化學(xué)復(fù)合率對(duì)激發(fā)赤道等離子體泡影響的數(shù)值模擬*

姜春華 趙正予

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院, 武漢 430072)

本文模擬研究了背景電離層在一維和二維擾動(dòng)下產(chǎn)生等離子體泡的過(guò)程, 在模擬過(guò)程中引入行進(jìn)式電離層擾動(dòng)(traveling ionosphere disturbances, TIDs)模型激發(fā)生成電子密度的二維擾動(dòng), 同時(shí)通過(guò)改變化學(xué)復(fù)合率來(lái)研究不同復(fù)合率對(duì)等離子體泡結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響.模擬結(jié)果表明, 復(fù)合率對(duì)等離子體泡的生成速度有較大影響, 復(fù)合率越大, 激發(fā)等離子體泡所需時(shí)間越長(zhǎng).另外, 在二維擾動(dòng)情況下電離層生成等離子體泡的速度要比一維擾動(dòng)情況下的速度慢.在一維擾動(dòng)情況下, 不同復(fù)合率對(duì)等離子體泡結(jié)構(gòu)形態(tài)影響不大, 而在TIDs激發(fā)的等離子體泡中, 不同復(fù)合率對(duì)等離子體泡的結(jié)構(gòu)形態(tài)有較大影響.在較小復(fù)合率的情況下,TIDs激發(fā)的等離子體泡可以產(chǎn)生分叉結(jié)構(gòu), 并伴有大量小尺度的等離子體泡結(jié)構(gòu), 同時(shí)模擬結(jié)果存在等離子體泡底部收縮現(xiàn)象.模擬結(jié)果還表明, 當(dāng)存在大量小尺度等離子體泡時(shí), 單個(gè)等離子體泡周圍的極化電場(chǎng)方向在非線性的演化過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生變化, 因此并不是所有底部等離子體泡都能夠抬升到電離層頂部, 只有其周圍極化電場(chǎng)方向一直是東向的等離子體泡, 才能夠進(jìn)一步抬升到電離層頂部.

1 引 言

電離層F層區(qū)域經(jīng)常存在一種不均勻體結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的存在會(huì)導(dǎo)致無(wú)線電波在傳播過(guò)程中信號(hào)的幅頻特性發(fā)生明顯的變化, 從而導(dǎo)致無(wú)線電信號(hào)的閃爍.這種F層不均勻體結(jié)構(gòu)一般稱之為等離子體泡或赤道擴(kuò)展F.該不均勻體結(jié)構(gòu)主要分布在磁赤道和高緯地區(qū), 但是在中低緯度地區(qū)也經(jīng)?？梢杂^測(cè)到, 并且大部分出現(xiàn)在夜晚.當(dāng)短波通信、星載遙感以及衛(wèi)星導(dǎo)航等無(wú)線電通信導(dǎo)航系統(tǒng)的電波信號(hào)發(fā)生電離層反射或穿透電離層, 存在這種等離子體泡結(jié)構(gòu)時(shí), 會(huì)嚴(yán)重影響通信和導(dǎo)航的質(zhì)量, 極端情況下有可能導(dǎo)致這些無(wú)線電系統(tǒng)無(wú)法正常工作.另外, 電離層中等離子體泡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的物理過(guò)程及其時(shí)空演化, 一直是空間物理學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題, 是人們能夠有效預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)電離層等離子體泡結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的理論基礎(chǔ).因此, 對(duì)于電離層等離子體泡結(jié)構(gòu)的研究, 具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值及科學(xué)意義.

