电离层加热中参量不稳定性的理论和实验研究

发布时间：2017-12-13 12:10

  本文关键词：电离层加热中参量不稳定性的理论和实验研究

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【摘要】：在大功率电波加热电离层试验中,很多试验现象都与参量不稳定性存在直接或间接的联系,包括增强等离子体谱线和增强离子谱线、增强气辉、等离子体波的激发、小尺度场向不均匀体的形成,电波的反常吸收,受激电磁辐射等等。电离层是非线性的电介质,并存在着高频和低频的等离子体振荡模式,这些振荡模式互相参量地耦合在一起。当大功率高频无线电波进入电离层等离子体时,参量耦合效应使得大功率高频无线电波作为泵波可以同时激励出高频和低频等离子波。从20世纪50年代以来,参量不稳定性的理论和实验研究便一直是电离层加热的研究热点之一。随着众多电离层加热实验和加热计划的相继实施,新的实验现象的出现仍然要求对目前已有的参量不稳定性理论进行发展。目前已有的参量不稳定性理论并没有包括泵波电场对等离子体直接作用在参量不稳定性激励过程中的作用,也不能解释近期利用欧洲非相干散射协会(European Incoherent Scatter Scientific Association, EISCAT)位于Troms(?)的加热设备进行X波模加热实验中激励参量不稳定性的现象。基于此本文对电离层加热试验中的参量不稳定性激励过程进行了深入研究,研究的主要内容和成果包括以下几个方面：1.0波电离层加热实验中参量不稳定性和热参量不稳定性色散关系的建立。从参量不稳定性色散关系中可以看到参量不稳定性的激励归因于有质动力和泵波电场对电子的直接作用。热参量不稳定性的色散关系表明其激励的驱动力来自泵波场的直接扰动,泵波场驱动的非振荡电流项,非线性洛伦兹力和本地欧姆加热效应；其中非线性洛伦兹力即非磁化等离子体中的有质动力项,本地欧姆加热效应是由高频等离子波场中的电子能量损耗引起的。在电离层加热试验中,本地欧姆加热效应在激励热参量不稳定性的过程中所起的作用远超过非线性洛伦兹力。2.从色散关系出发得到了参量不稳定性的阂值场和增长率。从阈值场的表达式来看,参量不稳定性的阈值场与电子有效碰撞频率、泵波频率以及离子声速成正比。参量不稳定性的阈值场还和被激励的朗缪尔波的传播方向相关,当被激励的朗缪尔波的传播方向与磁场方向平行或者反平行时,阈值场达到最小。参量衰减不稳定性的阈值场不仅是与电子有效碰撞频率有关,还与离子有效碰撞频率成正比,同时参量衰减不稳定性的阈值场还与被激励出来的朗缪尔波的波数成反比。对于参量不稳定性的增长率,泵波的有效辐射功率越大,对应的增长率也越大；由于振荡双流不稳定性的低频波是纯增长模式,故此其增长率与电子的有效碰撞频率成正比；而参量衰减不稳定性的增长率则与电子和离子有效碰撞频率成正比。本文建立的阂值场和增长率的模型可以解释加热试验的观测现象。3.本文得到了热参量不稳定性激励的阈值场和增长率的表达式。对于热参量衰减不稳定性,其阈值场与被激励出来的等离子体波的频率成正比,与电子碰撞频率和离子碰撞频率成正比,随着电子温度的升高而降低,与被激励出来的等离子体波的波数成反比。热参量衰减不稳定性能够激励的小尺度场向不均匀体的最大尺度取决于泵波的有效辐射功率,而由于电子朗道阻尼对低混杂波的影响,为小尺度场向不均匀体建立的了一个最大的可能波数。热参量衰减不稳定性的增长率与泵波有效辐射功率、电子和离子碰撞频率成正比。对于热振荡双流不稳定性而言,其阂值场与泵波的频率、离子声速、电子碰撞频率、电子温度、被激励出的上混杂波的波数等都有一定的关系。热振荡双流不稳定性的阈值场与上混杂波的波数成正比,因此激励出的场向不均匀体的尺度越小所需要的泵波功率就越大。热振荡双流不稳定性激励的小尺度不均匀体的特征尺度范围由泵波功率决定最小尺度,增长率决定最大尺度。利用本文得到的阈值和增长率表达式得到的计算结果与实验观测结果吻合。4.非寻常极化(X波)高频电磁波加热电离层试验中激励参量不稳定性的理论和实验研究。首先本文对EISCAT进行X波电离层加热实验中增强等离子体谱线和增强离子谱线的观测数据进行了分析,证明了X波模泵波在靠近其反射高度处激励了参量不稳定性。其次建立了沿磁力线入射的X波在电离层加热试验中激励参量不稳定性的色散关系,需要注意的是本文中X波模激励参量不稳定性产生的朗缪尔波是沿着磁力线传播的。色散关系表明参量不稳定性的激励主要归因于有质动力和泵波对电子的直接作用。X波模激励参量不稳定性需要泵波电场中有平行电场分量。最后得到了X波激励参量不稳定性的平行阈值场和增长率的表达式。参量不稳定性的平行阈值场与电子有效碰撞频率和离子有效碰撞频率、泵波频率以及离子声波的波速成正比；与被激励出来的朗缪尔波的波数成反比。而对于振荡双流不稳定性而言,其平行阈值场与电子有效碰撞频率、泵波频率以及离子声波的波速成正比。对于参量不稳定性的增长率与泵波的有效辐射功率和电子有效碰撞频率成正比,同时参量衰减不稳定性的增长率还与离子有效碰撞频率成正比。5.对X波激励参量不稳定性的条件进行了分析和解释。首先本文结合实验观测证明在X波模反射高度附近,频率匹配条件能够得到满足,本文建议采用朗缪尔波在磁化等离子体中的完全色散关系来解释这一现象。其次本文还对X波模泵波在电离层中的传播进行了模拟,结果显示电离层中的非均匀结构会显著影响X波模泵波电场的分布：水平均匀分层的电离层结构就能够使得大功率X波模的平行电场分量满足参量衰减不稳定性的激发阈值；电离层中如果存在尺度～1km的水平密度不均匀结构,X波的平行电场分量就能够激发振荡双流不稳定性。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P352

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本文编号：1285091