不同波长初始电子密度扰动对扩展F触发效应对比研究

高泽 方涵先 汪四成

(解放军理工大学气象海洋学院,南京 211101)



不同波长初始电子密度扰动对扩展F触发效应对比研究

高泽 方涵先 汪四成

(解放军理工大学气象海洋学院,南京 211101)

基于适合描述中低纬电离层扩展F发展的控制方程组,首次对比分析了不同波长初始电子密度扰动对电离层Spread-F的触发影响,讨论了电离层泡状结构和块状结构不规则体对不同电子密度扰动波长的响应效果.结果发现:无论是以泡状结构为主体还是以块状结构为主体的不规则体,短波长扰动相对于长波长扰动更有利于Spread-F的激发;当初始电子密度减弱扰动存在于一侧,而增强扰动存在于另一侧时,与只存在一种情况相比,泡状结构和块状结构同时出现,能够增进彼此的扰动幅度,并且泡状结构不规则体的抬升速度大于块状结构;相同电离层背景下,初始扰动所引起的泡状不规则体和块状不规则体不一定都能得到抬升和发展,两者发展趋势并不一致.

电子密度扰动;Spread-F触发;泡状不规则体;块状不规则体;数值模拟

DOI 10.13443/j.cjors.2016011701

引 言

电离层扩展F(Spread-F)是电离层F区电子和离子密度的一种不规则扰动,具有电离图回波描迹“扩展”的现象.它往往可以在一个很宽的频带范围内造成无线电波振幅和相位短时间内的剧烈波动,即电离层闪烁,严重影响导航通信等空间活动的精度和准确度.基于低纬度地区电离层闪烁监测仪的数据分析,史建魁等[1-2]指出在该地区内,强区域型Spread-F同电离层闪烁在时间和区域匹配上具有较紧密的联系,进而与电离层等离子体泡有着显著的相关关系;也有研究通过案例分析,证实了电离层等离子体块的出现同电离层闪烁相关联[3],所以研究电离层Spread-F的形成和发展,电离层中的泡状和块状结构,对于进一步研究电离层闪烁和无线电传播有着十分重要的意义.尽管重力波、背景电场和中性风场等多是影响电离层扩展F发展的重要因子,也早已成为众多学者研究的对象,但不同尺度的初始电子密度扰动同样对扩展F的形成有重要影响作用,而关于初始扰动尺度的研究相对较少.

从探测数据来看:H.T.Cai等[4]通过GPS接收机和EISCAT/ESR雷达数据分析了电离层大尺度行进式扰动的观测记录;Ding F等[5]通过在中国中部地区的GPS接收机数据,分析研究了电离层中尺度扰动的特征;Frissell N A等[6]展现了由SuperDARN雷达观测到的电离层中尺度扰动;Gurevich A等[7]建立了电离层大尺度扰动的发展理论,并同HAARP开展的实验和极轨卫星的观测数据进行了比对;Basu S等[8]研究了由高能高频电波照射产生的亚千米尺度的电子密度不规则体;J.Labelle 和 M.C.Kelley[9]研究了磁赤道地区千米尺度扩展F的演化机理;Scales W A等[10]研究了由于化学物质释放所造成的小尺度等离子体不规则体.综上研究,从小尺度到大尺度,从米级到千米级电子密度不规则扰动皆有存在,所以研究电离层不规则体的尺度特性同样具有重要意义.

1 基本理论

1.1 连续性方程和基本运动方程

本文采用直角坐标系,将西向取为x轴,垂直地面向上取为y轴,北向取为z轴,在中低纬地区的电离层F区,由于存在磁倾角I,使控制方程更为复杂,须考虑三维坐标空间,假设磁场B在yz平面内(不考虑磁偏角),则描述粒子运动的基本方程为[11-14]:

(1)

(2)

式中：m为粒子的质量;N为离子(电子)数密度;N0为平衡态的离子(电子)数密度;对离子α为i,对电子α为e;q为电荷;vα为粒子的运动速度;U为中性风场风速;E为电场强度;B为地磁场磁感应强度;g为重力加速度;υR为复合系数;υαn为离子或电子和中性粒子的碰撞频率;压力项pe=NkTe,pi=NkTi,k为玻尔兹曼常数,假设电子温度等于离子温度即Ti=Te=T.

