電離層加熱實(shí)驗(yàn)中超強(qiáng)電子密度增強(qiáng)特征

程木松，徐彬，吳振森，李海英，許正文，吳軍，吳健

1 西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，西安 710071

2 中國(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266107

1 引言

電離層是近地空間的重要組成部分，由于電離層可對(duì)在其中傳播的電磁波發(fā)生散射和吸收等效應(yīng)，使得電波信號(hào)衰減或劇烈抖動(dòng)，這對(duì)無(wú)線電廣播、通訊及衛(wèi)星定位導(dǎo)航等將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此研究電離層具有很重要的實(shí)際意義.隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人工擾動(dòng)電離層的研究方法得以實(shí)現(xiàn)，利用地基大功率高頻電波加熱擾動(dòng)電離層的方法越來(lái)越受到人們的關(guān)注（黃文耿等，2004；王占閣等，2012）.

在電離層加熱實(shí)驗(yàn)中可以產(chǎn)生一系列顯著的加熱特征，如大功率無(wú)線電波注入可以引起大范圍的電子溫度增強(qiáng)（Gordon et al.，1971；Xu B et al.，2008；Robinson et al.，1996），2008年我國(guó)在極區(qū)開(kāi)展的加熱實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了150～400km的大范圍的電子溫度增強(qiáng)，增強(qiáng)幅度可達(dá)60%～120%（徐彬等，2009）.當(dāng)加熱電磁波入射到電離層中時(shí)，電離層中的電子可以被加熱電波引起的電子靜電湍流效應(yīng)加速，電子在沿著地磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)可與中性粒子碰撞產(chǎn)生光輻射.光輻射的結(jié)構(gòu)可受加熱波束指向和電離層不規(guī)則體影響，在加熱波束指向磁天頂方向時(shí)具有最大值，在加熱頻率等于n倍磁旋頻率時(shí)具有最小值（Bernhardt et al.，1991；Mishin et al.，2003）.在上混雜諧振高度附近，雙流振蕩不穩(wěn)定性激發(fā)上混雜波，可導(dǎo)致小尺度的場(chǎng)向不規(guī)則體的產(chǎn)生（Das and Fejer，1979；Dysthe et al.，1983；Blagoveshchenskaya et al.，2007），而熱自聚焦不穩(wěn)定性可以導(dǎo)致大尺度場(chǎng)向不規(guī)則體的產(chǎn)生（Grach et al.，1977；Guzdar et al.，1996），不規(guī)則體又可對(duì)加熱泵波進(jìn)行散射，產(chǎn)生異常吸收效應(yīng)（Jones et al.，1984；Robinson，1989；Gurevich et al.，1996），利用高頻調(diào)幅波調(diào)制電離層電流還可以引起VLF／ELF波的激發(fā)（Rietveld et al.，1984，1987）.

而作為宏觀電離層參量以及加熱效應(yīng)分析的基礎(chǔ)，對(duì)電子密度與電子溫度的加熱擾動(dòng)的研究一直被廣泛關(guān)注.加熱實(shí)驗(yàn)中電子溫度增幅可以相對(duì)較大，如在Arecibo的夜間電離層加熱實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了40%的溫度增強(qiáng)（～350K）現(xiàn)象（Mantas et al.，1981）.在高緯度地區(qū)，白天電離層狀態(tài)比較穩(wěn)定，很多實(shí)驗(yàn)會(huì)在白天進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)中常會(huì)觀測(cè)到～50%的電子溫度增長(zhǎng)（Stocker et al.，1992；Honary et al.，1993；Blagoveshchenskaya et al.，2011a），但是相對(duì)白天來(lái)說(shuō)夜間電子溫度增強(qiáng)效應(yīng)更明顯，溫度增強(qiáng)甚至可以達(dá)到300%（Rietveld et al.，2003）.早在20世紀(jì)70年代，Platteville的電離層加熱實(shí)驗(yàn)表明，電離層對(duì)高頻泵波的吸收顯著增加了電離層電子溫度并改變了電子密度的分布（Meltz and Perkins，1974；Utlaut，1975），隨后在Arecibo和Tromso的加熱實(shí)驗(yàn)中也觀測(cè)到了電子密度的擾動(dòng)，但擾動(dòng)幅度通常只有百分之幾的波動(dòng)（Dubois et al.，1993；Fejer et al.，1991），盡管在某些加熱實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了反射高度附近30%電子密度的增強(qiáng)現(xiàn)象（Blagoveshchenskaya et al.，2011b），但此類增強(qiáng)系由諧振區(qū)等離子體處于非平衡態(tài)，基于平衡態(tài)非相干散射理論不再適用，此時(shí)反演會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差，并非真正的電子密度增強(qiáng)，2011年我國(guó)利用EISCAT的加熱設(shè)備和診斷設(shè)施開(kāi)展的極區(qū)電離層加熱實(shí)驗(yàn)中，利用UHF雷達(dá)探測(cè)到了十分明顯電子密度增強(qiáng)現(xiàn)象，在遠(yuǎn)離諧振區(qū)的300～500km及以上的高度增幅達(dá)30%～50%.依作者所知，在如此大的空間范圍內(nèi)獲得超過(guò)30%以上的電子密度增強(qiáng)現(xiàn)象實(shí)屬首例.

