極區夏季中層頂塵埃電漿加熱效應的理論研究

《極區夏季中層頂塵埃電漿加熱效應的理論研究》是依託電子科技大學,由李海龍擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：極區夏季中層頂塵埃電漿加熱效應的理論研究
• 依託單位：電子科技大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李海龍

項目摘要

極區中層頂區域屬於塵埃電漿範疇，在夏季出現異常強大的雷達回波，即極區中層夏季回波（PMSE），這表明中層頂區域的大氣環境對無線電通信系統構成極大的影響，而且該區域加熱將引起回波信號的強烈變化。本項目的研究將帶動塵埃電漿的發展，極區電離層加熱的實際套用奠定基礎。本項目的目標是，研究極區各向異性塵埃電漿的性質，利用塵埃等離子理論進一步探討PMSE產生機理，分析加熱PMSE的過充現象以及對通信的影響。主要研究內容包括：（1）加熱狀態下極區中層頂塵埃電漿的電磁特性研究，分析在開始加熱和停止加熱瞬間塵埃電漿的動力學過程；（2）極區中層頂加熱時PMSE回波特性的研究，主要包括加熱對PMSE的影響，加熱過程過沖現象的成因，加熱過程PMSE塵埃層對GPS和北斗衛星導航系統信號的影響等。

結題摘要

本課題主要是開展極區中層頂區域異常回波在常規雷達觀測和加熱時雷達觀測結果的理論研究。本課題組得到在發生電子吞噬區域的極區中層頂塵埃電漿的介電係數。並計算得到不同頻段下極區中層頂的塵埃電漿電磁散射情況。前期研究已經得到PMSE雷達體反射率與頻率的四次方成反比，，現根據最近幾年的全球多個不同緯度、不同經度雷達站的測量數據，進一步補充驗證了該結論的正確性。另外根據分層反射理論，編制分層反射程式，得到反射率與觀測頻率的內在關係。同時利用分層反射理論開展了PMSE的塵埃層對全球定位系統GPS和北斗導航系統信號的影響，PMSE塵埃層對對應頻段的信號造成一定的影響，加熱時回波將會更弱。如需在南北極地區當地夏季精確定位，需特別考慮PMSE塵埃層對信號衰減的影響。 極區中層頂區域的塵埃粒子大小及所帶電荷問題一直是困擾科學界的一個重要而基本的問題，我們提出了一種簡單易行的科學計算方向，初步得到了極區中層頂區域的塵埃粒子半徑及所帶電荷，塵埃粒子平均半徑大約是20nm，平均所帶電荷約為0.5到1個。理論分析也發現，當人工加熱，電子溫度提升時，塵埃粒子所帶電荷也適當增加。通過最近開展的PMSE加熱實驗分析，在大部分的加熱實驗觀測中，會觀測到明顯的過沖現象，但通過分層精細分析，發現部分實驗時刻，加熱瞬間PMSE回波強度並不減弱或消失，有時回波強度保持不變甚至有增強的趨勢，與國外的最新的理論和實驗結果一致，課題組所得到的實驗結果為我國獨立開展PMSE觀測提供了數據基礎。 為了解釋PMSE雷達回波的真正機理，本課題組也在歐洲開展了PMSE方向敏感性的實驗。實驗時間選在了七月份，每天的國際時間11：00-13：00，這分別是發生PMSE最頻繁的季節和每天PMSE出現最穩定的時間段。我們選取13日至16日四天的結果進行總體統計，得到回波強度在不同仰角的分布情況。從整體上看，回波強度對仰角具有一定的依賴性，或者說具有明顯的方向敏感性，回波最強的角度為86°，82°和78°，然後是90°和84°。實驗也可以確認PMSE現象不完全由湍流機制引起的，PMSE塵埃層的反射可能是最主要的機制。