（等离子体物理专业论文）极区中间层尘埃等离子体局域结构的研究.pdf

摘要 摘要 极区中间层夏日回波( p m s e ) 是发生在夏日时节极区中间层顶( 8 0 - 9 0 k m ) 的强雷达回波现象。在过去的三十年中，p m s e 现象吸引了很多人的注意。目前， p m s e 现象被普遍认为是电子数密度的局域不规则结构所导致。但是，其中的物 理机制仍然存在疑问。 由于大气环流，中层项通常存在充沛的水汽，而夏季极区中层项是地球上全 年温度最低的地方，水汽通常凝结成大量冰晶颗粒。这些冰晶对电子数密度的局 域结构影响很大。一方面，在中间层环境中，冰晶通常会因电子依附而带上负电 荷，从而降低自由电子的数密度。另一方面，冰晶质量较大，则可能降低电子扩 散进而影响电子数密度不规则结构的形成和持续时间。 针对p m s e 问题，本论文探讨并研究了典型中间层尘埃等离子体中可能存在 的小尺度局域结构。我们首先建立了包含电子、离子和冰晶的一维流体模型。其 中，冰晶视为带负电荷的背景，以重力和摩擦力相平衡的收尾速度运动。在此运 动坐标系下，我们研究了电子和离子的扩散过程及其所形成的等离子体密度和电 场等空间局域结构，然后数值分析冰晶数密度分别为常数和存在扰动情况下的局 域结构问题，并讨论了不同尘埃等离子体参数对此结构的影响。 研究表明，当冰晶数密度不变时，电子( 离子) 数密度存在小尺度结构，其 特征长度( 标长) 为米的数量级，与 f 雷达波的波长相当，这对形成雷达波的 强反射有利，能够用来解释回波现象。在小尺度结构中，电子数密度都是快速衰 减趋近于零，而离子数密度则衰减至与冰晶数密度相等；较高的冰晶数密度、较 弱的边界电场和较小的冰晶半径都会减弱等离子体局域结构，但合理的局域结构 则要求大致为1 0 0 0 c m 3 的冰晶数密度和1 0 m v m 以下的弱边界电场。当冰晶数 密度存在扰动时，等离子体结构的总体轮廓与不存在扰动的情况类似，但在此基 础上叠加了周期性振荡并出现多层结构。在此振荡结构中，冰晶数密度扰动幅度 越强时，电子( 离子) 数密度的振荡就越强，分层结构越明显；冰晶数密度扰动 的空间周期尺度越小时，电子( 离子) 数密度振荡的空间周期尺度也越小。简而 言之，无论冰晶数密度存在扰动与否，本文研究的局域结构与一些观测事实相符 合，有助于解释p m s e 现象。 a b s t r a c t p o l a rm e s o s p h e r es u m m e re c h o e s ( p m s e ) ，ak i n do fs t r o n gr a d a rb a c k s c a t t e r f r o mt h ep o l a rm e s o p a u s er e g i o n ( 8 0 - 0 0 k m ) d u r i n gt h es u m m e rt i m e ，h a sa t t r a c t e da g r e a td e a lo fi n t e r e s ti nt h el a s tt h i r t yy e a r s i ti sa c c e p t e dt o d a yt h a tp m s ea r er a d a r e c h o e sd e t e r m i n e db yt h el o c a ls t r u c t u r e so ft h ee l e c t r o nn u m b e rd e n s i t y , y e tt h e m e c h a n i s mr e m a i n sa no p e nq u e s t i o n t h ea b u n d a n tw a t e rv a p o rf r o ms u m m e ra t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o ni s e a s i l y c o n d e n s e dt oi c ep a r t i c l e si nt h ep m s el a y e rb e c a u s eo fe x t r e m e l yl o wt e m p e r a t u r e t h e r e t h e s ei c ep a r t i c l e sa r eb e l i e v e dt oa f f e c tt h el o c a ls t r u c t u r e 8o ft h ee l e c t r o n n u m b e rd e n s i t yg r e a t l yo no n eh a n d ，i c ep a r t i c l e sa r eu s u a l l yn e g a t i v e l yc h a r g e db y t h ea t t a c h m e n to fe l e c t r o ni nm e s o s p h e r i ce n v i r o n m e n t , a n dt h u sr e d u