2 實(shí)驗(yàn)描述

2011年11月23日開(kāi)展了極區(qū)電離層加熱實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)使用的加熱設(shè)備位于挪威北部的Troms?附近，69.59°N，19.23°E.EISACT加熱設(shè)備有三個(gè)天線陣，分別為陣列1、陣列2和陣列3，加熱頻率覆蓋范圍分別為5.4～8MHz，3.7～5.4MHz和5.4～8MHz.為獲取更優(yōu)的加熱效果同時(shí)與當(dāng)?shù)仉婋x層臨界相匹配，加熱天線采用陣列1.陣列1擁有12行12列的交叉偶極子，增益可達(dá)30dB.加熱極化方式為O波加熱，加熱波束指向地磁場(chǎng)方向（南向12.5°），加熱循環(huán)采用18min開(kāi)，12min關(guān).加熱頻率為108點(diǎn)的步進(jìn)頻率，步進(jìn)時(shí)間間隔為10s，加熱起止頻率依據(jù)實(shí)時(shí)電離層狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，具體設(shè)置如表1.診斷設(shè)備使用了UHF非相干散射雷達(dá).非相干散射雷達(dá)的觀測(cè)模式為beata模式，該探測(cè)模式下空間探測(cè)范圍為76～670km，空間分辨率為3km，時(shí)間分辨率為5s.為配合加熱實(shí)驗(yàn)，UHF雷達(dá)的掃描模式使用了CP1，即沿地磁場(chǎng)方向進(jìn)行探測(cè).

表1 2011年11月23日加熱循環(huán)時(shí)間表Table 1 Heating schedule on 23th November 2011

3 GUISDAP數(shù)據(jù)分析

EISCAT官方給出了一個(gè)數(shù)據(jù)分析程序GUISDAP（Grand Unified Incoherent Scatter Design and Analysis Package）用于常規(guī)非相干散射數(shù)據(jù)的反演.圖1給出了當(dāng)天加熱實(shí)驗(yàn)中電子密度和電子溫度隨時(shí)間的變化特征.從圖中可以看到，在整個(gè)加熱時(shí)段電子密度和電子溫度的加熱擾動(dòng)特征均很明顯，其中電子溫度的增強(qiáng)基本局限在反射高度附近，屬于小范圍溫度增強(qiáng)事件，這在以往的加熱實(shí)驗(yàn)中亦經(jīng)常出現(xiàn)，而電子密度卻呈現(xiàn)出十分罕見(jiàn)的加熱增強(qiáng)特征，200km以上均出現(xiàn)了顯著的增強(qiáng)效果.一般地，電離層加熱形成電子密度擾動(dòng)的加熱機(jī)制存在三種形式：一是加熱引起電子溫度增加（Rietveld et al.，2003；Stocker et al.，1992），進(jìn)而導(dǎo)致電子的復(fù)合率下降（Gurevich，1978），從而致使電子密度增強(qiáng)，然而這種密度增強(qiáng)幅度很小，最大增幅通常不足10%；二是加熱導(dǎo)致電子溫度空間分布的不均勻和電波能量的空間分布不均勻，這使得電子從高溫區(qū)向低溫區(qū)，波密區(qū)向波疏區(qū)擴(kuò)散，最終呈現(xiàn)為圍繞反射點(diǎn)的峰谷結(jié)構(gòu)，通常形成的密度谷小于10%（Blagoveshchenskaya et al.，2011b）；第三種密度擾動(dòng)機(jī)制是泵波激發(fā)各種不穩(wěn)定性過(guò)程，不穩(wěn)定性過(guò)程生成超熱電子，直接電離中性大氣，這相當(dāng)于改變了電子的生成率，從而導(dǎo)致電子密度大幅度增加.

