不同波長初始電子密度擾動對擴展F觸發效應對比研究

高澤 方涵先 汪四成

(解放軍理工大學氣象海洋學院,南京 211101)

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不同波長初始電子密度擾動對擴展F觸發效應對比研究

高澤 方涵先 汪四成

(解放軍理工大學氣象海洋學院,南京 211101)

基于適合描述中低緯電離層擴展F發展的控制方程組,首次對比分析了不同波長初始電子密度擾動對電離層Spread-F的觸發影響,討論了電離層泡狀結構和塊狀結構不規則體對不同電子密度擾動波長的響應效果.結果發現:無論是以泡狀結構為主體還是以塊狀結構為主體的不規則體,短波長擾動相對于長波長擾動更有利于Spread-F的激發;當初始電子密度減弱擾動存在于一側,而增強擾動存在于另一側時,與只存在一種情況相比,泡狀結構和塊狀結構同時出現,能夠增進彼此的擾動幅度,并且泡狀結構不規則體的抬升速度大于塊狀結構;相同電離層背景下,初始擾動所引起的泡狀不規則體和塊狀不規則體不一定都能得到抬升和發展,兩者發展趨勢并不一致.

電子密度擾動;Spread-F觸發;泡狀不規則體;塊狀不規則體;數值模擬

DOI 10.13443/j.cjors.2016011701

引 言

電離層擴展F(Spread-F)是電離層F區電子和離子密度的一種不規則擾動,具有電離圖回波描跡“擴展”的現象.它往往可以在一個很寬的頻帶范圍內造成無線電波振幅和相位短時間內的劇烈波動,即電離層閃爍,嚴重影響導航通信等空間活動的精度和準確度.基于低緯度地區電離層閃爍監測儀的數據分析,史建魁等[1-2]指出在該地區內,強區域型Spread-F同電離層閃爍在時間和區域匹配上具有較緊密的聯系,進而與電離層等離子體泡有著顯著的相關關系;也有研究通過案例分析,證實了電離層等離子體塊的出現同電離層閃爍相關聯[3],所以研究電離層Spread-F的形成和發展,電離層中的泡狀和塊狀結構,對于進一步研究電離層閃爍和無線電傳播有著十分重要的意義.盡管重力波、背景電場和中性風場等多是影響電離層擴展F發展的重要因子,也早已成為眾多學者研究的對象,但不同尺度的初始電子密度擾動同樣對擴展F的形成有重要影響作用,而關于初始擾動尺度的研究相對較少.

從探測數據來看:H.T.Cai等[4]通過GPS接收機和EISCAT/ESR雷達數據分析了電離層大尺度行進式擾動的觀測記錄;Ding F等[5]通過在中國中部地區的GPS接收機數據,分析研究了電離層中尺度擾動的特征;Frissell N A等[6]展現了由SuperDARN雷達觀測到的電離層中尺度擾動;Gurevich A等[7]建立了電離層大尺度擾動的發展理論,并同HAARP開展的實驗和極軌衛星的觀測數據進行了比對;Basu S等[8]研究了由高能高頻電波照射產生的亞千米尺度的電子密度不規則體;J.Labelle 和 M.C.Kelley[9]研究了磁赤道地區千米尺度擴展F的演化機理;Scales W A等[10]研究了由于化學物質釋放所造成的小尺度等離子體不規則體.綜上研究,從小尺度到大尺度,從米級到千米級電子密度不規則擾動皆有存在,所以研究電離層不規則體的尺度特性同樣具有重要意義.

1 基本理論

1.1 連續性方程和基本運動方程

本文采用直角坐標系,將西向取為x軸,垂直地面向上取為y軸,北向取為z軸,在中低緯地區的電離層F區,由于存在磁傾角I,使控制方程更為復雜,須考慮三維坐標空間,假設磁場B在yz平面內(不考慮磁偏角),則描述粒子運動的基本方程為[11-14]:

(1)

(2)

式中：m為粒子的質量;N為離子(電子)數密度;N0為平衡態的離子(電子)數密度;對離子α為i,對電子α為e;q為電荷;vα為粒子的運動速度;U為中性風場風速;E為電場強度;B為地磁場磁感應強度;g為重力加速度;υR為復合系數;υαn為離子或電子和中性粒子的碰撞頻率;壓力項pe=NkTe,pi=NkTi,k為玻爾茲曼常數,假設電子溫度等于離子溫度即Ti=Te=T.