電離層F層等離子體泡主要是Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性導(dǎo)致的[1?3], 而其觸發(fā)機(jī)制主要是由于電場(chǎng)[4?5]、中性風(fēng)[4]或者重力波[6?7]等因素在電離層F層底部產(chǎn)生初始擾動(dòng).Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性可以用來(lái)解釋電離層F層底部的等離子泡的產(chǎn)生, 但是F層頂部的等離子泡結(jié)構(gòu)卻無(wú)法用Rayleigh-Taylor的線性理論來(lái)解釋, 因?yàn)樵陔婋x層F層頂部其線性理論是穩(wěn)定狀態(tài), 不會(huì)產(chǎn)生等離子體泡結(jié)構(gòu).因此非線性的數(shù)值模擬研究成為研究等離子體泡結(jié)構(gòu)演化的重要手段.Scannapieco和Ossakow[8]首次利用非線性數(shù)值模擬方法研究了等離子體泡從電離層F層底部發(fā)展到其頂部的演化過(guò)程.此后, 國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者開(kāi)展了電離層F層中等離子體泡的非線性數(shù)值模擬研究.Zalesak和Ossakow進(jìn)一步研究了不同擾動(dòng)尺度[9],中性風(fēng)和背景佩德森電導(dǎo)率[10]對(duì)擴(kuò)展F發(fā)展的影響.Sekar等[4]模擬了垂直中性風(fēng)和電場(chǎng)對(duì)赤道擴(kuò)展F發(fā)展的影響.謝紅和肖佐[11]模擬了中低緯地區(qū)擴(kuò)展F的發(fā)展過(guò)程, 認(rèn)為Rayleigh-Tyalor不穩(wěn)定性和東向電場(chǎng)一起作用可以成為中低緯擴(kuò)展F發(fā)展的一種機(jī)制.Huang和Kelley[7]模擬了重力波對(duì)赤道擴(kuò)展F的影響, 并引入了二維電子密度的擾動(dòng).高澤等[12]模擬了一維電子密度擾動(dòng)的不同波長(zhǎng)對(duì)擴(kuò)展F的影響.近年來(lái), 用來(lái)研究擴(kuò)展F的三維數(shù)值模型也發(fā)展了起來(lái), 比較著名的有SAMI3/ESF[13]和 high-resolution bubble(HIRB)模型[14].有關(guān)赤道等離子體泡模擬研究的詳細(xì)進(jìn)展可以參考相關(guān)文獻(xiàn)綜述[15].

在對(duì)赤道等離子體泡的模擬研究中, 通常的做法是提供一個(gè)初始電子密度擾動(dòng)以激發(fā)Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性.之前的模擬研究主要是利用一維的電子密度擾動(dòng), 很少有提供二維電子密度擾動(dòng)的模擬研究.對(duì)于等離子體泡的非線性模擬研究,其初始擾動(dòng)條件對(duì)形態(tài)結(jié)構(gòu)的發(fā)展存在很大的影響, 因此初始電子密度的一維擾動(dòng)和二維擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致等離子體泡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的差異.SAMI3模型在研究赤道擴(kuò)展F時(shí), 采用了二維高斯擾動(dòng)電子密度[13], 二維電場(chǎng)行進(jìn)式擾動(dòng)模型[16]和二維中性風(fēng)擾動(dòng)模型[17].HIRB模型使用的是一維正弦電子密度擾動(dòng)[14].Huang和Kelley[7]利用重力波作為激發(fā)源, 提供了二維電子密度擾動(dòng), 即重力波引起的電離層行進(jìn)式擾動(dòng)(traveling ionosphere disturbances, TIDs), 其水平擾動(dòng)參數(shù)和垂直擾動(dòng)參數(shù)是存在一定的關(guān)聯(lián)的[18?21].本文結(jié)合實(shí)際擾動(dòng)情況, 利用TIDs模型給出的電子密度的二維初始擾動(dòng), 研究其對(duì)赤道等離子體泡結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)展的影響.此外, 除了背景中性風(fēng)和電場(chǎng), 電子離子的復(fù)合率也會(huì)對(duì)等離子體泡的發(fā)展過(guò)程產(chǎn)生重要影響[22].由于電離層F層夜晚所處高度較高, 其化學(xué)復(fù)合率很小[23], 所以一般認(rèn)為F層等離子體主要以輸運(yùn)過(guò)程為主.根據(jù)前人的研究結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)部分學(xué)者完全忽略了夜晚F層的化學(xué)復(fù)合[10], 即在模擬過(guò)程中化學(xué)復(fù)合率設(shè)置為0[10], 來(lái)模擬等離子體泡激發(fā)的過(guò)程, 而有部分學(xué)者的研究工作則考慮了夜晚F層化學(xué)復(fù)合過(guò)程, 引入了等離子體的復(fù)合系數(shù)[9].鑒于此, 本文通過(guò)引入不同量級(jí)的復(fù)合系數(shù)來(lái)研究不同復(fù)合率對(duì)等離子體泡形態(tài)發(fā)展的影響.

2 基本理論

2.1 TIDs擾動(dòng)模型

在本文中, (1)式用來(lái)表示由TIDs擾動(dòng)引起的二維電子密度初始擾動(dòng).

其中,N0表示背景電子密度,A表示 TIDs的擾動(dòng)幅度,kx表示水平波數(shù),kz表示垂直波數(shù),?0是擾動(dòng)的初始相位.