在過(guò)去的加熱實(shí)驗(yàn)中，盡管有時(shí)可以在反射高度附近觀測(cè)到30%的電子密度增強(qiáng)（Blagoveshchenskaya et al.，2011b），但事實(shí)上此類增強(qiáng)系由于反射高度附近是參量不穩(wěn)定性發(fā)生的諧振區(qū)，該區(qū)域等離子體處于非平衡態(tài)，離子線譜的頻譜結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重改變，基于平衡態(tài)非相干散射理論不再適用，此時(shí)利用離子線對(duì)電離層參量的反演會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差，并非真正的電子密度增強(qiáng)，而本次實(shí)驗(yàn)中在如此廣闊的高度范圍發(fā)現(xiàn)電子密度增強(qiáng)實(shí)屬罕見(jiàn).為進(jìn)一步獲取更為精細(xì)的加熱特征，我們將加熱時(shí)段的電子密度與未加熱時(shí)段的電子密度進(jìn)行了比較.如圖2所示，其中圖2a橫坐標(biāo)為電子密度，縱坐標(biāo)為高度，實(shí)線為未加熱時(shí)刻的電子密度，點(diǎn)劃線為加熱時(shí)段的電子密度，圖2b為電子密度的增量百分比.

圖1 加熱實(shí)驗(yàn)中電子溫度與電子密度的時(shí)間演化Fig.1 The temporal evolution of electron temperature and electron density

圖2 加熱引起的電子密度擾動(dòng)Fig.2 Electron density disturbed by the HF－pump

從圖2中可以看到，200km以上的高度范圍均出現(xiàn)了電子密度的增強(qiáng)現(xiàn)象，210km處的電子密度增強(qiáng)達(dá)到了269.3%.當(dāng)然如上所述，這可能是由于平衡態(tài)非相干散射理論的本身缺陷引起的，即反射高度處的離子線譜在加熱時(shí)段的譜型特征發(fā)生顯著改變，此時(shí)再利用平衡態(tài)的反演模式將會(huì)有嚴(yán)重的誤差，而在遠(yuǎn)離諧振區(qū)域的300km以上的高度范圍，電子密度的增強(qiáng)仍維持在30%～50%之間，這一密度增強(qiáng)特征是較為可信的.