c et h en u m b e r d e n s i t yo ff r e ee l e c t r o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h er e l a t i v e l yh e a v ym a s so fi c ep a r t i c l e s m i g h ta l s oi n f l u e n c et h ef o r m a t i o na n dl i f et i m eo ft h ee l e c t r o nn u m b e rd e n s i t y i r r e g u l a r i t yb yr e d u c i n gt h ed i f f u s i o no fe l e c t r o n 。 i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w es t u d i e da n dd i s c u s s e dt h ep o s s i b l es m a l ls c a l es t r u c t u r e so f t h ep l a s m ad e n s i t i e si nt y p i c a lm e s o s p h e r i cd u s t yp l a s m a s w ef i r s t l ye s t a b l i s h e da o n e - d i m e n s i o n a lf l u i dm o d e lc o n s i s t i n ge l e c t r o n s ，i o n s ，a n dh e a v yi c ep a n i c l e s t h e i c ep a r t i c l e sa c t 嬲an e g a t i v e l yc h a r g e db a c k g r o u n dm o v i n gw i t ht h et e r m i n a l v e l o c i t ya sar e s u l to ft h eb a l a n c eb e t w e e nt h eg r a v i t ya n dn e u t r a la i rf r i c t i o n i nt h i s m o v i n gf l a m e 。w es t u d i e dt h ed i f f u s i o np r o c e s so fi o na n de l e c t r o na sw e l la st h el o c a l s t r u c t u r e so fp l a s m as y s t e ma n de l e c t r i cf i e l dt h e r e i n w et h e nn u m e r i c a l l yd i s c u s s e d t h el o c a lp l a s m as t r u c t u r e sw i t hau n i f o r mn u m b e rd e n s i t ya n dw i t had e n s i t y f l u c t u a t i o no ft h ei c ep a r t i c l e s ，r e s p e c t i v e l y t h ei n f l u e n c eo ft h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r s o ft h ei c ea n d p l a s m ao nt h es t r u c t u r e si sa l s od i s c u s s e d w h e nt h en u m b e rd e n s i t yo fi c ep a n i c l e si su n i f o r m ，s m a l ls t r u c t u r e so fe l e c t r o n ( i o n ) n u m b e rd e n s i t ya r eo b t a i n e d t h es c a l e l e n g t h so ft h es t r u c t u r e sa r eo ft h eo r d e r o fs e v e r a lm e t e r s ，w h i c ha r ec o m p a r a b l ew i t ht h ev h fr a d a rw a v e l e n g t h s t h e r e f o r e ， t h el o c a lp l a s m as t r u c t u r e sc o u l db et h ep o s s i b l ep h y s i c a lm e c h a n i s mi ne x p l a i n i n g h a b s t