极区夏季中层顶冰晶颗粒的生长和运动模型及小尺度密度层的结构

摘要

极区中间层夏日回波（Polar Mesosphere Summer Echoes，简称PMSE）是发生在极地夏季中间层顶的强的雷达回波现象。自从首次观测到PMSE现象以来，它就备受人们的关注。是什么机制造成了PMSE现象，至今尚无定论。
　　 PMSE发生的区域位于极地中间层的顶部，电离层的D层，处于弱电离的等离子体环境中，存在自由电子、离子和中性气体。这里又是地球上温度的最低的地方，大气环流从下面带上去的水汽可以凝结在流星灰上，从而形成了冰晶颗粒并不断生长。再加上极地中间层有向上吹的中性风，产生向上的中性气流拖曳力施加在冰晶颗粒上，此外还受重力作用。这些因素相互作用，致使这里的冰晶以及电子数密度具有非均匀的不规则结构。而介质对电波的折射率又是由自由电子的数密度所决定的。这就导致了介质折射率的不规则，最终导致了PMSE现象的发生。
　　 本文第二章根据极区夏季中间层顶区域的特点建立凝结核在该区域吸附水汽而成冰晶的生长模型，研究冰晶颗粒的运动和数密度分布情况。根据PMSE发生层温度结构选择中间层顶的上下两个边界层。在上边界层，以外大气层下落的微陨石颗粒为凝结核，根据尘埃颗粒与水汽分子的碰撞吸附效应建立颗粒的生长模型，研究颗粒在重力和中性气流拖拽力作用下的运动和生长过程。研究表明，颗粒半径随时间线性增长，颗粒的运动速度与半径之间存在复杂的关系，对于一定范围的初始凝结核半径，颗粒在运动过程中可以反弹，即速度方向逆转。根据通量守恒可以计算尘埃颗粒的粒子数密度随高度的分布，结果表明，由于存在速度逆转效应以及初始凝结核颗粒大小具有一定的分布，边界附近可形成陡峭的密度分布（小尺度密度结构）。该结构有利于形成强的雷达回波。在下边界层，以中层底部随气流上升的颗粒为凝结核，根据同样的原理，我们得到了由较大的冰晶所形成的数十米到百米量级的空间不均匀结构，而陡变处的标长只有数米量级，该结构亦可解释PMSE或夜光云现象。
　　 本文第三章从电子和离子运动的角度来刻画电子数密度的小尺度结构。在课题组前期研究基础上，考虑冰晶颗粒的运动对电子和离子小尺度结构的影响。同样，我们只考虑竖直方向的一维的情况。首先，对冰晶所受到的几种力进行了分析，其主要作用的力为重力和中性分子的拖拽力。在平衡态，重力和拖拽力达到了平衡，冰晶以收尾速度下落。在以此速度向下运动的参考系中，我们建立了冰晶、离子、电子运动的流体方程，并数值模拟了这几种粒子的数密度分布以及电场分布，研究表明，这种结构可以产生电子的局域小尺度结构。这样的特征长度与形成雷达回波的长度是在同一数量级上，这就部分地解释了PMSE现象。

目录

声明

摘要

第一章 综述

1．1 引言

1．2 极地中层的主要雷达观测特征

1．2．1 PMSE现象与气候的关系

1．2．2 PMSE现象的基本特性

1．2．3 与PMSE现象有关的中层大气的一些观测数据

1．3 极区中间层夏日回波的物理机制

1．3．1 极区中间层夏日回波的流体动力学理论

1．3．2 极区中间层夏日回波的非扰动理论

1．4 本论文的选题和主要研究内容

第二章 极区中层尘埃颗粒生长及密度分布

2．1 颗粒的运动和生长模型

2．1．1 变质量尘埃颗粒的运动形式

2．1．2 冰晶运动速度的讨论

2．1．3 冰晶颗粒的运动轨迹

2．1．4 凝结核特征半径R01、R02的求解

2．2 冰晶粒子数密度分布的数值计算

2．2．1 上边界附近冰晶数密度随高度分布

2．2．2 下边界附近冰晶数密度随高度分布

2．2．3 水汽密度对冰晶数密度分布的影响

2．2．4 中性气流对冰晶密度分布的影响

2．3 冰晶密度层结构与PMSE现象关系的讨论

2．4 本章小结

第三章 中层顶尘埃颗粒的运动对小尺度等离子体密度结构的影响

3．1 基本理论模型

3．2 数值计算及讨论

3．2．1 边界条件及参数的选取

3．2．2 计算结果

3．2．3 冰晶数密度对局域结构的影响

3．2．4 冰晶半径对局域结构的影响

3．3 本章小结

第四章 总结与展望

参考文献

致谢