電離層可以認(rèn)為是大氣重力波擾動(dòng)的被動(dòng)示蹤物, Lanchester等[24]和 Miyoshi等[25]的相關(guān)工作表明, 通過(guò)大氣重力波色散關(guān)系來(lái)計(jì)算TIDs的相關(guān)參數(shù)是可行的.因此, 在 TIDs擾動(dòng)過(guò)程中, 當(dāng)垂直波長(zhǎng)小于等于500 km時(shí)[20], 本文TIDs擾動(dòng)的垂直波長(zhǎng)和水平波長(zhǎng)可以近似用(2)式[18]表示.

其中,ω表示擾動(dòng)角頻率,ωg表示 Brunt-Vaisala頻率 (在本文中,ωg約等于 2π/(14min)[26],λx表示水平波長(zhǎng),λz表示垂直波長(zhǎng).

在本文中, 只需要提供TIDs的周期和水平波長(zhǎng)即可計(jì)算二維電子密度的初始擾動(dòng)狀態(tài), 然后利用初始擾動(dòng)的電子密度作為模擬非線性等離子體泡發(fā)展的初始背景電離層.

2.2 等離子體泡理論模型

等離子體泡的非線性發(fā)展過(guò)程主要由電子和離子的連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程以及電流連續(xù)性方程控制.在電離層 F 層區(qū)域, 假設(shè)只存在 O+離子, 忽略壓力項(xiàng), 則整個(gè)方程表示如下所示[15]:

其中,N表示電子或者離子密度, 在準(zhǔn)中性條件下,N=Ne=Ni;V表示電子或者離子的速度;νR表示電子或離子復(fù)合系數(shù);N0表示背景電子密度;Me和Mi分別表示電子和離子的質(zhì)量;Ve和Vi分別表示電子和離子的速度;E表示電場(chǎng),E=E0??φ,E0是背景電場(chǎng),φ是擾動(dòng)電勢(shì);表示背景磁場(chǎng)強(qiáng)度;U表示中性風(fēng)速;υen和υin分別表示電子和離子與中性氣體分子的碰撞頻率;g表示重力加速度;q表示單位電荷;J表示總的電流密度.

在本文的數(shù)值模擬中, 暫不考慮中性風(fēng), 并且忽略方程(4-5)的慣性項(xiàng)(方程等式左邊項(xiàng)為0)[15],則可計(jì)算得到電子和離子速度.

把電子和離子速度代入方程(3)和(6), 并且令E=E0??φ,E0是背景電場(chǎng),φ是擾動(dòng)電勢(shì),則方程可以轉(zhuǎn)化成如下形式:

在本文中, 在磁赤道地區(qū)上空采用直接坐標(biāo)系,x軸表示東西方向, 向東為正,z軸表示垂直方向, 向上為正,y軸表示磁場(chǎng)方向, 向北為正, 只考慮x-z二維平面, 即則方程 (8)和(9)可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成如下形式:

其中,α是本文中引入的一個(gè)復(fù)合率因子系數(shù)α,分別選取不同值 (如:0, 0.01, 0.1 或 1 等), 用來(lái)研究在不同復(fù)合率情況下, 電子離子復(fù)合率對(duì)等離子體泡形態(tài)發(fā)展的影響.在模擬計(jì)算時(shí), 碰撞頻率υin和復(fù)合率νR采用 Zalesak和 Ossakow[9]提供的數(shù)值.

3 模擬與討論

本文利用方程(14-15)對(duì)等離子泡進(jìn)行非線性數(shù)值模擬.在數(shù)值模擬等離子體泡的發(fā)展過(guò)程時(shí),Yokoyama[15]認(rèn) 為 constrained interpolation profile (CIP)方法比常用的FCT方法效果更好,因此本文通過(guò)CIP方法[27]求解方程(14).采用Krylov 子空間方法 biconjugate gradient stabilized(BiCGSTAB)來(lái)求解方程(15), 該方法比常用的SOR方法收斂更快.

圖1所示是本次模擬所采用的背景水平電場(chǎng)的剖面, 類似于 HIRB 模型[14], 在大約 450 km 時(shí),東向電場(chǎng)值開(kāi)始指數(shù)衰減.圖2所示是本次模擬采用的背景電子密度剖面, 圖3所示是存在TIDs擾動(dòng)時(shí)的二維電子密度, 其中TIDs的水平波長(zhǎng)為300 km, 周期為 40 min, 這是一個(gè)典型的中尺度TIDs.本文利用圖3所示的二維電子密度作為非線性模擬的初始電子密度結(jié)構(gòu).為了和一維電子密度擾動(dòng)進(jìn)行比較, 本文將同時(shí)模擬波長(zhǎng)為300 km,周期為40 min的正弦擾動(dòng)下等離子體泡的發(fā)展過(guò)程.