r a c t r a d a re c h o e si np m s el a y e r s i nt h es m a l ls t r u c t u r e s ，t h ee l e c t r o nd e n s i t yq u i c k l y d r o p st oz e r ob u tt h ei o nd e n s i t yd r o p st ot h ev a l u ee q u a lt ot h a to f t h ei c ep a r t i c l e s i t a l s os h o w sw e a k e rl o c a ls t r u c t u r e su n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g h e rn u m b e rd e n s i t yo f i c ep a r t i c l e s ，w e a k e rb o u n d a r ye l e c t r i cf i e l do rl a r g e ri c ep a r t i c l e s ，r e s p e c t i v e l y h o w e v e r t h ei c ep a r t i c l ed e n s i t ya r o u n d10 0 0 c m 3a n dw e a kb o u n d a r ye l e c t r i c f i l e d l e s st h a nlo m v ma r eg o o dc a n d i d a t e sf o rr e a s o n a b l es t r u c t u r e s w h e nt h en u m b e r d e n s i t yo fi c ep a r t i c l e si sd i s t u r b e d ，t h er e s u l ti n d i c a t e sas i m i l a ro v e r m lp r o f i l eo f p l a s m as t r u c t u r e st ot h o s ei nu n i f o r mn u m b e rd e n s i t yo fi c ep a r t i c l e s h o w e v e r , t h e d i s t u r b e di c ep a r t i c l e sa l s or e s u l t i no s c i l l a t i n ga n dm u l t i - l a y e r e dp l a s m as t r u c t u r e s w h e nt h ep e r t u r b a t i o na m p l i t u d eo fi c ep a r t i c l ed e n s i t yi sl a r g e r , t h eo s c i l l a t i o no f e l e c t r o n ( i o n ) d e n s i t yi s e n h a n c e da n dm u l t i l a y e r e ds t r u c t u r e sa r em o r ee a s i l y o b t a i n e d w h e nt h en u m b e rd e n s i t yo fi c ep a r t i c l e si sd i s t u r b e di nas m a l l e rs p a c e p e r i o d ，t h ee l e c t r o n ( i o n ) d e n s i t yo s c i l l a t e si nac o r r e s p o n d i n gs m a l l e rs c a l e t h e r e s u l t si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ei nag o o da g r e e m e n tw i t hs o m eo b s e r v a t i o n a lf a c t sa n d t h u sc a r lh e l pi ne x p l a i n i n gp m s e i i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：灸美复作者签名：堑坠坠终 签字日期：也z ! ：本 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 d 么开口保密( 年) 作者签名：弧羔益 签字日期：2 边：盔2f 翮躲她 签字日期：兰! ! 璺查! 兰j 第一章综述 1 1 引言 第一章综述 极区中间层夏日回波现象( p o l a rm e s o s p h e r es u m m e re c h o e s ，简称p m s e ) 作 为发生在极区上空8 0 9 0 k m 的强烈雷达回波现象，是等离子体物理研究中的重 要课题。