大功率电波加热电离层的参量不稳定性分析

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当大功率高频电波注入电离层时,会产生一系列物理现象,如增强等离子体谱线(HFPLs)、增强离子谱线(HFILs)、增强气辉,小尺度场向不均匀体,异常吸收以及受激电磁辐射等等,这些现象都与参量不稳定性有密切的联系。从1950s年代开始,科学家对于参量不稳定性的理论和实验研究十分注重,目前为止,仍有许多实验现象无法用现有的理论解释。另外,由于用GUISDAP软件计算电子密度电子温度等参数时,常会出现数据缺失的情况,对此,我们采用RTG软件输出的离子谱线来反演各项参数以补全数据。本文利用EISCAT的两次加热数据,结合非相干散射雷达参数反演原理对实验现象进行了分析,分析结果如下:1、四倍回旋共振加热实验加热期间,反射高度附近出现了电子温度、电子密度、离子声波谱线以及频率增加和频谱扩展的等离子体谱线的大幅增强现象,基于已有的理论分析发现:(1)朗缪尔波散射低混杂密度扰动以及Zakharov模型下的朗缪尔湍动(strong Langmuir Turbulence,SLT)理论不足以解释频率增加和频谱扩展的等离子体谱线增强现象,但数据表明加热产生的超热电子是这种等离子体谱线形成的重要原因;(2)反射高度附近的电子温度随泵波频率的变化主要由高混杂波的第二截止频率导致,此外,这一理论也为第三周期中欠密加热情况下观测到由参量衰减不稳定性激发的增强等离子体谱线和离子谱线提供了理论解释;(3)实验中电子密度、电子温度同时出现3~4倍的增强,且伴随着离子谱线异常增强的现象表明参量不稳定性激发的朗缪尔湍动在电子加速和超热电子形成过程中扮演重要角色。2、O波和X波交替加热电离层实验中,观测到的增强等离子体谱线频率fL,增强离子谱线频率fia以及泵波频率fh并不是简单的满足参量衰减不稳定性的频率匹配关系,而是出现了fL=fh-fia以及fL=fh-5fia等匹配关系,定量分析认为这是加热过程中发生串级(cascade)过程。通过对比GUISDAP软件处理得到的电子密度和由RTG软件反演得到的电子密度,发现反射高度附近电子密度的增强现象并不是真实的电子密度增加,而是由参量衰减不稳定性造成的增强离子谱线导致的。此外,X波加热期间,电子密度在反射高度直到雷达探测极限高度范围内均有增强,分析发现这种电子密度的增强现象也不是真实的电子密度增强,而是由于某种物理机制导致离子谱线或者雷达后向散射增强导致的,目前为止,这一现象需要进一步的研究。
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