在模擬過(guò)程中,x軸和z軸網(wǎng)格點(diǎn)同為201個(gè),網(wǎng)格間距均為2 km, 垂直方向的起始高度為250 km, 時(shí)間步長(zhǎng)為 0.5 s, 水平方向采用周期邊界條件, 垂直方向邊界條件采用?N/?z=0 和?φ/?z=0.

圖2 背景電離層電子密度剖面Fig.2.Electron density profile in the background ionos phere.

圖3 存在 TIDs(波長(zhǎng)為 300 km, 周期為 40 min)擾動(dòng)的背景電離層Fig.3.Background ionosphere with TIDs (horizontal wavelength is 300 km and period is 40 min).

3.1 正弦擾動(dòng)激發(fā)等離子體泡

圖4—6 所示是波長(zhǎng)為 300 km, 周期為 40 min的正弦擾動(dòng)激發(fā)的等離子體泡的發(fā)展過(guò)程, 該擾動(dòng)屬于一維(x軸方向)電子密度擾動(dòng), 分別對(duì)應(yīng)復(fù)合率因子α為 1, 0.1 和 0.01 的模擬結(jié)果.根據(jù)線性Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)率, 光化學(xué)復(fù)合率越大, 增長(zhǎng)率越小[22].從圖4—6 可知, 當(dāng)α=1時(shí), 等離子體泡發(fā)展到 450 km, 大約需要 1900 s;當(dāng)α=0.1 , 則需要 1750 s; 當(dāng)α=0.01 時(shí), 等離子體泡所需時(shí)間最短, 大約需要 1700 s 即可.非線性的模擬結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了復(fù)合率對(duì)等離子體泡增長(zhǎng)率的貢獻(xiàn).另外, 從圖4—6 可知, 電子密度的一維正弦擾動(dòng)所激發(fā)的等離子體泡是東西對(duì)稱的[8?9],而復(fù)合率并不會(huì)明顯影響該擾動(dòng)下的等離子體泡的形態(tài)特征.但是實(shí)際觀測(cè)結(jié)果顯示等離子泡是東西非對(duì)稱性的, 為了研究等離子體泡的東西非對(duì)稱性, Zalesak 等[10]引入了背景中性風(fēng), 模擬結(jié)果顯示水平東向中性風(fēng)會(huì)導(dǎo)致等離子體泡向西偏轉(zhuǎn).但是, 電子密度的一維擾動(dòng)是不符合實(shí)際擾動(dòng)情況的, 這對(duì)認(rèn)識(shí)等離子體泡的激發(fā)過(guò)程很有幫助, 而對(duì)于等離子泡的結(jié)構(gòu)形態(tài)研究, 則顯得過(guò)于簡(jiǎn)單.本文下一節(jié)將重點(diǎn)討論TIDs所激發(fā)的等離子體泡的發(fā)展過(guò)程.

圖4 α=1 時(shí)一維正弦擾動(dòng)產(chǎn)生等離子體泡的發(fā)展過(guò)程Fig.4.Evolution of plasma bubbles caused by one dimensional disturbance with α=1.

圖5 α=0.1 時(shí)一維正弦擾動(dòng)產(chǎn)生等離子體泡的發(fā)展過(guò)程Fig.5.Evolution of plasma bubbles caused by one dimensional disturbance with α=0.1.

圖6 α=0.01 時(shí)一維正弦擾動(dòng)產(chǎn)生等離子體泡的發(fā)展過(guò)程Fig.6.Evolution of plasma bubbles caused by one dimensional disturbance with α=0.01.