4 離子線譜分析

為進(jìn)一步確認(rèn)加熱引起的超強(qiáng)電子密度擾動(dòng)特征的真實(shí)性，我們對(duì)加熱前后離子線譜進(jìn)行了考察，如圖3所示，其中圖3a為未加熱時(shí)刻的離子線譜，橫軸為多普勒頻率，縱軸為高度，不同的顏色代表功率幅度，單位為（K／kHz）.圖3a使用12∶18—12∶22時(shí)段120s的數(shù)據(jù)（最小積分時(shí)間為5s，因此有24個(gè)數(shù)據(jù)文件）進(jìn)行了累積，圖3b為加熱時(shí)段12∶08—12∶12，同樣120s的數(shù)據(jù)累積的離子線譜.從圖中可以看到，在210km附近存在一條很窄的亮線，其高度分布范圍僅在1～2個(gè)距離門(mén)之內(nèi)，頻率分布范圍約為±15kHz，幅度較未加熱時(shí)刻非相干散射離子線譜的幅度強(qiáng)，增幅近10倍.為獲取更為清晰的加熱前后譜特征的對(duì)比，我們給出了反射高度附近，以及更高的高度范圍上的離子線譜，如圖4和圖5所示，給出了200，210，221，300，400km和500km高度上的離子線頻譜.其中橫軸為多普勒頻率，縱軸為功率，紅實(shí)線為未加熱離子線，藍(lán)色虛線為加熱時(shí)刻離子線.從圖中可以看到，在反射高度（210km），離子線回波功率幅度出現(xiàn)了很大的增強(qiáng)，從0.10K／kHz增大到1.46K／kHz，增幅近15倍，這一觀測(cè)結(jié)果與我國(guó)近年來(lái)開(kāi)展的極區(qū)加熱實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的結(jié)果有很好的一致性（Cheng et al.，2013）.另外從譜型特征上看，頻譜結(jié)構(gòu)出現(xiàn)零頻峰，一般我們認(rèn)為這一譜型特征與純?cè)鲩L(zhǎng)模式相對(duì)應(yīng)（Kohl et al.，1993），即此時(shí)加熱泵波激發(fā)了等離子體的本征振蕩，振蕩過(guò)程的存在導(dǎo)致電子的密度分布函數(shù)不再遵循平衡態(tài)的麥克斯韋分布，因此此時(shí)使用基于平衡態(tài)理論的反演模型反演得到的電子密度、電子溫度等電離層參量也是不可信的.平衡態(tài)下電離層中電子速度的方向是各向同性的，在非相干散射雷達(dá)的離子線譜中表現(xiàn)為較為平滑的雙峰結(jié)構(gòu).電離層加熱條件下，在諧振高度附近激發(fā)等離子體本征振蕩，振蕩方向沿地磁場(chǎng)方向.由于非相干散射雷達(dá)波束方向沿地磁場(chǎng)方向，因此從統(tǒng)計(jì)學(xué)上講，沿雷達(dá)波束方向上的電子數(shù)目增多，表現(xiàn)為尖銳的離子線譜的雙峰結(jié)構(gòu)，如圖4中給出的在加熱前后200～221km高度處的離子線譜.由于激發(fā)振蕩過(guò)程引起的電子速度分布存在優(yōu)勢(shì)方向，導(dǎo)致的離子線譜面積增大、峰谷比增加，并不意味著，電子密度增加和電子溫度升高.因此在諧振區(qū)附近，即圖2中給出的210km的電子密度269.3%的增強(qiáng)并不是真實(shí)的，是由于非相干散射理論模型的不適用引起的.同樣在反射高度上下10km處，加熱前后離子線譜的譜型結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯變化，反演所得的電子密度增強(qiáng)也是不真實(shí)的.而在更高的300，400km及500km高度上，加熱前后的譜型結(jié)構(gòu)及回波功率幅度均沒(méi)有發(fā)生明顯改變，此時(shí)基于平衡態(tài)的非相干散射理論的反演模型是適用的，因此在這些高度上的分析得到的電子密度結(jié)果是真實(shí)的，即圖2中顯示的300km以上的高度范圍內(nèi)電子密度出現(xiàn)30%～50%增強(qiáng)是真實(shí)可信的.

為了更進(jìn)一步地確定該結(jié)果的正確性，我們對(duì)數(shù)據(jù)的殘差進(jìn)行了檢驗(yàn)，來(lái)證明該電子密度的增強(qiáng)不是由于數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的錯(cuò)誤所導(dǎo)致的，殘差的驗(yàn)證結(jié)果如圖6所示.

圖3 加熱前后離子線偽彩色圖Fig.3 Ion line with the HF－pump off or on

圖4 反射高度附近加熱前后離子線譜Fig.4 Ion line spectrum around the reflection height with the HF－pump off or on

圖5 300～500km高度范圍加熱前后離子線譜Fig.5 Ion line spectrum at the altitude range of 300～500km with the HF－pump off or on

