電離層加熱實驗中反射高度下降特征的數值模擬

程木松 徐彬 吳振森 李海英 許正文 吳軍 吳健

(1．中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥230088；2．西安電子科技大學 物理與光電工程學院，

西安 710071；3．中國電波傳播研究所 電波環境特性及模化技術重點實驗室，青島 266107)

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電離層加熱實驗中反射高度下降特征的數值模擬

程木松1,2,3徐彬3吳振森2李海英2許正文3吳軍3吳健3

(1．中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥230088；2．西安電子科技大學 物理與光電工程學院，

西安 710071；3．中國電波傳播研究所 電波環境特性及模化技術重點實驗室，青島 266107)

向電離層中注入大功率電磁波可引發地基非相干散射雷達觀測的離子線和等離子體線回波功率增強現象.2010年秋季，在挪威開展了極區電離層離子線與等離子體線增強特征激發實驗.實驗中首次得到了VHF雷達觀測的長生命周期的增強特征,該現象系由參量衰變不穩定性引起的.另外，增強現象所處高度隨加熱的進行呈下降趨勢，針對該特征文章給出了可能的物理機制，即該現象系由泵波促使反射高度附近的電子擴散效應增強引起的.文章利用修正的IRI和MSISE模型參數對加熱實驗中的反射高度階躍性下降特征進行了仿真，仿真結果表明，加熱電波引起的電子擴散效應可以使得反射高度下降，并且下降的高度與實驗結果吻合較好，驗證了該物理機制的可能性.

電離層加熱;離子線;等離子體線;反射高度

DOI 10.13443/j.cjors.2015041101

引 言

早在20世紀70年代,科學家們便開始了利用大功率電磁波對電離層進行加熱的實驗,在實驗中通常利用頻率低于電離層臨界頻率的高功率尋常波進行實驗,即進行過密加熱實驗.受高功率電磁波的驅動,可以觀測到很多異常效應,如引起電子密度、離子溫度和電子溫度擾動[1],Leyser曾利用歐洲非相干散射聯合會(European Incoherent Scatter, EISCAT)的特高頻 (Ultra High Frequency,UHF)雷達對泵波加熱實驗中的電子溫度和離子溫度增強現象進行了觀測,電子溫度最高達到了近似3 500 K,通常狀態下電子溫度僅為1 000 K左右,即電子溫度有250%的增幅,離子溫度相對于常態下900 K的溫度也有近似55%的增幅[2].我國在2008年極區開展的加熱實驗中觀測到了大范圍的電子溫度增強特征,增強幅度可達60%～120%[3];而在2011年的加熱實驗中觀測到了電子密度30%以上的增強特征[4].高功率電磁波除了可以引起電離層參量的擾動外,還可以引起輝光效應[5]和極低頻(Extremely Low Frequency, ELF)、甚低頻(Very Low Frequency, VLF)波的激發.光輻射系由于加熱試驗中產生的等離子體湍流對電離層中的電子進行了加速,使電子的能量處于2 eV以上的高能態(相對于常態下電子的熱能量級為0.1～0.2 eV),當電離層中的粒子與高能電子發生碰撞時,可以使得粒子狀態向高能態改變,而高能態粒子不穩定會向低能態躍遷,當發生能級躍遷時會向外輻射光子,即產生了光輻射.如1999年Br?ndstr?m第一次觀測到了極區利用HF激發的6 300 ?輝光輻射[6],2012年,Denton第一次利用電子耦合器件監測系統對VLF發射機激發的4 278 ?的光輻射進行了直接觀測[7].在ELF、VLF波激發方面國內學者也做了大量工作.2008年李清亮等人對中低緯度調制高頻加熱電離層ELF、VLF激發進行了模擬[8],2009年汪楓等討論了低緯度地區利用大功率電磁波激發ELF、VLF波的可能性[9].2012年常珊珊等利用射線追蹤方法,模擬了電離層調制激發的VLF波在磁層的傳播路徑,分析了激發緯度和調制頻率對傳播路徑和傳播特性的影響;并基于低頻波的色散方程和波粒共振條件,分析了VLF波傳播路徑上與磁層高能粒子的最低共振能及其分布[10].

作為電離層加熱效應分析的基礎,離子線和等離子體線的增強特征一直是研究的重點內容.一般地,利用高功率尋常波對電離層進行加熱實驗中,加熱泵波可在反射高度附近激勵參量衰變不穩定性,使得平行于地磁場方向的朗繆爾波增強,進一步形成朗繆爾湍流,朗繆爾湍流的形成可以引起非相干散射雷達背向散射功率的增強,即離子線與等離子體線的增強現象[11-12].在2001年EISCAT的加熱實驗中,利用超高頻(Ultra High Frequency, UHF)雷達觀測到了長生命周期的離子線譜增強特征[13],而在2011年EISCAT的加熱試驗中曾觀測到大范圍的離子線譜回波增強特征[14].