自2 0 世纪7 0 年代末由e c k l u n d 、b a l s l e y 和c z e c h o w s k y 【l 】首次观察到 v h f 波段( 甚高频，3 0 m h z - 3 0 0 m h z ) 的p m s e 现象以来，众多的科研工作者 不断深入地研究了相关问题。比如，p m s e 产生的物理机制，p m s e 与雷达频率 的关系，p m s e 与重力波的关系等等。然而，这些课题涉及多学科的交叉，包括 电离层物理、电波物理、等离子体物理、乃至大气物理和化学物理等，相关的物 理现象和物理知识如此的纷繁杂多，使得p m s e 中的许多问题特别是物理机理仍 然悬而未决。 在p m s e 产生机制上，中间层的电子数密度随高度的分布及其呈现出的不同 空间尺度的结构是人们最为关注的焦点。一般认为，电子数密度的不规则结构可 以有效地散射雷达波；且此不规则结构的尺度应该满足雷达波散射的布拉格条 件，即尺度( 特征高度) 为雷达波半波长的数量级( 例如，5 0 m h z 对应于3 m ) 。问 题是，在中间层区域，如何形成这种小尺度的结构以导致p m s e 现象的发生? 近 3 0 年来，科学工作者着力于解决这个问题，提出了具有代表性的两大类理论， 扰动型和非扰动型。但到目前为止仍然没有令人满意的解释。 值得庆幸的是，有一点科学工作者达成了共识。这就是，p m s e 层存在大量 影响电子数密度的纳米级冰晶。这些冰晶的半径大致在5 5 0 n m ，而且携带电荷， 与电子离子相互作用。最为关键的是，冰晶具有极慢的扩散速度，很可能使相关 的等离子体结构能够维持数十分钟至几小时。这些冰晶颗粒与尘埃等离子体物理 领域所研究的带电尘埃极其相似，促使人们从尘埃等离子体物理的角度去分析和 研究p m s e 现象的成因。 本章针对本论文的工作所涉及的内容，就p m s e 现象的实验观测，理论解释， 以及相关联的尘埃等离子体物理等方面研究作一综述。 第一章综述 1 2p m s e 现象及其简要研究历史 极区中间层夏日回波( p m s e ) 是发生于极区上空8 0 - 9 0 k i n 的强雷达回波现 象，其雷达频率波段范围可从5 0 m h z 到1 2 9 g h z ，通常由v h f ( 甚高频) 或 u h f ( 超高频) 雷达观测。早在2 0 世纪7 0 年代末，e c k l u n d 、b a l s l e y 和c z e c h o w s k y 发现，在a l a s k a 的p o k e rf l a t ( 6 5o n ) 观测点利用5 0 m h z 的雷达，发现源于 8 0 - - 9 0 k m 高空的强雷达回波。此雷达回波的强度( 用信噪比s n r 表征，量纲为 分贝d b ，定义参见附录，) 不仅存在显著的季节性变化，还与高度有关。如图 l 所示，从6 月份到8 月份，雷达回波的信噪比都在1 0 d b 以上，而冬季的回波 强度则小于6 d b 。就高度而言，夏日回波存在位于- 8 6 k m 处的显著峰值，信噪比 高达3 0 d b 。由于此强烈回波现象无法用以前的雷达散射理论来解释，又主要发 生在夏日时节的极区中间层，故被称为极区中间层夏日回波( p m s e ) 。 一 曼 = 言 写 = a v e m c e $ nl d b i 图1 ：典型的雷达回波信噪比随时间和高度的变化图 自从e c k l u n d 等人首次发现p m s e 现象以来，科学研究工作者纷纷对这一显 著的地球物理学现象进行了众多的实验观测和理论研究 2 1 1 3 1 。在实验观测方面， 由于p m s e 的高发生率和强回波信号，人们对p m s e 的观测不仅可以用常规的 雷达基站，也可以是小型的雷达观测系统，如德国马普学会的声测系统 ( s o u s y ) 、美国康奈尔大学的便携式雷达干涉仪( c u p 砒) 。观测事实表明， 第章综述 p m s e 主要呈现以下几个特征：相干型频谱特征，频率依赖性，时令差异，地理 差异，方向敏感性( 详见1 3 1 节) 。此外，观测事实还表明，p m s e 现象与大 气重力波，大气中性风以及夜光云( n l c ) 存在紧密的关联性。其中，夜光云是 由肉眼可见的冰晶( 5 0 n m 左右) 构成，而且紧邻p m s e 发生区域的下层。由于 夜光云与p m s e 层有紧密的共生型，故一般认为夜光云的冰晶可能是p m s e 层 的冰晶( 5 5 0 n m ) 成长沉降所致。这些观测事实为解释p m s e 现象提供了理论 依据。 在理论研究方面，般认为，p m s e 发生的直接原因是中间层大气中自由电 子数密度不规则性导致的布拉格散射。在早期的理论研究中，人们认为仅仅依靠 中性风或重力波就可以形成电子数密度不规则性；但是后来发现，这样形成的尺 度与布拉格散射尺度差距很远。现在的观点则普遍认为，电子数密度不规则性与 中间层存在大小为5 - 5 0 n m 的冰晶有关。