圖6 反演數(shù)據(jù)不同高度處的殘差檢驗(yàn)Fig.6 Residual error of data in different heights

圖6中縱坐標(biāo)表示高度，橫坐標(biāo)表示殘差值，藍(lán)實(shí)線表示加熱時(shí)刻（12∶12∶00）不同高度的殘差值，紅實(shí)線表示未加熱時(shí)刻（12∶22∶00）的殘差值，結(jié)果表明，諧振區(qū)附近的殘差很大.基于平衡態(tài)的非相干散射理論模型無(wú)法描述尖銳的離子線譜的雙峰結(jié)構(gòu)，擬合譜和實(shí)測(cè)譜的差距很大.因此，反射高度的反演理論是不成立的，即圖2中給出的210km的電子密度269.3%的增強(qiáng)并不是真實(shí)的，是由于非相干散射理論模型的不適用引起的.而圖5中給出了300～500km高度處加熱前后的離子線譜，從圖中可以看出，加熱前后離子線譜的譜型特征沒(méi)有發(fā)生明顯改變，均為較為平滑的雙峰結(jié)構(gòu)，只是幅度上略有增強(qiáng).對(duì)比加熱前后此高度范圍內(nèi)的殘差沒(méi)有明顯的增加，擬合譜和實(shí)測(cè)譜符合得較好，此時(shí)非相干散射理論適用，即表明300km以上的高度范圍內(nèi)電子密度出現(xiàn)30%～50%的增強(qiáng)是真實(shí)的.如前面所述，電離層加熱形成電子密度擾動(dòng)的加熱機(jī)制存在三種形式，而前兩種加熱機(jī)制可產(chǎn)生的電子密度擾動(dòng)較小，因此推斷此次加熱實(shí)驗(yàn)中電子密度的增加可能由于純?cè)鲩L(zhǎng)等不穩(wěn)定性過(guò)程的激發(fā)對(duì)電離層中的電子加速，使之成為超熱電子，超熱電子能量足夠大，足以電離中性大氣，從而改變了電子的生成率，進(jìn)一步導(dǎo)致了如此大范圍內(nèi)的電子密度增強(qiáng)現(xiàn)象，關(guān)于產(chǎn)生電子密度增強(qiáng)特征的物理機(jī)制的驗(yàn)證過(guò)程將在后面進(jìn)行詳細(xì)討論.

綜上所述，在如此廣闊的空間范圍，觀測(cè)到30%～50%的電子密度增強(qiáng)現(xiàn)象尚屬首例，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)深入理解波與等離子體的相互作用的物理機(jī)制具有十分重要的意義.

5 等離子體線譜分析

在加熱實(shí)驗(yàn)中除觀測(cè)到電子密度顯著增強(qiáng)外，等離子體線譜也出現(xiàn)了異常結(jié)構(gòu)特征，如圖7所示，橫軸為多普勒頻移，縱軸為功率密度，單位為K／kHz，在未加熱時(shí)刻，等離子體線的回波功率很小，幅值在0.025K／kHz以下，如圖7a所示；當(dāng)加熱開(kāi)啟，等離子體線回波功率會(huì)立即增強(qiáng)，幅值可達(dá)25K／kHz以上，并且頻譜結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了雙等離子體線的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如圖7b所示.一般地，等離子體線的頻譜結(jié)構(gòu)與電子的速度分布函數(shù)有關(guān)，在自然條件下，電離層中的電子處于平衡狀態(tài)，其速度分布函數(shù)遵循麥克斯韋速度分布率：

式中k為玻耳茲曼常量，T為溫度.其所對(duì)應(yīng)的等離子體線譜如圖8所示.當(dāng)加熱實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，電離層中的部分電子會(huì)被加熱產(chǎn)生的朗繆爾湍流加速，由于電子的質(zhì)量非常小，在很短的時(shí)間內(nèi)一部分的電子運(yùn)動(dòng)速度會(huì)迅速提高，形成超熱電子，進(jìn)而改變了電子的速度分布函數(shù)，形成了平衡態(tài)電子與超熱電子共存的狀態(tài).加熱時(shí)刻的電子速度分布函數(shù)及其等離子體線譜結(jié)構(gòu)示意圖如圖9a所示，黑實(shí)線為平衡態(tài)電子速度分布函數(shù)，藍(lán)虛線為超熱電子速度分布函數(shù)，由于電子速度分布函數(shù)決定了等離子體線的頻譜結(jié)構(gòu)，平衡態(tài)電子與超熱電子共存的電子速度分布特性，產(chǎn)生了雙等離子體線增強(qiáng)的特征.