本文中所考虑的高度为500 km以下,粒子碰撞特征时间尺度远小于粒子的惯性特征时间尺度[13,15],所以可以省略方程(2)左端的惯性项,解得:

(3)

(4)

记E=E0-φ,其中E0是平衡态电场,φ是扰动电势,采用以电子零级漂移速度运动的参考坐标系,不考虑环境风场和北向电场作用,并且,同时假设υR、υin和N0只是随高度y变化的函数,则将式(4)带入电子方程(1)可得

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(5)

1.2 电流的连续性方程

(6)

1.3 控制方程

由式(5)、(6)可得中低纬电离层扩展F发展的控制方程,令Q=N/N0以便于求解该方程组的非线性解,则式(5)、(6)可化为[12]:

(7)

(8)

2 数值模拟

2.1 初始和边界条件

在本文数值模拟中,背景电离层参数由国际参考电离层IRI-2012模式得出,中性大气背景参数由中高层大气NRLMSISE-00模式计算得出.模拟地点为南京地区(地理坐标:32°N, 118.5°E,磁倾角为47.3°)和海口地区(地理坐标:20°N, 110°E,磁倾角为27.7°),初始时间为2012年6月中旬21LT.背景地磁场强度取为3×10-5T.对于边界条件,在垂直方向上采用∂Q/∂y=0和∂φ/∂y=0的边界条件,在水平方向上采用周期边界条件.

图1是南京和海口地区垂直方向上200～500 km高度范围内的电子密度剖面,其中南京地区电子密度峰值高度为330 km,最大电子密度为7.38×105cm-3;海口地区电子密度峰值高度为340 km,最大电子密度为7.51×105cm-3．很明显地可以看出海口地区的背景电子密度的峰值高度和峰值均高于南京地区.

图1 初始电离层电子密度剖面

2.2 数值计算方法

2.3 不同扰动条件下的计算结果

模拟1 在南京地区背景水平电场强度为-1×10-3V/m,造成电子密度泡状不规则体,并且最大5%幅度的初始扰动分别为

图2给出了16 km和64 km长扰动后三个时次的电离层电子密度的归一化分布情况.通过对比可以很明显发现:泡状不规则体在不同的扰动情况下呈现出不同的发展情况,16 km扰动产生的电子密度泡状结构不规则体生成迅速,4 000 s时已上升至背景电子密度峰值高度附近,之后该泡状结构进一步抬升,上升速度大约为25 km/s,扰动幅度先增加,最大耗散可达15%左右,待泡状结构越过背景电子密度峰值高度后,扰动幅度逐渐变小,同时在泡状结构的发展过程中在其两侧形成了电子密度增强区,最大增幅接近4%;64 km扰动产生的电子密度泡状不规则结构明显发展缓慢,该泡状结构未有明显的抬升迹象,说明该扰动未能有效地激发扩展F并促进其进一步发展,但是在扰动幅度上该波长扰动保持着不断加深的趋势,一度造成近30%的电子密度削减,影响的时间较长,同时也在泡状不规则结构的两侧形成了扰动幅度较大的电子密度增强区,最大增幅为30%左右.

图2 16 km(上)、64 km(下)初始扰动形成电子密度泡状不规则体后不同时刻的电子密度归一化分布

模拟2 在南京地区背景水平电场强度为-1×10-3V/m,造成电子密度块状不规则结构,并且最大5%幅度的初始扰动分别为

图3给出了16 km和64 km长扰动形成电子密度块状不规则结构的电子密度归一化分布情况．对于因为背景扰动而形成的块状结构,即电子密度增加的区域,作为电离层不规则体的一种形式,也同为扩展F的一部分,16 km扰动形成的块状不规则体发展较快,但扰动中心4 000 s时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状不规则体的发展速度,扰动幅度经历了一个先增大后减弱的发展历程,最大扰动增幅为16%,同时也在其左右两侧形成耗散的扰动区,扰动中心密度减少7%左右;64 km扰动形成的块状不规则体,同样未得到有效的抬升发展,但6 000 s时其在电离层F区的中低层形成了中心扰动增幅近35%的电子密度增强区,同时在其两侧也形成了较强的电子密度削减区,电子密度减少近10%,64 km波长扰动造成的强度深,作用时间长.

