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极区中间层夏日回波(PMSE)是发生在夏日时节极区中间层顶(80~90km)的强雷达回波现象。在过去的三十年中,PMSE现象吸引了很多人的注意。目前,PMSE现象被普遍认为是电子数密度的局域不规则结构所导致。但是,其中的物理机制仍然存在疑问。
由于大气环流,中层顶通常存在充沛的水汽,而夏季极区中层项是地球上全年温度最低的地方,水汽通常凝结成大量冰晶颗粒。这些冰晶对电子数密度的局域结构影响很大。一方面,在中间层环境中,冰晶通常会因电子依附而带上负电荷,从而降低自由电子的数密度。另一方面,冰晶质量较大,则可能降低电子扩散进而影响电子数密度不规则结构的形成和持续时间。
针对PMSE问题,本论文探讨并研究了典型中间层尘埃等离子体中可能存在的小尺度局域结构。我们首先建立了包含电子、离子和冰晶的一维流体模型。其中,冰晶视为带负电荷的背景,以重力和摩擦力相平衡的收尾速度运动。在此运动坐标系下,我们研究了电子和离子的扩散过程及其所形成的等离子体密度和电场等空间局域结构,然后数值分析冰晶数密度分别为常数和存在扰动情况下的局域结构问题,并讨论了不同尘埃等离子体参数对此结构的影响。
研究表明,当冰晶数密度不变时,电子(离子)数密度存在小尺度结构,其特征长度(标长)为米的数量级,与VHF雷达波的波长相当,这对形成雷达波的强反射有利,能够用来解释回波现象。在小尺度结构中,电子数密度都是快速衰减趋近于零,而离子数密度则衰减至与冰晶数密度相等;较高的冰晶数密度、较弱的边界电场和较小的冰晶半径都会减弱等离子体局域结构,但合理的局域结构则要求大致为1000/cm3的冰晶数密度和10mV/m以下的弱边界电场。当冰晶数密度存在扰动时,等离子体结构的总体轮廓与不存在扰动的情况类似,但在此基础上叠加了周期性振荡并出现多层结构。在此振荡结构中,冰晶数密度扰动幅度越强时,电子(离子)数密度的振荡就越强,分层结构越明显;冰晶数密度扰动的空间周期尺度越小时,电子(离子)数密度振荡的空间周期尺度也越小。简而言之,无论冰晶数密度存在扰动与否,本文研究的局域结构与一些观测事实相符合,有助于解释PMSE现象。