2010年秋季,我國在挪威開展了極區電離層離子線與等離子體線增強特征激發實驗.在過去的實驗中,很少有VHF雷達觀測到的增強特征被報道,而本次實驗中首次得到了VHF雷達觀測的長生命周期的增強特征;在時空演化上,增強特征所處高度隨著加熱的進行逐漸下降,本文針對該時空演化特征給出了可能的物理機制,并利用修正的IRI和MSISE模型參數對加熱實驗中的反射高度進行了仿真,驗證了該物理機制的可能性.

1 實驗描述

歐洲非相干散射雷達協會EISCAT的加熱設備坐落在挪威Troms?附近(69.59°N,19.23°E),于20世紀80年代開始投入使用[15].發射機由三個天線陣組成,有效輻射功率可以達到幾百兆瓦,頻率覆蓋范圍為4～8 MHz.為獲取較好的實驗效果,根據當地電離層實時臨界頻率狀態選取天線陣列1進行加熱實驗,加熱頻率為5.423 MHz,電磁波的極化方式為O模,加熱波束指向為場向(12°S),有效發射功率為286 MW,垂向有效輻射功率為3.3 MW.單個加熱周期為12 min,每個加熱周期包括8 min加熱開啟和4 min加熱關閉.診斷設備使用的是VHF非相干散射雷達,探測方向為垂向,時間分辨率為5 s,空間分辨率為3 km.