3.2 TIDs激發(fā)等離子體泡

為了研究二維電子密度擾動(dòng)對(duì)激發(fā)等離子體泡的影響, 本文引入了簡(jiǎn)單的TIDs模型.本文中的TIDs模型與Huang和Kelley[7]工作中最大的區(qū)別是根據(jù)實(shí)際情況, 利用大氣重力波的色散關(guān)系給出了TIDs的垂直波長(zhǎng)和水平波長(zhǎng)之間的關(guān)系.圖7—圖8所示是由TIDs激發(fā)產(chǎn)生的等離子體泡的發(fā)展過(guò)程, 其對(duì)應(yīng)的復(fù)合率因子α分別為1和0.1.由圖7—圖8可知, 相比較一維擾動(dòng)激發(fā)等離子體泡的生成速度, 二維擾動(dòng)激發(fā)等離子體泡的速度較慢.根據(jù)Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性的線性增長(zhǎng)率, Huang和Kelley[7]計(jì)算得到一維擾動(dòng)和二維擾動(dòng)增長(zhǎng)率的比值關(guān)系其中k x和kz分別表示x軸和z軸方向上的擾動(dòng)波數(shù).從二者的比值可知, 等離子體泡一維擾動(dòng)的線性增長(zhǎng)率大于二維擾動(dòng)的情況, 并且當(dāng)x方向的波長(zhǎng)比z方向的波長(zhǎng)越大, 二維擾動(dòng)下的等離子泡的增長(zhǎng)速度越慢.當(dāng)α=1 時(shí), 從圖7 可知, 除了背景電子密度東西不對(duì)稱外(由于TIDs擾動(dòng)所致), 等離子體泡結(jié)構(gòu)基本上是東西對(duì)稱的.但是當(dāng)α=0.1 時(shí), 等離子體泡在上升到峰值高度附近時(shí)(大約為450 km),其結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)分叉現(xiàn)象 (圖8 中t= 2400 s).當(dāng)t= 2500 s時(shí), 等離子體泡的分叉結(jié)構(gòu)更加明顯,其結(jié)構(gòu)也存在東西不對(duì)稱性.針對(duì)等離子體泡結(jié)構(gòu)的分叉現(xiàn)象, Huang和Kelley[7]通過(guò)重力波引入中性風(fēng)的擾動(dòng), 在沒(méi)有初始電子密度擾動(dòng)的情況下模擬出了等離子體泡的分叉結(jié)構(gòu), Zalesak等[10]在考慮了背景E層電導(dǎo)率的情況下, 也模擬出等離子泡的分叉結(jié)構(gòu), 但是其分叉結(jié)構(gòu)是東西對(duì)稱的.圖7和圖8的對(duì)比結(jié)果表明, 等離子體的復(fù)合率對(duì)等離子體泡的結(jié)構(gòu)存在重要的影響.在二維等離子體泡的非線性模擬過(guò)程中, 電子離子化學(xué)復(fù)合率的選取可能是個(gè)比較重要的過(guò)程, 盡管對(duì)等離子體泡的生成影響不大, 但是對(duì)其結(jié)構(gòu)特征具有明顯的影響.

圖7 α=1 時(shí) TIDs 產(chǎn)生等離子體泡的發(fā)展過(guò)程Fig.7.Evolution of plasma bubbles caused by TIDs with α=1.

圖8 α=0.1 時(shí) TIDs 產(chǎn)生等離子體泡的發(fā)展過(guò)程Fig.8.Evolution of plasma bubbles caused by TIDs with α=0.1.

圖9 α=0.01 時(shí) TIDs 產(chǎn)生等離子體泡的發(fā)展過(guò)程Fig.9.Evolution of plasma bubbles caused by TIDs with α=0.01.

圖10 α=0 時(shí) TIDs 產(chǎn)生等離子體泡的發(fā)展過(guò)程Fig.10.Evolution of plasma bubbles caused by TIDs with α=0.