相对于电子和离子，冰晶质量大的多， 扩散时间也相对较长，故可以使得电子不规则性长时间存在。由于8 0 - - 9 0 k i n 区 域是地球上已知的最冷区域( t - 1 5 0 k ) ，有利于大气水蒸汽凝结为冰晶。时至今 日，关于p m s e 的发生机制，主要的理论研究可以分为扰动型理论和非扰动型理 论( 参见1 4 节) ，但是这些理论还没有完全解释p m s e 觋象。 事实上，自从1 8 8 5 人们首次发现并研究夜光云以来，夜光云的发生率在近 百年来不断地增加，因而被认为是预示全球大气变化的一个重要标志。这也使得 p m s e 因其与夜光云存在紧密的共生性而成为这些年近地空间研究的热点。 1 3p m s e 现象及中层大气参数的主要观测事实 1 3 1p m s e 现象的主要观测特征 众多的实验观测表明，p m s e 主要呈现以下五个特征：相干型频谱特征，频 率依赖性，时令差异，地理差异，方向敏感性。 1 p m s e 的频谱特征 一般而言，多普勒展宽谱是研究回波现象的重要手段，它可以初步揭示内在 物理机制，比如p m s e 与非相干散射的关系。作为比较，图2 给出了e i s c a t ( e u r o p e a ni n c o h e r e n ts c a r e rs c i e n t i f i ca s s o c i a t i o n ) 测量的电离层非相干散射谱 3 第一章综述 和2 2 4 m h z 的p m s e 谱。图中给出了几个有意思的特征。首先，绝对谱宽揭示 了p m s e 与非相干散射存在完全不同的物理过程：非相干散射是电子布朗运动导 致的，其谱宽在1 0 0 h z 左右；而p m s e 的谱宽至多1 5 h z ，甚至可窄至1 f t z 。而 且，其它观测表明，不论是在甚高频波段( v h f ) ，还是在超高频渡段( u h f ) ， p m s e 的多普勒展宽都比非相干情况窄得多。其次，r o t t g e r 和l a h o z 4 也指出， p m s e 的谱形与非相干散射的洛伦兹谱形也差距甚远。与后者相比，p m s e 谱形 更像是多个窄带谱的叠加或者是一个大幅度的钉形谱叠加上弱的宽带背景谱。他 们甚至认为，p m s e 谱形的这些特征很可能是在雷达束内部( 垂直和水平方向卜2 k m 范围) 多个小的局域散射结构叠加的结果。这些表明，p m s e 不可能是由电 子的随机热运动导致的，而且也不可能存在p m s e 散射体各向同性。 翌少。 = k ”“l i l ”“jk “ 2j u t y i g r t z = 掰h ，j u l y l 晰z 1 日t l l h 图2e i s c a t 测量的非相干散射谱( 左大圈) 和2 2 4 m h z 的p m s e 谱( 右6 小图) ( r j l l g c r 和l a h o z 1 9 9 0 4 1 ) 2 p m s e 的雷达频率依赖性 对雷达回波而言，体散射指数一般定义为单位体积的背向散射f 与入射方向相 反1 截面，所以其量纲是长度量纲的倒数。体散射指数越高，表明散射截面越大。 p m s e 另个观钡4 特征是，体散射指数与探测的雷达渡频率存在显著的关联性。 表1 列出了从甚高频波段( v h f ) 至超高频波段( u h f ) 的1 6 次p m s e 观溺事 实，包含了观测频率、地点和体散射指数。从该表可见，除了k e l l y 和u l w i c k 4 工耍蘑国国圈 第一章综述 ( 1 9 8 8 ) 的观测结果以外，随着雷达频率的不断增大( 或对应的布拉格散射尺度 的递减) ，体散射指数存在量级上的递减趋势。例如，从表中的5 0 m h z ( 1 9 8 1 年) 到5 0 0 m h z ( 2 0 0 1 年) ，雷达频率只增大了一个量级，对应的体散射指数却 衰减了6 个量级。虽然这些观测事实对应于不同的观测地点和观测时间，相对 应的导致p m s e 的中间层环境不尽相同，但还是暗示了p m s e 现象对雷达频率 的强依赖性，即p m s e 的强雷达回波大多发生在v h f 波段，而u h f 波段的p m s e 回波非常微弱。这也预示两种波段的雷达散射可能具有不同的机制。 表l ：p m s e 频率依赖性( r a p p 和l t i b k e n 2 ) 3 p m s e 的时令变化 首先，p m s e 存在季节变化。e c k l u n d 等人( 1 9 8 1 ) 的观测已经初步地揭示 了p m s e 强度在冬季和夏季存在不同。多年份的连续观测进一步地验证了这一 点。图3 是b r e m e r 等人【5 】连续三年时间的p m s e 观测图( 5 3 m h z a l w i n 雷达； a l w i n = a l o m l 恹w i n dr a d a r ；a l o m a r = a r c t i cl i d a ro b s e r v a t o r yf o rm i d d l e a t m o s p h e r er e s e a r c h ) 。