2 VHF雷達數據分析

RTG是由EISCAT官方給出的實時監控非相干散射實驗的軟件,主要功能是實時顯示實驗結果,也可作簡單的數據分析.利用RTG對VHF雷達的離子線和等離子體線頻譜進行提取.圖1給出了加熱前后離子線偽彩色圖,橫軸為多普勒頻率,單位為kHz;縱軸為高度,單位為km;偽彩色為功率,單位為K/kHz.加熱未開啟時刻(11:47:55、11:56:05)整個探測空間的離子線回波功率幅值很低,最大值僅為0.6～0.8(K/kHz),在150 km以上的離子線譜形狀呈現為典型的平滑雙峰結構,該結構系由離子的朗道阻尼產生,且譜線的形態特征與電離層參數直接相關,譜線面積與電子密度成正比,峰谷比正比于電子溫度與離子溫度比值[16].在更低的高度上,由于電子溫度與離子溫度比值下降,加之碰撞頻率增大,譜線逐漸由雙峰退化為單峰結構.加熱機開啟后(11:48:05-11:56:00),反射高度附近(210 km左右)的離子線顯著增強,如時刻11:48:05的回波幅度值在150 K/kHz以上,進而導致其他高度上的離子線頻譜特征在圖中很難被看到.圖2給出了加熱前后等離子體線的偽彩色圖,橫軸為多普勒頻率,單位為kHz;縱軸為高度,單位為km;偽彩色為功率,單位為K/kHz.加熱未開啟時刻(11:47:55、11:56:05)由于等離子體線回波本身幅度較弱,加之VHF雷達的觀測模式為beata工作模式,等離子體信道接收帶寬較寬,因此自然的等離子體線回波被背景噪聲覆蓋,等離子體線譜呈現為不規則的條紋狀結構,僅在某些時刻,對自然等離子體線譜進行大范圍的空間累積才能獲取顯著的等離子體線頻譜結構.加熱機開啟后,受加熱泵波驅動,等離子體線回波幅度明顯增強,具體表現為條紋狀結構消失,而在高度210 km、頻率330 kHz附近出現亮點狀的增強結構.通過圖1和圖2可以看出,實驗中離子線與等離子體線增強特征顯著,增強幅度可以達到102這個量級.與以往的實驗不同,增強特征沒有在加熱開啟后很快地消失,而是在整個加熱周期內持續出現.過去的加熱實驗中,由VHF雷達僅觀測到了200 ms增長特征,而本次實驗觀測到了8 min的增強現象.這是因為實驗中選取的加熱頻率(5.423 MHz)等于反射高度附近電子磁旋頻率的倍頻.如圖3所示,點劃線為電離層等離子體頻率剖面,實線為4倍電子磁旋頻率,從圖中可以看出,反射高度(210 km)附近的電子等離子體頻率剛好與4倍電子磁旋頻率相等.根據前面的分析可以知道,一般地,利用高功率尋常波對電離層進行加熱實驗中,加熱泵波可在反射高度附近激勵參量衰變不穩定性,使得平行于地磁場方向的朗繆爾波增強,進一步形成朗繆爾湍流,朗繆爾湍流的形成可以引起非相干散射雷達背向散射功率的增強,即離子線與等離子體線的增強現象,但這種現象通常是短暫的,因為朗繆爾湍流發生時,常常會伴隨著場向不規則體的產生,而場向不規則體會對加熱泵波產生很強的散射作用,使得不穩定性不能持續發生,而當加熱頻率等于電子磁旋頻率的倍頻時,可以有效地抑制不規則體的產生[17],進而使得不穩定性可以有效的持續發生,即當加熱頻率為電子磁旋頻率的倍頻時,PDI理論可以很好地解釋離子線和等離子體線的增強現象.圖4給出了未加熱和加熱時刻功率譜剖面的對比圖,從圖中可以看出未加熱時刻,整個探測高度范圍內功率幅值均很低,當加熱開始(11:48:00),功率幅值增強,且功率峰值在208 km高度處出現,且隨著加熱時間的進行,峰值的高度逐漸下降到202 km附近,即反射高度下降了2個距離門.由于離子線和等離子體線峰值高度的時間演化特征相似,這里只給出離子線峰值高度的時間演化,如圖5所示,從圖中可以看到峰值高度隨著加熱實驗的進行逐漸下降.反射高度與電子密度相關：引起電子密度的改變一般有兩種主要因素,一種是溫度影響電子的復合率,進而改變電子密度,另一種是電子的擴散漂移改變電子密度.通常認為在200 km以下的高度中,溫度影響電子的復合率是改變電子密度的主要因素,即溫度占優;而在200 km以上,擴散輸運過程是引起電子密度改變的主要因素,即擴散占優.如果反射高度在溫度占優的區域,則加熱會引起反射高度附近電子密度增強,而當反射高度處于擴散占優區域,反射高度的電子密度會減小[1].本文認為,此次加熱實驗中反射高度下降是由于反射高度附近電子的擴散輸運過程增強引起的.圖6為擴散引起反射高度下降的物理機制示意圖,當大功率無線電波入射到電離層中時,加熱電波會在等離子體頻率與加熱頻率相等的高度處反射,而受加熱電波的驅動,反射高度附近的電子會被加速,沿磁場方向向上和向下運動,即擴散輸運效應被增強,使得在反射高度附近形成了電子密度谷,而在兩側形成了電子密度峰,進而致使電磁波在較低的高度上滿足反射條件,即電磁波在更低的高度上發生反射,需要注意的是形成的電子密度谷峰結構是不穩定的,是實時變化的,但在整個加熱時段內,加熱電波都會促使反射高度附近電子輸運過程的增強,進而形成動態的電子密度的谷峰結構,隨著加熱的不斷進行,最終形成了反射高度隨時間下降的演化特征.由于反射高度隨時間下降,波與電離層的作用區域也就隨時間下降,表現為實驗中增強的離子線和等離子體線的峰值高度隨時間下降的加熱效應.當加熱結束后,輸運增強效應停止,電子密度的谷峰結構也會迅速消失.早在1989年bernhardt等人的實驗中便在電子密度谷處觀測到了增強的譜線特征[18].在下一節中,本文將由電子的連續性方程、動量方程和能量方程出發,忽略電子溫度對電子密度的影響,考慮擴散漂移的輸運過程對反射高度下降特征進行仿真.

圖1 加熱前后離子線譜偽彩色圖

圖2 加熱前后等離子體線偽彩色圖

圖3 等離子體頻率剖面與4倍電子磁旋頻率

(a) 未加熱時等離子體線功率剖面

(b) 加熱時等離子體線功率剖面圖4 加熱前后等離子體線功率剖面對比圖

圖5 離子線峰值高度的時間演化特征

圖6 反射高度下降的物理機制示意圖

3 反射高度下降仿真

O++N2→NO++N;

(1)

(2)

NO++e-→N+O;

(3)

(4)

(5)

namαg+qαnα(E+vα×B)-Pα-

(6)

