低纬/赤道电离层广义R--T不稳定性发展的控制因素分析
低纬赤道电离层是地球空间环境的重要组成部分，其电动力学过程极为复杂多变，并且对远距离地-地和星-地无线电通信有强烈的影响。可使穿过它传播的无线电波产生反射、散射、吸收和折射等效应;特别是低纬赤道电离层中经常存在的不同尺度的不规则结构，将引起跨电离层传播的电波振幅和相位随时间和空间快速随机起伏，即电离层闪烁。因此，电离层不规则结构的生成机制受到普遍关注，成为空间天气研究的前沿课题之一。 经过多年的研究，人们对电离层等离子体泡和羽状烟云类赤道F层不规则结构生成机制的认识已经有了很大进展，但仍然存在一些有待解决的问题。比如，多种技术手段的观测都表明，在电离层F层高度上，经常存在热层风矢量和电场矢量的空间梯度，而热层风和电场的空间梯度是否影响导致不规则结构产生的R-T不稳定性增长，影响程度如何，一直没有深入的研究。观测还发现，不规则结构的逐日变化频繁剧烈，并存在显著的随太阳活动、季节和经度的变化，在理论上解释这种变化，也需要深入细致的研究。还有，何种机制使得经常在电离层F层底部和顶部同时观测到等离子体泡和羽状烟云类不规则结构，也是有待研究的问题。本文针对这些问题，试图通过广义R-T不稳定性线性增长的理论分析，来进一步了解影响赤道F层不规则结构产生和发展的控制因素，深化对赤道F层不规则结构生成机制的认识。 文中在介绍电离层的基本概念和结构形态特征的基础上，较系统地综述了前人在赤道F层不规则结构方面的实验和理论研究成果和存在的问题，包括ESF形成的基本机制、ESF的出现率和持续时间以及影响ESF出现的各种因素。然后，在局地、通量管积分和偶极描述下，开展了影响广义R-T不稳定性触发和演化的控制因素的理论分析，导出了考虑背景电导率及其梯度、背景电场矢量及其梯度和热层风场矢量及其梯度时的广义R-T不稳定性线性增长率表达式，在此基础上，对背景电导率、背景电场和热层风场及其梯度在广义R-T不稳定性触发和演化过程中所起的作用进行了定性分析，并通过数值计算对其影响程度做了定量估计。 本文重点开展了以下研究工作: 1、对赤道面内二维广义R-T不稳定性线性增长率进行分析计算，导出了局地坐标系中的线性增长率，并对线性增长率与电离层峰高之间的关系作了统计分析，结果表明，电离层峰高与R-T不稳定性线性增长率之间存在很好的相关，是影响R-T不稳定性的重要因素之一。 2、利用通量管积分方法，研究了在广义R-T不稳定性演化过程中E区和F区之间的电耦合和E区有限电导率及通量管积分Pedersen电导率的纬圈梯度的影响。 3、在计入电离层电导率、背景电场和热层风场和它们的梯度的影响条件下，建立了三维广义R-T线性增长率的完整数学表达，并较深入和较系统地分析计算了背景电导率的空间梯度、背景电场矢量和热层风场矢量的空间梯度对广义R-T不稳定性线性增长的控制作用和影响程度。 本研究首次计入并较深入地分析计算了背景电导率的空间梯度、背景电场矢量和热层风场矢量的空间梯度对广义R-T不稳定性线性增长的控制作用和影响程度。这一研究具有创新意义的成果如下: 1、证明背景电导率梯度对通量管积分R-T不稳定性总是起抑制作用; 2、数值计算表明，在典型的背景电离层条件下，电场梯度和风场梯度对线性增长率具有极为重要和不可忽略的影响，背景电场和热层风场的空间梯度对R-T不稳定性起促进作用还是抑制作用取决于梯度的极性，对不稳定性的线性增长率的影响程度取决于梯度的大小; 3、发现背景电场和中性风场的空间梯度可导致F层峰以上区域的线性增长率显著为正，即广义R-T不稳定性不仅可以在F层底部触发，也可在F层峰以上触发。
电离层;不规则结构;生成机制;广义R-T不稳定性;线性增长率
武汉大学
博士
空间物理学
徐继生
2009
中文
P352.5
2019-07-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）