如图可见，在任意一个年份里，p m s e 的发生率( 信噪比 s n r 超过1 0 d b ) 都从5 月底6 月初的接近0 迅速攀升至6 月中的9 0 ，然后 维持一个多月，在8 月份又快速地衰减至接近0 。 5 第一章综述 图3 ：p m s e 发生率的季节变化( 时间：1 9 9 9 年至2 0 0 1 年；地点：挪威a n d a y a 岛，b r e m e r 等人【5 】) 其次，在长周期变化上，b r e m e 等人【5 根据1 9 9 4 年至2 0 0 1 年期间平均的 p m s e 发生率作了研究，他们发现p m s e 发生率与太阳辐射的拉曼0 【线强度存在 显著的正关联，即拉曼o 线辐射越强，p m s e 发生率越高。由于太阳活动存在 1 1 年的周期，拉曼a 线辐射强度也对应变化。因此，他们认为，观测到的p m s e 发生率取决于中间层背景的光致电离强度，而后者也是与拉曼1 7 线强度正相关 的。事实上r a p p 等人 6 】在这之前也认为，光致电离水平的变化应该与p m s e 信 号强度是正关联的。两者的观点不谋而合。 最后，在短周期变化上，p m s e 还存在1 2 小时和5 小时的周期变化 7 】【8 】【9 】。 例如，h o f f m a n n 等人【9 】研究表明，p m s e 在白天回波最强，夜间则较弱。由于 这种变化周期与夜光云的变化周期类似，众多学者都认为它应该与太阳或地磁活 动所导致的中间层电离水平有关【l o 】【1l 】。另外，b r e m e r 等人【1 3 】认为p m s e 的 5 小时周期变化则可能与中间层普遍存在的重力波有关联。 4 p m s e 的地理差异 众多观测表明，纬度对p m s e 的发生率影响很大( 至少是在北半球如此) 。 在北半球，目前可观测到p m s e 的最北处位于北纬7 8 度( 文献【1 4 】) ，最南端为 北纬5 2 度( 文献 1 5 】) 。从北到南，p m s e 发生率随纬度降低而变小。比如，在 6 第一章综述 7 月l 号这一天，p m s e 发生率在7 8 0 n 时几乎是1 0 0 ( 文献 1 4 】) ，在6 9 0 n 时 为9 0 ( 文献【5 】) ，而在5 4 。n 时仅有1 0 2 0 ( 文献 1 6 】) 。也有少数例外情况， 如h u a m a n 等人在r e s o l u tb a y ( 7 5o n ) 处的观测，其p m s e 发生率小于5 0 1 7 。 p m s e 在地理上的差异还体现在南北半球上。统计资料表明，在南半球，观 测到的p m s e 发生频率远远不如北半球i 1 8 】。人们猜测可能的原因在于南北半球 大气层热力学结构不同；但由于缺乏足够的南半球观测数据，p m s e 在南北半球 的不对称性仍然存在很多疑i h - j 1 9 2 0 。 p m s e 随大气高度的变化也是非常显著的。前文图l 已经初步揭示了这个规 律：p m s e 主要发生在8 0 9 0 k m 这一层，而且存在8 6 k m 处的峰值。其他统计数 据也与此符合，例如c z e c h o w s k y 等人在a n d a y a 岛( 挪威) 得到的5 3 5 m h z s o u s y c 雷达数据，h o p p e 等人在t r o m e s ( 挪威) 的e i s c a t2 2 4 m h z 数据， c h o o s e 等人在e s t r a n g e ( 瑞典) 的4 6 9 m h z 数据等等 2 1 1 1 2 2 2 3 。p m s e 随高 度变化的原因很可能与中间层大气温度的结构有关。 5 p m s e 的方向敏感性 方向敏感性描述了p m s e 回波信号强度与雷达波入射角的依赖性。此入射角 指的是雷达波束与垂直方向上的夹角，又称为天顶角( 即球坐标中的天顶角e ) 。 一般地，对于弧雷达，入射角增大时，p m s e 信号迅速衰减。定量地，方向 敏感性可以用半角宽o s ( 类似于半高宽) 表征。c z e c h o w s k y 等人研究表明，回 波的半高宽大致在2 。至1 0 。之间 2 4 】。例如，图4 给出了三个观测时段内p m s e 功率( 归一化值) 随入射角的变化关系。无论哪个时段，p m s e 功率随着角度的 增大都基本按照指数规律衰减，且半角宽在5 。左右。这表明所观测到的p m s e 散射类似于菲涅耳散射，既p m s e 的散射体( 主要是电子) 在水平方向上几乎是 均匀的，而在垂直方向上很可能存在较大的密度梯度。 c z e c h o w s k y 等人还发现，在p m s e 层的底层，方向敏感性大( 半角宽小) ； 在p m s e 层的上层则反之。这一特征表明，p m s e 的上层趋于各向同性，p m s e 的底层则趋于分层式的各向异性。 7 第一章综述 7 - 、 水 s o u s yv h fr a d a r 151 0巧 e ，蛔 图4 ：球坐标系( 左图) ，p m s e 信号功率与入射角的关系( 右图) ，c z e e h o w s k y 等人，1 9 8 8 1 2 4 】 1 3 2 中间层大气环境的主要观测事实 要解释p m s e 现象，首先要了解p m s e 所处的环境。