式中：α和β表示帶電粒子種類;nα,mα,qα和vα分別為α類粒子的密度、質量、電量和速度;g為重力加速度;E為包括帶電粒子的運動產生的極化場在內的自洽場;B為地磁場;Pα為壓力項,一般的Pα=nαkbTα,kb為玻爾茲曼常量;Tα為帶電粒子溫度,假設三種離子溫度相同,設其為Ti； υαn和υαβ分別為帶電粒子與中性粒子和帶電粒子之間的碰撞頻率.將以上運動方程相加,考慮到準中性條件和偶極擴散條件假設,則動量方程為

(7)

式中, vn為中性風速度.電子吸收電波能量后,能量方程為:

(8)

方程左邊第一項是由于HF外場加熱引起的電子溫度隨時間的變化,第二項是對流項,第三項是壓力流;右邊第一項是熱傳導項,第二項為單位時間內吸收電波的能量密度,第三項為電子在平衡態沒有電波作用下,吸收其他能量(主要是太陽能量)的能量密度,第四項為能量損失率.沿磁場方向的熱傳導系數為

(eV·cm·s·K-1)

(9)

10-17cm2,

(10)

(11)

(12)

電離層中電子能量的損失機制十分復雜,主要通過碰撞過程來完成.常見的損失機制如下所示[20-21]:1) 電子與正離子的彈性碰撞;2)電子和中性粒子的彈性碰撞;3)分子O2和N2旋轉能級的激發;4) 分子O2和N2振動能級的激發;5) 原子氧O電子能級和精細結構的激發.電子能量的損失是上述各個損失機制的總和.一般地,在加熱實驗中,電波能量的吸收以反射點為中心成近高斯分布,因此單位體積單位時間內吸收的電波能量可以寫為:

(13)

式中：zm為反射點高度;A為比例常數.反射點處歐姆吸收為[22]

(14)

υen=9.32×10-12[N2](1-3.44×10-5Te)+

1.21×10-10[O2](1+2.15×

(15)

(16)

初始條件:電離層加熱仿真的背景電離層參數由IRI模型給出[24],中性大氣參數由MSIS模型給出[25].由于IRI模型對極區電離層狀態的描述并不準確,文中利用EISCAT官方給出的電離層等離子體頻率剖面對仿真初值進行了修正.邊界條件使用Hansen邊界條件[26],即上下邊界的溫度和密度梯度保持不變.初始反射高度為208 km,空間分辨率為1 km,時間分辨率為5 ms,泵波頻率為5.423 MHz,有效輻射功率為3.3 MW.如前文提到的,可以引起反射高度下降特征主要有兩種物理機制：一種是溫度影響電子的復合率,改變電子密度,進而影響反射高度；另一種是電子的擴散漂移對電子密度的影響,進而改變反射高度.一般在200 km以下的高度中,溫度影響電子的復合率是改變電子密度的主要因素,即溫度影響占優;而在200 km以上的高度,輸運過程引起電子密度的改變是主要因素,即輸運過程占優.如果反射高度在溫度占優的區域,則加熱會引起反射高度附近電子密度增強,而當反射高度處于擴散占優區域,反射高度的電子密度會減小.本文認為此次實驗中反射高度發生在輸運過程占優的區域,仿真中忽略了溫度對電子復合率的影響,主要考慮熱輸運過程對電子密度的影響,即對加熱引起反射高度附近輸運過程增強導致反射高度下降的特征進行仿真驗證.圖7給出了加熱前后電子密度剖面的對比圖,從圖中可以看出加熱前后整個電子密度剖面形態變化不大,僅在反射高度附近擾動比較明顯.圖8為反射高度附近的電子密度和電子密度增量剖面圖.從反演結果中可以看出在反射高度附近有電子密度谷形成,而在反射高度兩側形成電子密度峰,仿真結果與理論假設結果相吻合.圖9給出了實驗中觀測到的反射高度階躍性下降的實測圖以及仿真得到的仿真結果.其中圖9(a)為實驗觀測結果,圖9(b)為利用修正的IRI模型和MSIS模型的仿真結果.從圖9(a)可以看出,在單個加熱周期內反射高度呈階躍性下降特征,其中階躍性是由于雷達分辨率造成的,實驗中用于觀測的VHF雷達的空間分辨率為3 km,當加熱實驗開啟后,由于加熱電波促使反射高度附近電子的擴散輸運過程增強,反射高度附近形成電子密度谷,反射高度兩側形成電子密度峰,加熱電波在原反射高度下形成的電子密度峰結構處便滿足反射匹配條件發生反射,此過程在整個加熱時段內不斷進行,反射高度逐漸下降,當反射高度下降達到3 km時便會被VHF雷達探測到,進而最終表現為反射高度呈階躍性下降的特征.仿真中使用的空間分辨率為1 km,但為與實驗結果相比擬,給出了分辨率為3 km的仿真結果.從圖9(b)可以看出實驗中反射高度下降了兩個距離門,即反射高度下降了6 km.在3 km分辨率下,仿真結果中反射高度也下降了6 km,仿真結果與實驗結果相吻合,表明加熱引起的輸運過程增強是引起實驗中觀測到的反射高度下降特征的主要原因.另一方面,實測結果和仿真結果在下降的時刻有所差異,即反射高度下降的速度有所不同,這是由于實際的電離層條件非常復雜,電離層在自然條件下,受太陽輻射的影響也會產生很強的電子密度擾動特征,這都會造成實驗結果與仿真結果的差異.

