本文關(guān)鍵詞：電離層加熱中參量不穩(wěn)定性的理論和實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：在大功率電波加熱電離層試驗(yàn)中,很多試驗(yàn)現(xiàn)象都與參量不穩(wěn)定性存在直接或間接的聯(lián)系,包括增強(qiáng)等離子體譜線和增強(qiáng)離子譜線、增強(qiáng)氣輝、等離子體波的激發(fā)、小尺度場(chǎng)向不均勻體的形成,電波的反常吸收,受激電磁輻射等等。電離層是非線性的電介質(zhì),并存在著高頻和低頻的等離子體振蕩模式,這些振蕩模式互相參量地耦合在一起。當(dāng)大功率高頻無線電波進(jìn)入電離層等離子體時(shí),參量耦合效應(yīng)使得大功率高頻無線電波作為泵波可以同時(shí)激勵(lì)出高頻和低頻等離子波。從20世紀(jì)50年代以來,參量不穩(wěn)定性的理論和實(shí)驗(yàn)研究便一直是電離層加熱的研究熱點(diǎn)之一。隨著眾多電離層加熱實(shí)驗(yàn)和加熱計(jì)劃的相繼實(shí)施,新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的出現(xiàn)仍然要求對(duì)目前已有的參量不穩(wěn)定性理論進(jìn)行發(fā)展。目前已有的參量不穩(wěn)定性理論并沒有包括泵波電場(chǎng)對(duì)等離子體直接作用在參量不穩(wěn)定性激勵(lì)過程中的作用,也不能解釋近期利用歐洲非相干散射協(xié)會(huì)(European Incoherent Scatter Scientific Association, EISCAT)位于Troms(?)的加熱設(shè)備進(jìn)行X波模加熱實(shí)驗(yàn)中激勵(lì)參量不穩(wěn)定性的現(xiàn)象�；诖吮疚膶�(duì)電離層加熱試驗(yàn)中的參量不穩(wěn)定性激勵(lì)過程進(jìn)行了深入研究,研究的主要內(nèi)容和成果包括以下幾個(gè)方面：1.0波電離層加熱實(shí)驗(yàn)中參量不穩(wěn)定性和熱參量不穩(wěn)定性色散關(guān)系的建立。從參量不穩(wěn)定性色散關(guān)系中可以看到參量不穩(wěn)定性的激勵(lì)歸因于有質(zhì)動(dòng)力和泵波電場(chǎng)對(duì)電子的直接作用。熱參量不穩(wěn)定性的色散關(guān)系表明其激勵(lì)的驅(qū)動(dòng)力來自泵波場(chǎng)的直接擾動(dòng),泵波場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的非振蕩電流項(xiàng),非線性洛倫茲力和本地歐姆加熱效應(yīng)；其中非線性洛倫茲力即非磁化等離子體中的有質(zhì)動(dòng)力項(xiàng),本地歐姆加熱效應(yīng)是由高頻等離子波場(chǎng)中的電子能量損耗引起的。在電離層加熱試驗(yàn)中,本地歐姆加熱效應(yīng)在激勵(lì)熱參量不穩(wěn)定性的過程中所起的作用遠(yuǎn)超過非線性洛倫茲力。2.從色散關(guān)系出發(fā)得到了參量不穩(wěn)定性的閡值場(chǎng)和增長(zhǎng)率。從閾值場(chǎng)的表達(dá)式來看,參量不穩(wěn)定性的閾值場(chǎng)與電子有效碰撞頻率、泵波頻率以及離子聲速成正比。參量不穩(wěn)定性的閾值場(chǎng)還和被激勵(lì)的朗繆爾波的傳播方向相關(guān),當(dāng)被激勵(lì)的朗繆爾波的傳播方向與磁場(chǎng)方向平行或者反平行時(shí),閾值場(chǎng)達(dá)到最小。參量衰減不穩(wěn)定性的閾值場(chǎng)不僅是與電子有效碰撞頻率有關(guān),還與離子有效碰撞頻率成正比,同時(shí)參量衰減不穩(wěn)定性的閾值場(chǎng)還與被激勵(lì)出來的朗繆爾波的波數(shù)成反比。對(duì)于參量不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)率,泵波的有效輻射功率越大,對(duì)應(yīng)的增長(zhǎng)率也越大；由于振蕩雙流不穩(wěn)定性的低頻波是純?cè)鲩L(zhǎng)模式,故此其增長(zhǎng)率與電子的有效碰撞頻率成正比；而參量衰減不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)率則與電子和離子有效碰撞頻率成正比。本文建立的閡值場(chǎng)和增長(zhǎng)率的模型可以解釋加熱試驗(yàn)的觀測(cè)現(xiàn)象。3.