂,我们根据ECT-02实验数据,对电子“吞噬”区尘埃颗粒数密度扰动和电子数密度扰动的相关性进行了分析,发现电子和尘埃颗粒之间呈很大的负相关性,这说明在电子“吞噬”区高度的冰晶颗粒的存在很有可能是电子密度急剧减少的原因。另外利用傅里叶分析方法得到PMSE区域三个典型高度的尘埃等离子体密度扰动功率谱,然后通过拟合得到它们的谱指数,发现并不是所有高度的谱指数都是-5/3,因此PMSE区域的不规则结构并非都是由中性大气湍流造成的。然后根据电子密度扰动功率谱计算了中层顶区域湍流散射回波强度,并与实验数据对比。结果显示理论计算结果在某些区域相对于实验结果偏大,说明湍流散射理论并不能解释整个中层顶区域的异常回波现象。基于上面的结论,考虑到湍流散射和菲涅尔反射机制都会对PMSE现象有贡献,本文建立了包含大尺度反射和小尺度散射的中层顶区域电磁散射模型。结合火箭探测的电子密度数据计算了雷达回波信噪比随高度变化剖面,通过与ECT-02雷达实验数据对比发现电子密度不规则结构大尺度的反射和小尺度Bragg散射的同时作用会产生与PMSE强度相当的雷达回波,验证了模型的合理性。并在此基础上分析了不同频率和不同分层厚度对模型计算结果的影响,结果表明一般情况下雷达频率越高,雷达回波强度越大。研究结果对理解PMSE现象发生的物理机制具有重要意义。


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