極區(qū)電離層加熱能量吸收率的非相干散射測(cè)量

徐 彬 王占閣 程木松 許正文 吳 健 吳 軍 薛 昆

（1.中國(guó)電波傳播研究所，電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266107；2.中國(guó)科學(xué)院空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；3.西安電子科技大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安 710071）

引 言

加熱效應(yīng)的大尺度仿真通常使用歐姆加熱理論來解釋。歐姆加熱理論可以實(shí)現(xiàn)從D層到F層上千千米的電離層加熱效應(yīng)的數(shù)值模擬。1978年，Gurevich基于一組流體力學(xué)方程提出了電離層加熱的基本理論［1］。在低電離層，仿真使用連續(xù)性方程和能量方程，連續(xù)性方程主要考慮與溫度存在依賴關(guān)系的復(fù)合率，能量方程則主要考慮由介電常數(shù)虛部引起的電波吸收能流和碰撞引起的能量損失［2-4］。電離層中電子能量的損失機(jī)制十分復(fù)雜，主要損失機(jī)制包括電子與正離子的彈性碰撞、電子和中性離子的彈性碰撞、旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)能級(jí)的激發(fā)以及原子氧電子能級(jí)和精細(xì)結(jié)構(gòu)的激發(fā)等［5-8］。在高電離層，中性粒子濃度下降，碰撞效應(yīng)減弱，熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散和漂移等輸運(yùn)過程起主要作用。因此，仿真的連續(xù)性方程和能量方程中須考慮輸運(yùn)項(xiàng)的影響，為此，就必須引入動(dòng)量方程［9-12］。盡管當(dāng)前的數(shù)值仿真方程已經(jīng)充分考慮了F層的輸運(yùn)過程，但高電離層仿真中，還存在一個(gè)嚴(yán)重的缺陷，即對(duì)反射點(diǎn)處電波能量吸收率的精確描述。

現(xiàn)有的電波能量吸收率模型中，低電離層的歐姆加熱理論模型考慮了碰撞吸收和電波傳播過程，對(duì)加熱過程給出了相對(duì)較為準(zhǔn)確的描述［3-4，13］。盡管如此，該模型通常過高估計(jì)了加熱效應(yīng)，實(shí)測(cè)結(jié)果通常觀測(cè)不到該理論模型所預(yù)測(cè)的加熱特征［13］。對(duì)高電離層來說，基于欠密加熱的歐姆加熱理論模型［14］，盡管模型較為嚴(yán)謹(jǐn)，但實(shí)際高電離層加熱試驗(yàn)過程中，我們更關(guān)心過密加熱的加熱特征，而該模型不能描述反射高度處顯著的加熱特征。修正的電波能量吸收率模型中［15］，在歐姆吸收項(xiàng)前引入一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，用于表征參量不穩(wěn)定性、磁旋諧振和上混雜諧振等異常吸收效應(yīng)。然而事實(shí)上，歐姆吸收與其他吸收機(jī)制應(yīng)屬并列關(guān)系，電子溫度變化引起的歐姆吸收的改變并不應(yīng)以乘積的方式反映到能量吸收項(xiàng)上，這在物理原理上即存在嚴(yán)重的缺陷。

盡管反射高度的電波能量吸收機(jī)制十分復(fù)雜，電波能量吸收率的理論計(jì)算難以實(shí)現(xiàn)，然而可以通過非相干散射雷達(dá)的實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)電波吸收通量進(jìn)行推算。2009年9月我國(guó)在挪威開展了電離層加熱的二維特征診斷試驗(yàn)，本文利用歐洲非相干散射雷達(dá)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合穩(wěn)態(tài)的能量吸收方程和動(dòng)量方程，計(jì)算了反射高度附近的電波能量吸收通量，在此基礎(chǔ)上討論了吸收通量的統(tǒng)計(jì)特征。

1.理論方法與計(jì)算模型

電離層加熱條件下，電離層中電子滿足動(dòng)量和能量守恒方程［10-12，15］

式中:vex和vez分別為水平方向和垂向的電子漂移速度；ve為電子速度矢量；νnx和νnz分別為水平方向和垂向的中性粒子漂移速度；ne和nα電子密度和α粒子的密度；me和mα為電子和α粒子的質(zhì)量；MI為等效離子質(zhì)量；g為重力加速度；υIn和υen分別為離子和電子與中性粒子的碰撞頻率；kb為玻爾茲曼常量；Te和Ti為電子和離子溫度；Ke為熱傳導(dǎo)系數(shù)；θ為熱傳導(dǎo)方向和垂向夾角；SHF為電波能量吸收率；S0為太陽能量吸收率；L為能量損失率。則對(duì)加熱前時(shí)刻，電子速度滿足

式中:νex0、νez0、ne0、Te0和 Ti0分別為加熱前的電子速度、電子密度、電子溫度和離子溫度。加熱前高頻（HF）電波吸收通量為零，因此，可計(jì)算出太陽引起的能量吸收為