本文中所考慮的高度為500 km以下,粒子碰撞特征時間尺度遠小于粒子的慣性特征時間尺度[13,15],所以可以省略方程(2)左端的慣性項,解得:

(3)

(4)

記E=E0-φ,其中E0是平衡態電場,φ是擾動電勢,采用以電子零級漂移速度運動的參考坐標系,不考慮環境風場和北向電場作用,并且,同時假設υR、υin和N0只是隨高度y變化的函數,則將式(4)帶入電子方程(1)可得

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(5)

1.2 電流的連續性方程

(6)

1.3 控制方程

由式(5)、(6)可得中低緯電離層擴展F發展的控制方程,令Q=N/N0以便于求解該方程組的非線性解,則式(5)、(6)可化為[12]:

(7)

(8)

2 數值模擬

2.1 初始和邊界條件

在本文數值模擬中,背景電離層參數由國際參考電離層IRI-2012模式得出,中性大氣背景參數由中高層大氣NRLMSISE-00模式計算得出.模擬地點為南京地區(地理坐標:32°N, 118.5°E,磁傾角為47.3°)和海口地區(地理坐標:20°N, 110°E,磁傾角為27.7°),初始時間為2012年6月中旬21LT.背景地磁場強度取為3×10-5T.對于邊界條件,在垂直方向上采用?Q/?y=0和?φ/?y=0的邊界條件,在水平方向上采用周期邊界條件.

圖1是南京和海口地區垂直方向上200～500 km高度范圍內的電子密度剖面,其中南京地區電子密度峰值高度為330 km,最大電子密度為7.38×105cm-3;海口地區電子密度峰值高度為340 km,最大電子密度為7.51×105cm-3．很明顯地可以看出海口地區的背景電子密度的峰值高度和峰值均高于南京地區.

圖1 初始電離層電子密度剖面

2.2 數值計算方法

2.3 不同擾動條件下的計算結果

模擬1 在南京地區背景水平電場強度為-1×10-3V/m,造成電子密度泡狀不規則體,并且最大5%幅度的初始擾動分別為

圖2給出了16 km和64 km長擾動后三個時次的電離層電子密度的歸一化分布情況.通過對比可以很明顯發現:泡狀不規則體在不同的擾動情況下呈現出不同的發展情況,16 km擾動產生的電子密度泡狀結構不規則體生成迅速,4 000 s時已上升至背景電子密度峰值高度附近,之后該泡狀結構進一步抬升,上升速度大約為25 km/s,擾動幅度先增加,最大耗散可達15%左右,待泡狀結構越過背景電子密度峰值高度后,擾動幅度逐漸變小,同時在泡狀結構的發展過程中在其兩側形成了電子密度增強區,最大增幅接近4%;64 km擾動產生的電子密度泡狀不規則結構明顯發展緩慢,該泡狀結構未有明顯的抬升跡象,說明該擾動未能有效地激發擴展F并促進其進一步發展,但是在擾動幅度上該波長擾動保持著不斷加深的趨勢,一度造成近30%的電子密度削減,影響的時間較長,同時也在泡狀不規則結構的兩側形成了擾動幅度較大的電子密度增強區,最大增幅為30%左右.

圖2 16 km(上)、64 km(下)初始擾動形成電子密度泡狀不規則體后不同時刻的電子密度歸一化分布

模擬2 在南京地區背景水平電場強度為-1×10-3V/m,造成電子密度塊狀不規則結構,并且最大5%幅度的初始擾動分別為

圖3給出了16 km和64 km長擾動形成電子密度塊狀不規則結構的電子密度歸一化分布情況．對于因為背景擾動而形成的塊狀結構,即電子密度增加的區域,作為電離層不規則體的一種形式,也同為擴展F的一部分,16 km擾動形成的塊狀不規則體發展較快,但擾動中心4 000 s時未能抬升至峰值高度附近,低于320 km,其抬升速度不及相同背景下泡狀不規則體的發展速度,擾動幅度經歷了一個先增大后減弱的發展歷程,最大擾動增幅為16%,同時也在其左右兩側形成耗散的擾動區,擾動中心密度減少7%左右;64 km擾動形成的塊狀不規則體,同樣未得到有效的抬升發展,但6 000 s時其在電離層F區的中低層形成了中心擾動增幅近35%的電子密度增強區,同時在其兩側也形成了較強的電子密度削減區,電子密度減少近10%,64 km波長擾動造成的強度深,作用時間長.