事实上，p m s e 发生 的8 0 - 9 0 k m 这一层正好位于中间层项部，同时又位于电离层d 层，因而各种复 杂的物理化学现象都存在这一区域。例如，p m s e 典型的环境现象有电离和复合 过程，中性风，各种波动( 如重力波) 等等；涉及的参量有大气温度，冰晶，电 子，离子及其对应的电场等等。这些环境参量或现象将在下面分小节详细阐述 1 温度 人们认为，p m s e 的发生与中间层的低温环境直接关联。事实上，极区夏季 中间层温度是已知的地球上( 包括大气层) 温度最低的地方。典型的夏日中间层 温度结构如图5 所示。从图中可见，中间层温度在8 0 9 0 k m 区间内存在极低点， 而且随不同纬度有所变化。例如，在5 0 。n 位置，温度极低点大致在1 7 0 k ，而 在6 9 。n 位置，温度可以低至1 4 0 k 以下。i n h e s t c r 等人研究表明，超过8 0 的 p m s e 观测现象发生在温度小于1 4 0 k 的情形；而且在p m s e 底层，有三分之二 的情形，温度不会与1 4 0 k 存在5 k 的偏差。 8 第一章综述 ”1 _ 乙秽 ” 图盎典型的7 月份中间屉温度( 1 9 8 6 年c o 鲫a r 田脯准大气i l 度) 圈斑哪层的大气量度剖面( 实线和虚线，e ( 凇等代表每敬实验观舅的编号) 和水汽 蕞华点温度削面( 点划线) ( l 曲h n 尊 ，2 0 0 2 口6 】) 9 日q 口u 第一章综述 2 水汽、冰晶、夜光云和p m s e 中间层大气的极低温度给科研工作者提供了一种想法，即中间层天然存在的 水汽可能会因为低温而凝结为冰晶。l i i b k e n 等人将各种观测手段( 如发射火箭、 激光雷达等) 得到的p m s e 层大气温度和对应位置的水汽凝华点温度进行了对比 ( 图6 ) ，发现绝大多数情况下p m s e 层的温度都处于水汽凝华点之下。 p m s e 层冰晶存在的另一个重要依据是人们对夜光云的研究。研究表明，夜 光云是由几十纳米的肉眼可见的冰晶构成，所处高度大致在8 2 k m 左右；更为重 要的是，在多数情况下，观测到p m s e 层时，较低高度的夜光云层也同时观测得 到【2 7 】。 由此，人们不难设想这样的一种情形：在温度最低的位置( - 8 8 k m ) ，水汽开 始凝华成小冰晶，由于重力的作用，冰晶一边下落一边进一步增长；如果没有因 为其他因素而挥发掉的话，冰晶将构成p m s e 层的主要成分，最后还可能成为肉 眼可见的夜光云层。这也是人们普遍认为p m s e 层冰晶的尺寸大致在5 - 5 0 n m 的 原因。 在实际观测中，h a v n e s 等人发射发声火箭( s o u n d i n gr o c k e t ) ，利用火箭上 的尘埃探测器，实测得到p m s e 层的带电颗粒( 所有电子、离子以外的成分) 。 他们发现，p m s e 层存在纳米级大小，数密度为1 0 1 0 0 0 c m 3 的带负电颗粒；而 且，在同一次观测任务中，还得到了带正电的颗粒 2 8 】。这些带电颗粒应该就是 普遍认为的冰晶，故在以后的论述中用冰晶统一描述这类颗粒。 3 电子及其吞噬现象 p m s e 环境中最为显著的一个现象是，电子数密度在雷达回波层存在异常的 扰动。火箭实测的密度剖面与地面雷达回波对比如图7 所示。图中可见，除了 8 0 9 0 k m 的p m s e 层，火箭运载的d c 探针测量到的电子数密度就是电离层d 层的典型值，其值大致在1 0 3 1 0 4 c m 3 。但在p m s e 层，电子数密度存在明显的 低谷区，似乎电子在这一层被消耗掉了；而且，消耗的程度与p m s e 信号强度存 在很强的正相关。自从u l w i c k 等人【2 9 】首次观测到这一现象后，类似的情况在其 它p m s e 观测中也存在，如表2 所示。此种现象现在一般被称为电子吞噬( e l e c t r o n b i t e o u t ) 。合理的解释是，所谓的电子吞噬其实是大量的电子依附在p m s e 层中 的冰晶表面，一方面冰晶带上了电荷，另一方面自由电子的数密度则相应降低， 1 0 第一章综述 即被吞噬。 曩t t e3c u r 只e n - rp l o t ( u a k t t q o 。1 0 - l l1 0 1 0 - 墨 譬 v u a o i i 卜 一 e l e c t r o no e n s i t yt l o m 图7 ：s t a t e 火箭运载的d c 探针测量的电子数密度( 实线) ，妤雷达回波( 点实线) ，典 型的电离层d 层电子数密度( 破折线) 。( u l w i c k 等人，1 9 8 8 1 2 9 ) 表2 ：存在电子淬灭的p m s e 观测 4 离子成分 除电子和冰晶外，p m s e 因位于电离层d 层，不可避免地存在正离子和负离 子【3 0 】。正离子成分可以分为两大类。