加熱后的電子速度為

將上述兩式帶入式（3）可得

聯(lián)立式（4）～（9），代入非相干散射雷達(dá)的實(shí)測(cè)結(jié)果，即可使用式（9）計(jì)算出電波能量吸收率的數(shù)值結(jié)果。

2.非相干散射雷達(dá)測(cè)量結(jié)果

2009年8月，我國(guó)在挪威開展了電離層加熱二維特征試驗(yàn)研究［16］。由于電離層臨頻較低，為保證過密加熱，加熱天線采用了陣列2.加熱頻率在4.04～4.544MHz之間變更，依據(jù)電離層狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。加熱循環(huán)為8分鐘開，4分鐘關(guān)，加熱波束方向指向地磁場(chǎng)方向。加熱效應(yīng)觀測(cè)主要利用超高頻（UHF）非相干散射雷達(dá)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲捎胋eata工作模式。為保證診斷設(shè)備與加熱天線指向相匹配，擬寫了UHF雷達(dá)掃描模式scan＿cn4，使得在加熱波束方向變化時(shí)，診斷雷達(dá)的掃描扇區(qū)做相應(yīng)調(diào)整。

電波能量吸收率計(jì)算所需要的電離層參量中，非相干散射雷達(dá)可以直接探測(cè)的有三個(gè)，即電子溫度、電子密度和離子溫度。因此，對(duì)8月16日～8月19日期間40起加熱事件加熱前后的電子溫度、電子密度、離子溫度，以及仰角和高度信息進(jìn)行了提取。為得到電波能量吸收率的細(xì)致結(jié)構(gòu)，我們對(duì)提取后的結(jié)果進(jìn)行了二維插值，使其空間分辨率提高至2km.除這三個(gè)電離層參量外，其余電離層參數(shù)和中性大氣參數(shù)由模型給出，其中氧原子、氧氣分子、氮?dú)夥肿訚舛群椭行詺怏w溫度由中性大氣模式MSIS95給出［17］，NO+、O+2和O+濃度由國(guó)際參考電離層模型IRI2007給出［18］。時(shí)間取40起加熱事件的起始時(shí)刻，空間分辨率同樣取2km，并假設(shè)這些背景參數(shù)水平均勻分層，故可直接將一維數(shù)據(jù)擴(kuò)展至二維。圖1（見422頁）給出了40起加熱事件電波能量吸收率的計(jì)算結(jié)果。從圖1可以看到:除16日的Case3、18日的Case5和19日的Case2，其余加熱時(shí)刻均可得到顯著的電波能量吸收結(jié)構(gòu)。能量吸收基本呈近高斯分布，但結(jié)構(gòu)在橫向和縱向上并不沿能量吸收中心對(duì)稱。盡管以前的研究結(jié)果表明磁天頂?shù)哪芰课兆顬轱@著［19］，但從試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果來看，能量吸收中心并非全部位于場(chǎng)向，而是散布在場(chǎng)向周圍。從分布形態(tài)來看，與預(yù)測(cè)的結(jié)果不同，能量吸收率的結(jié)構(gòu)并不大都沿場(chǎng)向分布，除16日Case1、17日Case1、Case3、Case4和18日Case3外，其余時(shí)刻能量吸收結(jié)構(gòu)基本沿水平軸和垂直軸對(duì)稱。

溫度探測(cè)中，16日和17日與18日和19日（包括17日Case7、Case8）呈現(xiàn)出完全不同的形態(tài)特征，一類溫度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)處在150～200km之間，橫向尺度約為50km，溫度增強(qiáng)的絕對(duì)值不大，但相對(duì)增幅明顯；另一類溫度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)處在峰值高度附近，橫向尺度特征與第一類溫度增強(qiáng)類似，但縱向尺度更大，且溫度增強(qiáng)的絕對(duì)值很大。盡管如此，18日和19日的電波能量吸收率計(jì)算結(jié)果并未呈現(xiàn)出顯著的大范圍分布結(jié)構(gòu)，而是與16日和17日的分布結(jié)構(gòu)較為類似，均為近高斯分布。溫度增強(qiáng)與能量吸收的分布形態(tài)不同，這主要是因?yàn)樵诜逯蹈叨雀浇盏碾娮幽芰垦卮帕€向上下兩側(cè)傳遞，峰上電子密度、離子密度減小，中性粒子密度也按指數(shù)衰減，電子的自由程更大，這使得能量可以傳遞到更遠(yuǎn)的位置。向下傳遞時(shí)，盡管電子密度、離子密度也在減小，但中性粒子密度迅速增加，電子能量損失得很快，因此，溫度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的空間尺度不大。當(dāng)反射高度遠(yuǎn)離峰值高度時(shí)，能量向下傳遞的機(jī)制與上述過程相同，而向上傳遞時(shí)，盡管中性粒子密度也按指數(shù)衰減，電子密度、離子密度卻在增加，這同樣使得能量損失率隨高度增加而增大，溫度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的空間尺度維持在很有限的空間范圍內(nèi)。我們同樣計(jì)算了電波能量的損失率，能量吸收率與損失率相比，形態(tài)特征較為類似，但損失率彌散的范圍更廣，而吸收凝縮在中心附近，隨距中心位置漸遠(yuǎn)，吸收率迅速衰減至零。這主要是因?yàn)槟芰课罩饕l(fā)生在反射高度和不穩(wěn)定性發(fā)生高度上，而損失則發(fā)生在所有溫度增加區(qū)域，加熱會(huì)使電子擴(kuò)散至更大的范圍，因此，損失率的空間尺度更大。從能量吸收率幅度的對(duì)比來看，16日和17日的能量吸收率要比18日和19日的小一個(gè)量級(jí)，這主要是因?yàn)?8日和19日是由多種不穩(wěn)定性被激發(fā)而引起的。