圖3 16 km(上)、64 km(下)初始擾動形成電子密度塊狀不規則體后不同時刻的電子密度歸一化分布

通過模擬1和模擬2關于不同波長擾動下泡狀結構和塊狀結構不規則體的發展情況很明顯地發現,擴展F的形成和發展同初始電子密度擾動波長和擾動形式有密切的聯系,在一定條件下16 km的擾動波長能有效地激發形成擴展F,而64 km的擾動未能促進不規則體的進一步抬升,說明相對情況下短波較長波擾動更有利于擴展F的形成和發展.

模擬3 在南京地區背景水平電場強度為-1×10-3V/m,最大5%幅度的初始擾動,泡狀不規則體和塊狀不規則體對比研究,擾動分別為:

在模擬3中分別考慮了3.2 km波長初始電子密度減弱或增強擾動單獨存在與6.4 km波長減弱和增強擾動兩者共同存在后不同時刻的影響效果.如圖4所示,當初始電子密度減弱或增強擾動單獨存在時,2 000 s后泡狀不規則體和塊狀不規則體中心擾動幅度分別耗散了10%和增長了12%左右,但當電子密度減弱和增強擾動在兩側共同存在時,泡狀不規則體和塊狀不規則體中心擾動幅度分別為-12%和14%左右,其擾動幅度大于密度減弱或增強擾動單獨存在的情況,說明當初始電子密度減弱存在于一側,增強擾動存在于另一側時,即兩種擾動共同存在時有利于彼此擾動幅度的加深;5 000 s時情況同2 000 s時類似,對于初始電子密度減弱或增強單獨存在的擾動,5 000 s后泡狀結構和塊狀結構中心擾動幅度分別為-10%和13%左右,對于電子密度減弱和增強共同存在的擾動,泡狀結構和塊狀結構中心擾動幅度則為-12%和14%左右.同時也對比發現:相同條件下泡狀結構的發展抬升速度快于塊狀結構的抬升速度,分別近似為30 m/s和23 m/s,該速度快于模擬1和模擬2中的抬升速度,這也同模擬1和2中討論的結果是相符合的;但是在發展速度上,初始電子密度減弱和增強共同存在的擾動并沒有對彼此的抬升速度造成明顯影響.

圖4 電子密度擾動減少(左)、電子密度擾動增加(中)、電子密度擾動減少和增加在兩側共存(右)不同時刻的電子密度歸一化分布

模擬4 在海口地區背景水平電場強度為-0.6×10-3V/m,最大5%幅度的初始擾動為

當電離層背景水平電場強度為E0x=-0.6×10-3V/m時較E0x=-1×10-3V/m更為穩定,模擬4是在海口地區由16 km和64 km波長電子密度初始擾動激發擴展F的發展情況,如圖5所示．不同波長擾動形成的泡狀不規則體抬升速度不同,分別近似為10 m/s和5 m/s,擾動所激發的電子密度泡狀結構抬升速度相對緩慢,初始電子密度擾動對電離層作用的時間更為長遠,4 000 s時擾動中心擾動分別耗散了15%和10%左右,10 000 s時擾動中心擾動幅度接近40%和35%左右,相比情況下短波長擾動發展速度和影響幅度更有利于擴展F的激發．對于圖5(e)～(h)所示的電子密度塊狀不規則體,盡管不同擾動波長所激發的幅度不同,擾動程度也在不斷加深,但并沒有出現抬升發展跡象,未能有效地激發形成擴展F.

(a) (c) (e) (g)

(b) (d) (f) (h)圖5 海口地區初始擾動形成電子密度泡狀結構或塊狀結構4 000 s和10 000 s后的電子密度歸一化分布(a)～(b),(e)～(f) 16 km擾動形成的泡狀結構或塊狀結構;(c)～(d),(g)～(h) 64 km擾動形成的泡狀結構或塊狀結構

歷史研究總結到:當沒有外加電場時,隨著緯度的增高,不穩定性的發展速度明顯減慢[13];有附加電場時,東向電場有利于Spread-F的激發和發展[16].從模擬4同模擬1和模擬2的對比來看:南京和海口地區的差異,首先是背景電子密度不同;其次是假設的電場強度不同.從模擬結果對比來看:南京地區觸發的Spread-F比海口地區的發展速度更快;而海口地區的背景電子密度結構,是更有利于其擴展F發展的,但其背景電場的強度假設為E0x=-0.6×10-3V/m,比南京地區的電場強度假設要小,較弱的電場強度會使背景場更趨于穩定,所以在這個過程中可以看出,背景電場比背景電子密度差異的作用更為突出.分析原因,可能是因為南京和海口地區的背景電子密度結構差異不大(從圖1可以看出),所以才致使電場的作用表現顯著,有待進一步研究.通過對比還可以發現:在南京地區相同的背景條件下,初始擾動所形成的泡狀結構和塊狀結構都能夠被激發和發展;而在海口地區相同的背景條件下,擾動觸發的泡狀結構得以發展和抬升,而塊狀的不規則體并沒有得到抬升,擴展F并沒有被激發形成.所以,可以總結得到,初始電子密度擾動所形成的電子密度泡狀結構和塊狀結構在相同的背景環境下,并不一定都能夠被激發和發展,兩者在發展激發趨勢上并不具有一致性.