第一类是简单的成分，主要是太阳辐射电 l l 第一章综述 离或电子碰撞电离产生的n ：，o ：和n o + ；另一类是大水合离子h + ( h 2 0 ) n ( 通常 r l 1 2 时( 其中，z a 、 n a ，和n 。分别为冰晶电荷，冰晶和电子的数密度) ，电子扩散率可以下降几个量 级，如图9 所示。这样，中性风和冰晶的共同影响就可以形成b r a g g 尺度的电子 数密度不规则性。 口 、 r a i z , , in d n e 图9 ：电子扩散系数现与和l z 1 m ，的关系( c h o 等人，1 9 9 2 1 4 6 ) c h o 等人的观点在一些后续文章中得到了进一步的分析和探讨。例如，r a p p 和l i i b k e n 【4 8 】重新分析了h i l l 的多体扩散理论，研究电子在冰晶环境下的扩散 1 5 第一章综述 模式。他们发现，不同成分之间存在的耦合导致了电子存在两种本征扩散模式， 其中一种的本征扩散系数同离子扩散系数量级差不多，另一种扩散系数则取决于 冰晶成分，与冰晶的半径“满足d e 1 艺的关系。因此，当冰晶因空气的扰动 速度场或伴随的剪切而扰动输运时，第二个本征扩散决定了电子随着冰晶扩散而 扩散，最终有可能形成小尺度不规则性。 此后，l i e s v e n d s e n 等人【4 9 】通过数值模拟验证了r a p p 等人的想法。他们考 虑了真实环境下的各种物理过程，如扩散，电离和复合等等，同时还考虑了冰晶 尺度及其带电的影响。他们发现，当初始的冰晶数密度存在一个空间尺度为米尺 度的扰动时，经过1 0 0 0 秒的演化后，可以得到稳定的米量级电子和离子数密度 结构。 扰动型理论似乎提供了一种可行的模式，即在中性风和冰晶共同作用下的 p m s e 产生机制。然而，对p m s e 和中性风的观测却使得这类理论存在一些疑点。 例如，l f i b k e n 等人【5 0 】通过首次直接测量p m s e 中的扰动耗散率得到了中性风 的扰动，发现这些扰动只发生在c u p r i 雷达( c u p r i = c o m e l lu n i v e r s i t yp o r t a b l e r a d a ri n t e r f e r o m e t e r ) 所观测的p m s e 的上半层。为了进一步确认中性风和p m s e 的关系，中性风的测量也成为人们关注的焦点。例如，l i i b k e n 研究表明【5 l 】，超 过5 0 的p m s e 现象与中性风没有关系，且当两者同时存在时，中性风也只存 在p m s e 的上半层。此外，在p m s e 不存在的其他区域，中性风同样存在。后 续的观测，如m i i l l e m a n n 等人【5 2 】，s t r e l n i k o v 等人【5 3 】，r a p p 等人【5 4 】也证实了 这一点。图1 0 给出了p m s e 和中性风的基本关系。如图所示，p m s e 发生率和 中性风发生率存在一些高度上的偏离。例如在8 5 k m 处，p m s e 发生率为6 5 而 中性风发生率则只有3 5 左右。因此，这些相关的观测表明，仅仅用中性风扰动 理论来解释p m s e 现象还是不够的。 1 6 第章综述 8 0 02 04 06 08 01 0 0 o c , c u l t e r i c er a t em 】 田1 0 ：中性风发生串和p m s e 发生率随高度的变化图( r 聊等a 5 5 1 ) 15 尘埃等离子体物理和p m s e 与普通等离子体不同的是尘埃等离子体通常包含了携带电荷的大质量颗粒 ( 统称为尘埃) 。这样的尘壤颗粒广泛地存在于地球电高层、行星环，彗星等空 间环境，也存在于实验室和工业加工等离子体环境中。事实上，早在人们开始研 究等离子体的时候，尘埃等离于也同时被注意到。但尘埃等离子体真正的发展则 是近3 0 年在空间等离子体和工业加工方面的应用。尘埃的加入不仅影响了传统 等离子体物理过程，如鞘层、波动、不稳定性等，还导致丁包括尘埃带电、尘埃 声被、尘埃晶格等新的物理现象 5 6 1 1 5 7 1 。 尘埃颗粒带电机理是尘埃等离子体最重要的特征。最基本的带电过程是电子 和离子向尘埃表面充电，直至充电平衡。在不考虑二次电子发射、离子流速的影 响下，引八等离子体中的尘埃颗粒会吸附周围的电子、离子，使电子和离子同时 向尘埃充电，充电电流如下【5 6 l ， l 叫# h e r 2 d 去，2 晰等) 1 ) 7 一e兰心口3葛ib 第章综述 1 i = - 4 ，r n i r 2 e ( 去) l 2 ( 1 + 等) ( 1 2 ) 其中下标i ，e ，d 分别代表离子、电子和尘埃；l 、r 分别代表粒子热平衡温度 和颗粒半径。通常，尘埃电荷由充电方程a 办o t = l + 所决定。当达到充电平 衡的时候i e + i i = 0 ，尘埃就会带上稳定电荷。由于通常情况下电子的热速度比离子 大，会较快地吸附于尘埃中，所以使尘埃最终携带负电荷。但光电效应影响显著 时，尘埃也会带正电。由于尘埃半径跨度很大，可从纳米级到微米级，可能携带 的电荷也相应地从l e 到1 0