图3 16 km(上)、64 km(下)初始扰动形成电子密度块状不规则体后不同时刻的电子密度归一化分布

通过模拟1和模拟2关于不同波长扰动下泡状结构和块状结构不规则体的发展情况很明显地发现,扩展F的形成和发展同初始电子密度扰动波长和扰动形式有密切的联系,在一定条件下16 km的扰动波长能有效地激发形成扩展F,而64 km的扰动未能促进不规则体的进一步抬升,说明相对情况下短波较长波扰动更有利于扩展F的形成和发展.

模拟3 在南京地区背景水平电场强度为-1×10-3V/m,最大5%幅度的初始扰动,泡状不规则体和块状不规则体对比研究,扰动分别为:

在模拟3中分别考虑了3.2 km波长初始电子密度减弱或增强扰动单独存在与6.4 km波长减弱和增强扰动两者共同存在后不同时刻的影响效果.如图4所示,当初始电子密度减弱或增强扰动单独存在时,2 000 s后泡状不规则体和块状不规则体中心扰动幅度分别耗散了10%和增长了12%左右,但当电子密度减弱和增强扰动在两侧共同存在时,泡状不规则体和块状不规则体中心扰动幅度分别为-12%和14%左右,其扰动幅度大于密度减弱或增强扰动单独存在的情况,说明当初始电子密度减弱存在于一侧,增强扰动存在于另一侧时,即两种扰动共同存在时有利于彼此扰动幅度的加深;5 000 s时情况同2 000 s时类似,对于初始电子密度减弱或增强单独存在的扰动,5 000 s后泡状结构和块状结构中心扰动幅度分别为-10%和13%左右,对于电子密度减弱和增强共同存在的扰动,泡状结构和块状结构中心扰动幅度则为-12%和14%左右.同时也对比发现:相同条件下泡状结构的发展抬升速度快于块状结构的抬升速度,分别近似为30 m/s和23 m/s,该速度快于模拟1和模拟2中的抬升速度,这也同模拟1和2中讨论的结果是相符合的;但是在发展速度上,初始电子密度减弱和增强共同存在的扰动并没有对彼此的抬升速度造成明显影响.

图4 电子密度扰动减少(左)、电子密度扰动增加(中)、电子密度扰动减少和增加在两侧共存(右)不同时刻的电子密度归一化分布

模拟4 在海口地区背景水平电场强度为-0.6×10-3V/m,最大5%幅度的初始扰动为

当电离层背景水平电场强度为E0x=-0.6×10-3V/m时较E0x=-1×10-3V/m更为稳定,模拟4是在海口地区由16 km和64 km波长电子密度初始扰动激发扩展F的发展情况,如图5所示．不同波长扰动形成的泡状不规则体抬升速度不同,分别近似为10 m/s和5 m/s,扰动所激发的电子密度泡状结构抬升速度相对缓慢,初始电子密度扰动对电离层作用的时间更为长远,4 000 s时扰动中心扰动分别耗散了15%和10%左右,10 000 s时扰动中心扰动幅度接近40%和35%左右,相比情况下短波长扰动发展速度和影响幅度更有利于扩展F的激发．对于图5(e)～(h)所示的电子密度块状不规则体,尽管不同扰动波长所激发的幅度不同,扰动程度也在不断加深,但并没有出现抬升发展迹象,未能有效地激发形成扩展F.