一般情況下，電離層中電子熱學(xué)能量的數(shù)量級(jí)為0.1eV左右，當(dāng)電子的熱學(xué)能量達(dá)到幾電子伏特時(shí)，便認(rèn)為此電子為超熱電子（Carlson et al.，1982）.在電離層加熱實(shí)驗(yàn)中，電子在電磁波反射高度附近，會(huì)由于某種不穩(wěn)定性的激發(fā)，對(duì)電子產(chǎn)生很強(qiáng)的加速作用，從而形成超熱電子.在以往的加熱實(shí)驗(yàn)中也曾觀測(cè)到超熱電子的存在（Carlson et al.，1982；Bernhardt et al.，1989），我們利用電子的速度分布函數(shù)與等離子體線頻譜的關(guān)系，對(duì)加熱中觀測(cè)到的等離子體線雙峰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖10所示.圖10a為電子的速度分布函數(shù)，圖10b為反演得到的等離子體線譜，圖10c為加熱實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)的等離子體線譜，從圖中可以看出，仿真得到的等離子體線譜與實(shí)測(cè)譜非常的相近.仿真中，為得到與實(shí)測(cè)結(jié)果相匹配的等離子體線的第二峰，需要超熱電子的最概然速度達(dá)到2.16×106m·s－1，而電子的熱能量表達(dá)式為

圖7 （a）未加熱時(shí)和（b）加熱時(shí)的等離子體線譜Fig.7 Plasma line spectrums with（a）the HF－pump off and（b）the HF－pump on

圖8 平衡態(tài)（a）電子速度分布示意圖和（b）等離子體線譜示意圖Fig.8 The schematic diagrams of（a）electron velocity distribution and（b）plasma line spectrum in an equilibrium state

圖9 加熱時(shí)刻（a）電子速度分布函數(shù)示意圖和（b）等離子體線譜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 The schematic diagrams of（a）electron velocity distribution and（b）plasma line spectrum with the HF－pump on

圖10 （a）電子速度分布函數(shù)，（b）仿真的等離子體線譜，（c）等離子體線實(shí)測(cè)譜Fig.10 （a）Electron velocity distribution，（b）The simulated plasma line spectrum，（c）The observed plasma line spectrum in the experiment

此時(shí)最概然速率的電子熱能量E為13.28eV，Carlson曾在他們的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了十幾電子伏特到二十幾電子伏特的超熱電子（Carlson et al.，1982；Bernhardt et al.，1989），表明仿真中使用的超熱電子的能量在合理的范圍內(nèi).因此利用超熱電子的速度分布函數(shù)對(duì)等離子體線譜進(jìn)行仿真，得到了比較滿意的結(jié)果.

6 超熱電子對(duì)電子密度的影響

下面來(lái)討論超熱電子對(duì)電子密度分布的影響，電離層中的中性氣體電離現(xiàn)象大致可分為兩種，第一種是光電離，第二種是微粒電離.光電離是指電離層中的中性粒子吸收了光子能量，釋放電子的現(xiàn)象.而微粒電離通常是指高速運(yùn)動(dòng)的電子通過(guò)與中性粒子的碰撞，使之電離.對(duì)于不同種類的中性粒子，超熱電子將其電離需要不同的門(mén)檻能量，而本次實(shí)驗(yàn)中超熱電子的能量達(dá)到了電離部分中性粒子的門(mén)檻能量（Straub et al.，1996），即實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的超熱電子可以電離中性大氣，改變電子的生成率.但在反射高度附近產(chǎn)生的超熱電子是否可以到達(dá)300km及以上高度，改變那里的電子密度.下面我們討論超熱電子的縱向自由程.超熱電子在縱向運(yùn)動(dòng)中，沿著地磁場(chǎng)方向，不會(huì)受到洛侖茲力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在這種情況下，超熱電子的自由程僅與超熱電子的速度和碰撞頻率相關(guān).我們對(duì)超熱電子的自由程做了簡(jiǎn)單的估算，超熱電子的自由程與超熱電子的速度、電子與中性粒子的碰撞頻率相關(guān)，即平均自由程

