高緯極區(qū)電離層非相干散射譜的理論和實驗研究.pdf

1、本文以電離層等離子體的非麥克斯韋分布為出發(fā)點，圍繞著非麥克斯韋離子分布函數的求解、非麥克斯韋非相干散射譜的計算以及高緯極區(qū)離子聲波譜線增強的理論解釋與實驗分析開展了相關研究。由相關領域的研究現狀和存在問題的分析可知，目前對于非麥克斯韋離子分布函數和非相干散射譜的求解還處于嘗試階段，同時離子聲波譜線增強的理論解釋也存在著很大的爭論。所以本文將工作重點放在非麥克斯韋離子分布函數的求解，非麥克斯韋分布的電離層等離子體非相干散射譜的模擬以及離子

2、聲波譜線增強的理論解釋和實驗研究上。由于非相干散射雷達和電離層加熱的發(fā)展，這些問題已經成為利用非相干散射雷達研究電離層的熱點問題之一，亟待解決。作為研究工作的基礎，本文首先介紹了電離層等離子體的基本理論。在此基礎上，主要開展了如下工作： 第一，基于電離層等離子體的非相干散射理論，在不考慮磁場的情況下，分別采用碰撞和非碰撞等離子體非相干散射譜密度的理論公式，對麥克斯韋分布下的分布函數以及非相干散射譜進行了模擬和討論。 第二

3、，從玻耳茲曼方程出發(fā)，分別采用馳豫碰撞模型和麥克斯韋分子碰撞模型來描述玻耳茲曼碰撞積分項，基于麥克斯韋分布展開的5矩、13矩、20矩近似和雙麥克斯韋分布展開的6矩、16矩近似來表示離子分布函數。結合兩種碰撞模型下的輸運方程，分別求解得到了馳豫碰撞模型和麥克斯韋分子碰撞模型下的各階速度矩分量，將其代入分布函數的多項式中，獲得了兩種碰撞模型下離子分布函數的5矩、13矩、20矩、6矩以及16矩近似。對輸運方程的解以及離子分布函數進行了數值模擬

4、，同時對兩種碰撞模型下輸運方程的解以及分布函數進行了對比。 第三，利用已經得到的馳豫碰撞模型和麥克斯韋分子碰撞模型下離子分布函數的多項式解，采用Sheffield的非相干散射理論對非相干散射譜進行了模擬。同時對馳豫碰撞模型和麥克斯韋分子碰撞模型下得到的非相干散射譜進行了對比分析。 第四，考慮到非相干散射雷達在高緯極區(qū)電離層經常觀測到的離子聲波譜線增強的現象，分別采用現有的三種理論對離子聲波譜線增強的現象進行了解釋。通過在

5、分布函數中引入場向熱流項，對場向電流不穩(wěn)定性，以及離子-離子雙流不穩(wěn)定理論進行了修正，使其更符合實際情況，從而更好地解釋了離子聲波譜線增強的現象。 第五，聯合EISCAT（European Incoherent Scatter）雷達觀測數據和其他觀測手段，例如光學手段（極光掃描光度計，全天空極光攝像機等），選取發(fā)生離子聲波譜線增強的兩次現象進行了討論分析，找出可能引起發(fā)生離子聲波譜線增強的原因。結合場向電流不穩(wěn)定性和修正場向電流