3 總結和討論

本文在背景電離層水平均勻的假設下,基于Spread-F控制方程組,數值模擬了夜間電離層F區在初始電子密度擾動下觸發Spread-F的發展效應,對比分析了不同初始擾動波長的作用結果,得出以下結論:

1) 電離層初始電子密度擾動能觸發電離層Spread-F,當在電離層上作用不同波長的初始擾動時,相比之下,短波長擾動所激發的電子密度泡狀不規則體或塊狀不規則體具有更快的發展速度,說明短波長擾動相對于長波長擾動更有利于Spread-F的激發和發展,在擴展F的抬升發展過程中,在泡狀不規則體的兩側形成了電子密度增補區,在塊狀不規則體的兩側形成了電子密度耗散區;

2) 對于初始電子密度擾動,當初始電子密度減弱擾動存在于一側,而增強擾動存在于另一側時,與只存在一種情況相比,即泡狀不規則體和塊狀不規則體在兩側共同存在比泡狀不規則體和塊狀不規則體分別單獨存在時,能夠增進彼此的擾動幅度,更有利于擾動所造成的耗散或增長幅度的加深,并且通過對比還可發現泡狀不規則體的抬升速度大于塊狀結構;

3) 當電離層處于相對較穩定狀態時,背景環境不利于電離層Spread-F的激發,初始擾動對電離層F層底部的作用時間卻更為長遠,通過南京和海口地區的數值模擬對比也可得出,初始擾動所引起的泡狀結構和塊狀結構在相同的背景條件下,并不一定都能得到抬升和發展,兩者在發展趨勢上并不具有一致性.

真實物理環境中電離層Spread-F的物理發展機制更為復雜,本文做了相關假設和近似條件,例如:南京和海口兩個地區的磁場強度假設為相同的值,忽略了磁場強度對電離層擴展F發展的影響,并且背景參數由經驗模式得出,這同真實的大氣環境還有一定的差異,所以對于模擬的精度和準確性,還需要進一步改進和研究.

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高澤 (1991-),男,河北人,解放軍理工大學碩士研究生,研究方向為電離層物理.

方涵先 (1974-),男,福建人,解放軍理工大學教授,博士生導師,研究方向為電離層物理.

汪四成 (1988-),男,甘肅人,解放軍理工大學博士研究生,研究方向為電離層物理.

A comparative study on the effects of different wavelengths of initial electron density disturbances on triggering spread-F

GAO Ze FANG Hanxian WANG Sicheng

(InstituteofMeteorologyandOceanography,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing211101,China)

Based on a physical model developed to present the development of the lower and mid-latitudes spread-F,the effects of different disturbances of electron density on triggering spread-F are compared and the evolution of plasma bubble and blob irregularities under different perturbation wavelengths of electron density are discussed.The results show that no matter electron density is bubble or blob structure, the disturbances with short wavelength are much easier to trigger spread-F than long ones.When the initial disturbance with decreasing electron density exists in one side and increasing electron density disturbance appears in another side at the same time,the perturbation amplitude of each other will be much more enhanced than that when they appear respectively,and the uplift rate of bubble structure is much faster than blob.Even if at the same level of electron density,the electron density bubble and blob structure do not always be lifted or developed simultaneously and they do not always keep the same tendency.

disturbance of electron density;effect of triggering spread-f;bubble or blob irregularity;numerical calculation

高澤, 方涵先, 汪四成, 等.不同波長初始電子密度擾動對擴展F觸發效應對比研究[J].電波科學學報,2016,31(5):933-940.

10.13443/j.cjors.2016011701

GAO Z, FANG H X, WANG S C, et al.A comparative study on the effects of different wavelengths of initial electron density disturbances on triggering spread-F[J].Chinese journal of radio science,2016,31(5):933-940.(in Chinese).DOI：10.13443/j.cjors.2016011701

2016-01-17

國家自然科學基金(40505005)

P352

A

1005-0388(2016)05-0933-08

聯系人：方涵先 E-mail：fanghxp@sina.com