式中v表示超熱電子速度，υen表示電子與中性粒子的碰撞頻率，又由于電子的碰撞頻率與離子的碰撞頻率有如下關(guān)系（Tanenbaum，1968）：

式中mi為離子質(zhì)量、me為電子質(zhì)量、Te為電子溫度、Ti為離子溫度、υin為離子的碰撞頻率.根據(jù)GUISDAP對(duì)電離層加熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的反演可以得到反射高度附近的離子碰撞頻率為υin＝0.244s－1，由此可以推算出反射高度附近的υen＝20.042s－1，進(jìn)而可以計(jì)算出最概然速率的超熱電子的平均自由程為λ＝107.774km，因此縱向自由程為L(zhǎng)＝λsinI＝105.419km（I為地磁場(chǎng)方向與地面的夾角）.表明超熱電子可以達(dá)到300km的高度，由于此平均自由程為利用反射高度附近的碰撞頻率計(jì)算，實(shí)際情況中隨著高度的上升大氣中中性粒子的數(shù)密度下降，因此離子與中性粒子的碰撞頻率、電子與中性粒子的碰撞頻率都會(huì)相應(yīng)減小，超熱電子的平均自由程會(huì)相應(yīng)地增加，即超熱電子縱向運(yùn)動(dòng)可以到達(dá)300km以上的高度，這就可以解釋300km以上高度的電子密度的增長(zhǎng)現(xiàn)象.由于相距46.762km同步觀測(cè)的VHF雷達(dá)觀測(cè)不到電子密度的增長(zhǎng)現(xiàn)象，因此超熱電子的橫向自由程應(yīng)小于46.762km，而在橫向方向上，由于洛侖茲力的存在，電子的磁旋半徑為

式中me為超熱電子質(zhì)量，e為電子電量，v為超熱電子速度，B為地磁場(chǎng)強(qiáng)度大小.經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到r＝0.25m，表明VHF雷達(dá)的確觀測(cè)不到電子密度的大范圍增長(zhǎng)現(xiàn)象，與實(shí)際情況相吻合.

經(jīng)過(guò)以上分析，表明2011年的加熱實(shí)驗(yàn)中大范圍的電子密度增強(qiáng)現(xiàn)象系由于超熱電子電離中性大氣，改變了電子的生成率，從而使電子密度顯著增強(qiáng).

7 結(jié)論

2011年11月我國(guó)開(kāi)展了極區(qū)電離層加熱實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中利用EISCAT的UHF非相干散射雷達(dá)探測(cè)到了明顯的電子密度和電子溫度擾動(dòng)特征，其中在加熱時(shí)段內(nèi)電子溫度明顯增強(qiáng)，但空間范圍僅局限在反射高度附近，屬于空間小范圍溫度增強(qiáng)事件，而電子密度在很大的空間范圍內(nèi)均出現(xiàn)了強(qiáng)烈的增強(qiáng)特征，反射高度附近電子密度最大增幅可達(dá)269.3%，而在遠(yuǎn)離諧振區(qū)的300km以上的高度增幅也可達(dá)30%～50%.通過(guò)對(duì)加熱前后不同高度離子線譜和殘差的對(duì)比分析，表明反射高度附近的269.3%電子密度增幅是不真實(shí)的，系由于反射高度附近不穩(wěn)定性等諧振過(guò)程發(fā)生，使得離子線譜的頻譜結(jié)構(gòu)和幅度均發(fā)生了異常改變，此時(shí)基于平衡態(tài)的電離層參量反演技術(shù)不適用，因此導(dǎo)致反演結(jié)果存在嚴(yán)重的誤差，而在遠(yuǎn)離諧振區(qū)300km以上的高度，離子線譜從幅度到頻譜結(jié)構(gòu)均未發(fā)生明顯異常改變，因此在這一高度范圍內(nèi)產(chǎn)生的30%～50%的電子密度增長(zhǎng)是真實(shí)的.另外UHF雷達(dá)探測(cè)到了等離子體線譜的雙諧振峰結(jié)構(gòu)，本文利用等離子體線頻譜結(jié)構(gòu)與電子速度分布函數(shù)的關(guān)系，推測(cè)實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的電子密度增強(qiáng)特征系由于加熱實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了超熱電子，超熱電子的能量足夠大，可以直接電離中性大氣，即改變了電子的生成率，進(jìn)而致使電子密度出現(xiàn)了大范圍增強(qiáng)的特征.同時(shí)本文對(duì)實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的等離子體線譜進(jìn)行了仿真，并利用仿真中使用的超熱電子的能量對(duì)超熱電子的電離能力、橫向和縱向自由程進(jìn)行了計(jì)算，驗(yàn)證了該物理機(jī)制的合理性.對(duì)超熱電子電離高度剖面的計(jì)算及對(duì)超熱電子產(chǎn)生的物理機(jī)制的研究，建立相應(yīng)數(shù)值仿真模型是我們下一步重點(diǎn)所要開(kāi)展的工作.致謝 作者特別感謝兩位審稿專家對(duì)本文研究工作提出的建設(shè)性修改意見(jiàn)及建議.

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