前面給出了電波能量吸收率理論模型和非相干散射雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果，這里對(duì)電波能量吸收率的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行進(jìn)一步的分析。圖2給出了電波能量吸收率最大值方向和地磁場(chǎng)方向的關(guān)系。由圖2可見，能量吸收中心基本均勻地分布在場(chǎng)向兩側(cè)，其均值為78°，僅略大于地磁場(chǎng)方向，標(biāo)準(zhǔn)差為1.7°.對(duì)比16日、17日和18日、19日的結(jié)果可以看到，16日、17日吸收中心分布較為分散，且分布在場(chǎng)向兩側(cè)，而18日、19日吸收中心離場(chǎng)向更為接近，但多分布在場(chǎng)向以上。這意味著我們進(jìn)行泵波頻率接近臨界頻率的電離層加熱試驗(yàn)時(shí)，加熱擾動(dòng)區(qū)域的分布更為穩(wěn)定。

圖2 電波能量吸收率最大值方向（點(diǎn)）和地磁場(chǎng)方向（實(shí)線）關(guān)系圖

圖3給出了電波能量吸收率最大值高度和反射高度的關(guān)系，從圖3可以看到:16日、17日和18日、19日的高度關(guān)系明顯不同，16日、17日能量吸收中心高度多位于反射高度以下10km附近，這意味著16日、17日的加熱實(shí)驗(yàn)中能量的吸收并不是純?cè)鲩L(zhǎng)模式（電離子體與HF加熱電波的本征諧振）在起主要作用，而是發(fā)生在反射高度以下的某一不穩(wěn)定性主導(dǎo)了能量的吸收。而18日、19日能量吸收中心高度位于或略高于反射高度，這意味著能量的吸收中純?cè)鲩L(zhǎng)模式和靠近反射高度附近的不穩(wěn)定性在起主要作用，從電離層變態(tài)的效果來看，后者的能量吸收更為充分。16日、17日和18日、19日的高度關(guān)系的顯著差異也證明了兩種類型加熱效應(yīng)的加熱機(jī)制并不相同。圖4給出了電波能量吸收率最大值隨加熱頻率與峰值頻率之差的變化。從圖4可以看到，電波能量吸收率隨頻差的增加線形增加，在0.6 MHz附近存在突跳，吸收率最大值從3.6×10-8銳減至4.1×10-9，在此之后，隨頻差增大電波能量吸收率緩慢下降。

3.結(jié) 論

人工電離層加熱條件下，反射高度的電波能量吸收率的理論估算十分困難。利用穩(wěn)態(tài)的電子動(dòng)量方程和能量方程，結(jié)合2009年8月電離層加熱實(shí)驗(yàn)中非相干散射雷達(dá)實(shí)測(cè)的電子密度、電子溫度和離子溫度對(duì)反射高度附近的電波能量吸收率進(jìn)行了估算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以得到顯著的電波能量吸收率的空間分布結(jié)構(gòu)，能量吸收基本呈近高斯分布，但結(jié)構(gòu)在橫向和縱向上并不沿能量吸收中心對(duì)稱。電波能量吸收率與電離層參量的空間分布特征沒有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但幅度值的相關(guān)關(guān)系明顯。與吸收率相比，由于吸收與損失的物理機(jī)制不同，損失率的空間分布范圍更廣。對(duì)電波能量吸收率的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明:泵波頻率接近臨界頻率時(shí)，能量吸收中心偏離場(chǎng)向的方差越小，亦更接近反射高度。0.6 MHz附近，電波能量吸收率隨頻差變化的曲線存在銳邊界，在0.6MHz以下，隨頻差增大線形增加，0.6 MHz以上，隨頻差增大電波能量吸收率緩慢下降。從電波能量吸收率幅度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得出，并非加熱頻率愈接近峰值頻率吸收效果愈佳，而是臨界狀態(tài)下時(shí)（兩組加熱機(jī)制的交界）才會(huì)取得最佳的加熱效果。

文中給出了使用非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)推算出的電波能量吸收率，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)致分析各種不穩(wěn)定性的發(fā)生條件，區(qū)分混雜諧振、參量不穩(wěn)定性和回旋諧振等不同的機(jī)制對(duì)加熱效應(yīng)的貢獻(xiàn)，進(jìn)而建立描述多機(jī)制的加熱問題的電波能量吸收率的經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪俏覀冞M(jìn)一步所要完成的工作。

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