高緯極區(qū)電離層非相干散射譜的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本文以電離層等離子體的非麥克斯韋分布為出發(fā)點(diǎn)，圍繞著非麥克斯韋離子分布函數(shù)的求解、非麥克斯韋非相干散射譜的計(jì)算以及高緯極區(qū)離子聲波譜線增強(qiáng)的理論解釋與實(shí)驗(yàn)分析開展了相關(guān)研究。由相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和存在問題的分析可知，目前對(duì)于非麥克斯韋離子分布函數(shù)和非相干散射譜的求解還處于嘗試階段，同時(shí)離子聲波譜線增強(qiáng)的理論解釋也存在著很大的爭(zhēng)論。所以本文將工作重點(diǎn)放在非麥克斯韋離子分布函數(shù)的求解，非麥克斯韋分布的電離層等離子體非相干散射譜的模擬以及離子

2、聲波譜線增強(qiáng)的理論解釋和實(shí)驗(yàn)研究上。由于非相干散射雷達(dá)和電離層加熱的發(fā)展，這些問題已經(jīng)成為利用非相干散射雷達(dá)研究電離層的熱點(diǎn)問題之一，亟待解決。作為研究工作的基礎(chǔ)，本文首先介紹了電離層等離子體的基本理論。在此基礎(chǔ)上，主要開展了如下工作： 第一，基于電離層等離子體的非相干散射理論，在不考慮磁場(chǎng)的情況下，分別采用碰撞和非碰撞等離子體非相干散射譜密度的理論公式，對(duì)麥克斯韋分布下的分布函數(shù)以及非相干散射譜進(jìn)行了模擬和討論。 第二

3、，從玻耳茲曼方程出發(fā)，分別采用馳豫碰撞模型和麥克斯韋分子碰撞模型來描述玻耳茲曼碰撞積分項(xiàng)，基于麥克斯韋分布展開的5矩、13矩、20矩近似和雙麥克斯韋分布展開的6矩、16矩近似來表示離子分布函數(shù)。結(jié)合兩種碰撞模型下的輸運(yùn)方程，分別求解得到了馳豫碰撞模型和麥克斯韋分子碰撞模型下的各階速度矩分量，將其代入分布函數(shù)的多項(xiàng)式中，獲得了兩種碰撞模型下離子分布函數(shù)的5矩、13矩、20矩、6矩以及16矩近似。對(duì)輸運(yùn)方程的解以及離子分布函數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬

4、，同時(shí)對(duì)兩種碰撞模型下輸運(yùn)方程的解以及分布函數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。 第三，利用已經(jīng)得到的馳豫碰撞模型和麥克斯韋分子碰撞模型下離子分布函數(shù)的多項(xiàng)式解，采用Sheffield的非相干散射理論對(duì)非相干散射譜進(jìn)行了模擬。同時(shí)對(duì)馳豫碰撞模型和麥克斯韋分子碰撞模型下得到的非相干散射譜進(jìn)行了對(duì)比分析。 第四，考慮到非相干散射雷達(dá)在高緯極區(qū)電離層經(jīng)常觀測(cè)到的離子聲波譜線增強(qiáng)的現(xiàn)象，分別采用現(xiàn)有的三種理論對(duì)離子聲波譜線增強(qiáng)的現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。通過在

5、分布函數(shù)中引入場(chǎng)向熱流項(xiàng)，對(duì)場(chǎng)向電流不穩(wěn)定性，以及離子-離子雙流不穩(wěn)定理論進(jìn)行了修正，使其更符合實(shí)際情況，從而更好地解釋了離子聲波譜線增強(qiáng)的現(xiàn)象。 第五，聯(lián)合EISCAT（European Incoherent Scatter）雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)和其他觀測(cè)手段，例如光學(xué)手段（極光掃描光度計(jì)，全天空極光攝像機(jī)等），選取發(fā)生離子聲波譜線增強(qiáng)的兩次現(xiàn)象進(jìn)行了討論分析，找出可能引起發(fā)生離子聲波譜線增強(qiáng)的原因。結(jié)合場(chǎng)向電流不穩(wěn)定性和修正場(chǎng)向電流