本文得到了熱參量不穩(wěn)定性激勵(lì)的閾值場(chǎng)和增長(zhǎng)率的表達(dá)式。對(duì)于熱參量衰減不穩(wěn)定性,其閾值場(chǎng)與被激勵(lì)出來的等離子體波的頻率成正比,與電子碰撞頻率和離子碰撞頻率成正比,隨著電子溫度的升高而降低,與被激勵(lì)出來的等離子體波的波數(shù)成反比。熱參量衰減不穩(wěn)定性能夠激勵(lì)的小尺度場(chǎng)向不均勻體的最大尺度取決于泵波的有效輻射功率,而由于電子朗道阻尼對(duì)低混雜波的影響,為小尺度場(chǎng)向不均勻體建立的了一個(gè)最大的可能波數(shù)。熱參量衰減不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)率與泵波有效輻射功率、電子和離子碰撞頻率成正比。對(duì)于熱振蕩雙流不穩(wěn)定性而言,其閡值場(chǎng)與泵波的頻率、離子聲速、電子碰撞頻率、電子溫度、被激勵(lì)出的上混雜波的波數(shù)等都有一定的關(guān)系。熱振蕩雙流不穩(wěn)定性的閾值場(chǎng)與上混雜波的波數(shù)成正比,因此激勵(lì)出的場(chǎng)向不均勻體的尺度越小所需要的泵波功率就越大。熱振蕩雙流不穩(wěn)定性激勵(lì)的小尺度不均勻體的特征尺度范圍由泵波功率決定最小尺度,增長(zhǎng)率決定最大尺度。利用本文得到的閾值和增長(zhǎng)率表達(dá)式得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果吻合。4.非尋常極化(X波)高頻電磁波加熱電離層試驗(yàn)中激勵(lì)參量不穩(wěn)定性的理論和實(shí)驗(yàn)研究。首先本文對(duì)EISCAT進(jìn)行X波電離層加熱實(shí)驗(yàn)中增強(qiáng)等離子體譜線和增強(qiáng)離子譜線的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,證明了X波模泵波在靠近其反射高度處激勵(lì)了參量不穩(wěn)定性。其次建立了沿磁力線入射的X波在電離層加熱試驗(yàn)中激勵(lì)參量不穩(wěn)定性的色散關(guān)系,需要注意的是本文中X波模激勵(lì)參量不穩(wěn)定性產(chǎn)生的朗繆爾波是沿著磁力線傳播的。色散關(guān)系表明參量不穩(wěn)定性的激勵(lì)主要?dú)w因于有質(zhì)動(dòng)力和泵波對(duì)電子的直接作用。X波模激勵(lì)參量不穩(wěn)定性需要泵波電場(chǎng)中有平行電場(chǎng)分量。最后得到了X波激勵(lì)參量不穩(wěn)定性的平行閾值場(chǎng)和增長(zhǎng)率的表達(dá)式。參量不穩(wěn)定性的平行閾值場(chǎng)與電子有效碰撞頻率和離子有效碰撞頻率、泵波頻率以及離子聲波的波速成正比；與被激勵(lì)出來的朗繆爾波的波數(shù)成反比。而對(duì)于振蕩雙流不穩(wěn)定性而言,其平行閾值場(chǎng)與電子有效碰撞頻率、泵波頻率以及離子聲波的波速成正比。對(duì)于參量不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)率與泵波的有效輻射功率和電子有效碰撞頻率成正比,同時(shí)參量衰減不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)率還與離子有效碰撞頻率成正比。5.對(duì)X波激勵(lì)參量不穩(wěn)定性的條件進(jìn)行了分析和解釋。首先本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)證明在X波模反射高度附近,頻率匹配條件能夠得到滿足,本文建議采用朗繆爾波在磁化等離子體中的完全色散關(guān)系來解釋這一現(xiàn)象。其次本文還對(duì)X波模泵波在電離層中的傳播進(jìn)行了模擬,結(jié)果顯示電離層中的非均勻結(jié)構(gòu)會(huì)顯著影響X波模泵波電場(chǎng)的分布：水平均勻分層的電離層結(jié)構(gòu)就能夠使得大功率X波模的平行電場(chǎng)分量滿足參量衰減不穩(wěn)定性的激發(fā)閾值；電離層中如果存在尺度～1km的水平密度不均勻結(jié)構(gòu),X波的平行電場(chǎng)分量就能夠激發(fā)振蕩雙流不穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P352

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本文編號(hào)：1285091