圖7 加熱前后電子密度剖面

(a) 電子密度剖面對比圖

(b) 電子密度增量剖面圖8 反射高度附近電子密度剖面對比和密度增量剖面

(a) 實測結果

(b) 仿真結果圖9 反射高度階躍性下降仿真與實驗對比

4 結 論

2010年秋季,在挪威開展的極區電離層離子線與等離子體線增強特征激發實驗中首次得到了VHF雷達觀測的長生命周期的增強特征.在時空演化上,增強特征所處高度隨著加熱的進行逐漸下降,本文認為該特征是由于加熱電波促使反射高度附近電子輸運過程增強引起的.即反射高度附近的電子受加熱電波的驅動,沿磁場方向向上和向下運動,在反射高度附近形成了電子密度谷,而在反射高度兩側形成電子密度峰,使得加熱電波在較低的高度上滿足反射條件發生反射,該過程不斷發生,進而形成了反射高度逐漸下降的特征.另本文利用EISCAT實測數據修正的IRI和MSISE模型參數,由電子的連續性方程、動量方程和能量方程出發,忽略電子溫度對電子復合率的影響,僅考慮輸運過程對實驗中反射高度的時間演化特征進行了仿真,仿真結果與理論假設以及實驗結果吻合得很好,驗證了輸運過程的增強是引起本次實驗中反射高度下降的可能物理機制.

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程木松 (1986-),男,黑龍江人,2012年畢業于西安電子科技大學理學院,現在西安電子科技大學物理與光電工程學院攻讀博士學位,主要從事電離層加熱異常擾動譜的研究．

徐彬 (1982-),男,遼寧人,高級工程師,博士,主要從事非相干散射理論與實驗研究．

吳振森 (1946-),男,湖北人,西安電子科技大學教授,博士生導師，主要從事隨機介質波傳播、電磁散射等方面的研究．發表論文三百余篇,其中SCI論文兩百余篇．

A simulation of the descending reflection height in ionospheric heating experiment

CHENG Musong1,2,3XU Bin3WU Zhensen2LI Haiying2XU Zhengwen3WU Jun3WU Jian3

(1.No.38ResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China;2.SchoolofphysicsandOptoelectronicEngineering,XidianUniversity,Xi’an710071,China;3.NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation，Qingdao266107,China)

Enhanced ion and plasma lines can be observed by the ground-based incoherent radar when high power HF waves were transmited into ionosphere.An ionospheric heating experiment was carried out in the fall of 2010, Norway.The long-lived enhanced ion and plasma lines were first observed in this experiment, and this may be caused by the Parametric Decay Instability (PDI).In addition, the VHF data show that the enhanced lines are descending in altitude with time during the heater-on period.The possible cause for the descending altitude may be the enhanced electron diffusion.In this paper, the reflection height is simulated based on the parameters of modified IRI and MSISE models, and results show that the reflection height can be descent with time due to the enhanced diffusion.A good agreement is obtained between the simulation and experiment, thus the hypothesis is proved to be reliable.

ionospheric heating;ion lines;plasma lines;reflection height

程木松, 徐彬, 吳振森, 等.電離層加熱實驗中反射高度下降特征的數值模擬 [J].電波科學學報,2016,31(5):834-842.

10.13443/j.cjors.2015041101

CHENG M S, XU B, WU Z S, et al.A simulation of the descending reflection height in ionospheric heating experiment [J].Chinese journal of radio science,2016,31(5):834-842.(in Chinese).DOI：10.13443/j.cjors.2015041101

2015-04-11

國家自然科學基金(40831062，41004065，41104108)； 中央高校基本科研基金 (K5051207003)； 空間天氣學國家重點實驗室(08262DAA4S)； 電波環境特性及模化技術國防重點實驗室基金

P352

A

1005-0388(2016)05-0834-09

聯系人：程木松 E-mail：chengmusong@163.com