進(jìn)一步研究電子離子復(fù)合率對(duì)等離子體泡結(jié)構(gòu)特征的影響.圖9—圖10所示分別是α=0.01 和α=0時(shí), TIDs激發(fā)產(chǎn)生等離子體泡的過(guò)程.從圖9的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn), 從t= 2000 s的模擬結(jié)果開(kāi)始,在較大尺度的等離子體泡內(nèi)部, 存在很多較小的等離子體泡結(jié)構(gòu).Huang和 Kelley[7]與 Yokoyama等[28]的模擬結(jié)果中也存在大尺度結(jié)構(gòu)內(nèi)部的多個(gè)小尺度等離子體泡結(jié)構(gòu), 但是上述結(jié)果是通過(guò)人為加入小尺度擾動(dòng)產(chǎn)生的, 而本文出現(xiàn)的小尺度等離子體泡結(jié)構(gòu)并沒(méi)有人為引入小尺度擾動(dòng).圖9中t= 2350 s模擬結(jié)果顯示, 小尺度等離子體泡在發(fā)展過(guò)程中, 其底部出現(xiàn)收縮現(xiàn)象, 這種等離子體泡底部收縮的現(xiàn)象在以前的二維等離子體泡的模擬研究中沒(méi)有出現(xiàn)過(guò), 而在三維的等離子體泡的模擬過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)[14].從圖10的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)等離子體泡的底部收縮現(xiàn)象更加明顯.另外, 圖10的模擬結(jié)果顯示其產(chǎn)生的小尺度等離子體泡結(jié)構(gòu)也比圖9更加豐富, 并且等離子體泡內(nèi)部的電子密度梯度比圖9更大.圖9—圖10的模擬結(jié)果表明, 雖然在電離層底部會(huì)產(chǎn)生大量的小尺度等離子體泡, 但是并不是所有的小尺度結(jié)構(gòu)都能夠發(fā)展演化到電離層頂部, 只有部分等離子體泡結(jié)構(gòu)才能夠最終抬升到電離層頂部.這主要是在等離子體泡的非線性演化過(guò)程中, 等離子體泡周圍極化電場(chǎng)方向的不一致性導(dǎo)致的, 如果等離子體泡周圍的極化電場(chǎng)方向一直是東向的, 則促進(jìn)其發(fā)展, 如果在非線性演化過(guò)程中, 其周圍極化電場(chǎng)轉(zhuǎn)化成西向的, 則會(huì)抑制其進(jìn)一步發(fā)展.從圖9—圖10的模擬結(jié)果看, 在二維等離子體泡的模擬過(guò)程中, 選取比以前工作[9]更低的電子離子化學(xué)復(fù)合率, 似乎更符合實(shí)際情況.

在一維擾動(dòng)情況下, 由于電子密度擾動(dòng)以及產(chǎn)生的極化電場(chǎng)左右對(duì)稱, 而且復(fù)合率在水平方向上分布均勻, 因此在這種情況下, 其對(duì)等離子體泡的形態(tài)基本沒(méi)有影響.在二維擾動(dòng)情況下, 雖然復(fù)合率在水平方向上依然是均勻分布的, 但是電子密度擾動(dòng)以及產(chǎn)生的極化電場(chǎng)不再水平對(duì)稱, 因此其導(dǎo)致等離子體泡結(jié)構(gòu)也不再水平對(duì)稱, 特別是在化學(xué)復(fù)合率很小的情況下, 等離子體泡的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)更加明顯.由于等離子體泡發(fā)展的模擬過(guò)程是非線性的, 因此只能定性的解釋這種不對(duì)稱的物理特性.

4 結(jié) 論

本文模擬了TIDs激發(fā)產(chǎn)生的赤道等離子體泡的非線性發(fā)展過(guò)程, 在TIDs的模型中引入擾動(dòng)的水平和垂直方向的參數(shù)相關(guān)性, 以使擾動(dòng)更接近真實(shí)狀態(tài).從模擬結(jié)果得出主要結(jié)論如下:

1)在一維電子密度擾動(dòng)情況下, 電子離子復(fù)合率對(duì)等離子體泡的結(jié)構(gòu)形態(tài)基本不產(chǎn)生影響, 但是對(duì)等離子體泡的生成速度有較大影響, 模擬過(guò)程的復(fù)合率越小, 等離子泡的發(fā)展速度越快.

2) TIDs產(chǎn)生等離子體泡的模擬結(jié)果表明, 二維電子密度擾動(dòng)產(chǎn)生等離子體泡的速度要慢于一維電子密度擾動(dòng)的情況.電子離子的復(fù)合率對(duì)二維擾動(dòng)產(chǎn)生的等離子體泡的結(jié)構(gòu)有重要的影響.復(fù)合率越大, 等離子體泡的結(jié)構(gòu)越單一.當(dāng)復(fù)合率較小時(shí), 能夠產(chǎn)生等離子體泡的分叉結(jié)構(gòu), 以及各種小尺度的等離子體泡結(jié)構(gòu).同時(shí), 本次數(shù)值計(jì)算可以模擬等離子體泡底部收縮現(xiàn)象, 這種現(xiàn)象在三維模擬中可以觀測(cè)到, 但是在以前的二維模擬工作中沒(méi)有報(bào)道過(guò).另外, 該模擬結(jié)果表明, 不是所有的等離子體泡都能夠發(fā)展到電離層頂部, 只有當(dāng)其周圍的極化電場(chǎng)方向一直保持為東向時(shí), 才能夠促使底部等離子體泡進(jìn)一步抬升到電離層頂部.基于上述模擬結(jié)果, 我們認(rèn)為在二維等離子體泡的模擬計(jì)算中, 相比較以前工作中的結(jié)果, 較小的電子離子復(fù)合率可能更加符合實(shí)際情況.