极区中层顶区域尘埃等离子体参数的研究

摘要

极区中层在夏季发生许多有趣的地球物理学现象，主要受该区域极其特殊的热力学结构的影响。极区中层夏季回波是在高纬中层顶附近探测到的异常强的雷达回波，是一种非常奇特的雷达回波现象，简称PMSE。自从1979年被Ecklund和Balsley发现以来已经引起了科学界的广泛关注。但产生PMSE的物理机制尚不清楚。 大量研究显示：PMSE现象与电子密度和带电冰晶粒子有密切的关系，在高纬夏季中层顶区域利用火箭测量到的电子密度剖面，频繁显示出厚度约1公里的尖锐的边界层，层内的电子密度比层外上下区域的电子密度至少小一个量级，即电子密度“吞噬”效应。相应高度的尘埃电荷数密度严重增大。极区中层顶区域存在大量的带电冰晶粒子，在双极性力的作用下形成一定的空间分布，并产生电场，但受某些条件的限制，目前对极区中层顶电场的测量非常匮乏，因此在理论方面的电场推算具有一定的科学意义。 受到这些问题的驱动，并作为开展论文研究的基础，本文首先介绍了PMSE的相关知识。PMSE发生的背景条件，中层顶带电冰晶粒子形成的客观条件：中层大气的温度和湿度。介绍了PMSE出现率的规律性变化，以及火箭探测到PMSE的环境特征。中性大气湍流理论是目前研究PMSE发生机制的最经典理论，但中性湍流理论与雷达和火箭观测到的PMSE事实之间存在很多矛盾。 在极区中层顶区域利用火箭探测到的大量带电冰晶粒子，构成一种尘埃等离子体，我们把带电的冰晶粒子称为尘埃粒子。在本文中我们主要根据P K Shukla的尘埃等离子体充电理论，推导出尘埃粒子电荷数和尺寸半径比值的表达式。根据ECT02实验数据，假设尘埃粒子带一个负电荷，计算出尘埃粒子尺寸半径在20一50nm之间，与相关资料的理论推算结果相符。其中在约87.5km．尘埃粒子尺寸半径明显增大，对应温度剖面的最小值，我们对此不能给出合理的解释。 根据上面得到的尘埃粒子尺寸半径，假设尘埃粒子为球形粒子，计算得到尘埃粒子的质量，并以此计算了尘埃的等离子体频率，其范围在1—8kHz之间，同时还计算了电子的等离子体频率为1—4MHz，离子的等离子体频率为10—18kHz，计算出尘埃等离子体的库仑耦合参数为10<'-37>，确定极区中层顶区域尘埃等离子体是弱耦合尘埃等离子体。 针对电子密度“吞噬”效应，推导了电子压力梯度产生的极化电场的公式，依据ECT02实验数据，计算得到PMSE中的极化电场强度为10<'-1>mV/m量级。R．Holzworth和R．Pfaff根据DROPPS实验推算出电场强度约为10mV/m，比我们的计算结果大一个量级。而M．Zadorozhny依据NLC-91实验推算的电场强度在100-300mV/m之间，是目前报道的最大的电场。大量观测事实表明极区中层顶区域的尘埃粒子在80-90km高度能够维持较长的时间，但PMSE中的电场不足以平衡尘埃粒子的重力，有关文献报道极区中层顶区域的尘埃粒子还可能与重力波有关，由于目前缺乏关于计算重力波参数的相关数据，因此不能对该问题做进一步的讨论。

目录

文摘

英文文摘

创新性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

§1.1研究背景和意义

§1.2论文工作安排

第二章高纬地区大气层

§2.1电离层简介

§2.1.1电离层的形成

§2.1.2电离层的基本物理过程

§2.1.3电离层的分层结构

§2.2中层大气介绍

§2.2.1中层大气的温度

§2.2.2中层大气的湿度

§2.3冰晶的形成

§2.4本章小结

第三章极区中层夏季回波

§3.1 PMSE以及相关现象的介绍

§3.2 PMSE的规律性变化

§3.2.1季节性变化

§3.2.2日变化以及半日变化

§3.2.3纬度变化

§3.2.4长期变化和短期变化

§3.3火箭技术探测PMSE环境

§3.3.1中性大气湍流

§3.3.2冰晶粒子产生PMSE的依据

§3.3.3电子密度“吞噬”效应和带电冰晶粒子

§3.4本章小结

第四章PMSE尘埃等离子体参数计算

§4.1尘埃等离子体现象

§4.2尘埃等离子体概念

§4.3尘埃等离子体特征参数

§4.3.1德拜半径

§4.3.2尘埃等离子体频率

§4.3.3碰撞频率和充电频率

§4.3.4库仑耦合参数

§4.4尘埃粒子的充电过程

§4.5尘埃粒子半径的计算结果及讨论

§4.5.1尘埃粒子半径公式的推导

§4.5.2 ECT02实验及数据处理

§4.5.3尘埃粒子半径的计算与尘埃电荷数

§4.6 PMSE情况的尘埃等离子体参数计算

§4.6.1尘埃等离子体频率和充电频率

§4.6.2库仑耦合参数

§4.7本章小结

第五章夏季极区中层顶电场

§5.1电离层输运过程

§5.2夏季极区中层顶电场的计算

§5.3讨论

§5.4本章小结

结束语

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果