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

(b) (d) (f) (h)图5 海口地区初始扰动形成电子密度泡状结构或块状结构4 000 s和10 000 s后的电子密度归一化分布(a)～(b),(e)～(f) 16 km扰动形成的泡状结构或块状结构;(c)～(d),(g)～(h) 64 km扰动形成的泡状结构或块状结构

历史研究总结到:当没有外加电场时,随着纬度的增高,不稳定性的发展速度明显减慢[13];有附加电场时,东向电场有利于Spread-F的激发和发展[16].从模拟4同模拟1和模拟2的对比来看:南京和海口地区的差异,首先是背景电子密度不同;其次是假设的电场强度不同.从模拟结果对比来看:南京地区触发的Spread-F比海口地区的发展速度更快;而海口地区的背景电子密度结构,是更有利于其扩展F发展的,但其背景电场的强度假设为E0x=-0.6×10-3V/m,比南京地区的电场强度假设要小,较弱的电场强度会使背景场更趋于稳定,所以在这个过程中可以看出,背景电场比背景电子密度差异的作用更为突出.分析原因,可能是因为南京和海口地区的背景电子密度结构差异不大(从图1可以看出),所以才致使电场的作用表现显著,有待进一步研究.通过对比还可以发现:在南京地区相同的背景条件下,初始扰动所形成的泡状结构和块状结构都能够被激发和发展;而在海口地区相同的背景条件下,扰动触发的泡状结构得以发展和抬升,而块状的不规则体并没有得到抬升,扩展F并没有被激发形成.所以,可以总结得到,初始电子密度扰动所形成的电子密度泡状结构和块状结构在相同的背景环境下,并不一定都能够被激发和发展,两者在发展激发趋势上并不具有一致性.

3 总结和讨论

本文在背景电离层水平均匀的假设下,基于Spread-F控制方程组,数值模拟了夜间电离层F区在初始电子密度扰动下触发Spread-F的发展效应,对比分析了不同初始扰动波长的作用结果,得出以下结论:

1) 电离层初始电子密度扰动能触发电离层Spread-F,当在电离层上作用不同波长的初始扰动时,相比之下,短波长扰动所激发的电子密度泡状不规则体或块状不规则体具有更快的发展速度,说明短波长扰动相对于长波长扰动更有利于Spread-F的激发和发展,在扩展F的抬升发展过程中,在泡状不规则体的两侧形成了电子密度增补区,在块状不规则体的两侧形成了电子密度耗散区;

2) 对于初始电子密度扰动,当初始电子密度减弱扰动存在于一侧,而增强扰动存在于另一侧时,与只存在一种情况相比,即泡状不规则体和块状不规则体在两侧共同存在比泡状不规则体和块状不规则体分别单独存在时,能够增进彼此的扰动幅度,更有利于扰动所造成的耗散或增长幅度的加深,并且通过对比还可发现泡状不规则体的抬升速度大于块状结构;

3) 当电离层处于相对较稳定状态时,背景环境不利于电离层Spread-F的激发,初始扰动对电离层F层底部的作用时间却更为长远,通过南京和海口地区的数值模拟对比也可得出,初始扰动所引起的泡状结构和块状结构在相同的背景条件下,并不一定都能得到抬升和发展,两者在发展趋势上并不具有一致性.

真实物理环境中电离层Spread-F的物理发展机制更为复杂,本文做了相关假设和近似条件,例如:南京和海口两个地区的磁场强度假设为相同的值,忽略了磁场强度对电离层扩展F发展的影响,并且背景参数由经验模式得出,这同真实的大气环境还有一定的差异,所以对于模拟的精度和准确性,还需要进一步改进和研究.

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高泽 (1991-),男,河北人,解放军理工大学硕士研究生,研究方向为电离层物理.

方涵先 (1974-),男,福建人,解放军理工大学教授,博士生导师,研究方向为电离层物理.

汪四成 (1988-),男,甘肃人,解放军理工大学博士研究生,研究方向为电离层物理.

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

高泽, 方涵先, 汪四成, 等.不同波长初始电子密度扰动对扩展F触发效应对比研究[J].电波科学学报,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

国家自然科学基金(40505005)

P352

A

1005-0388(2016)05-0933-08

联系人：方涵先 E-mail：fanghxp@sina.com