2017, Vol. 60
参量不稳定性是大功率无线电波加热电离层中的重要物理过程, 电离层加热诊断实验中观测到的反常吸收(Anomalous Absorption)(Graham and Fejer, 1976; Gurevich et al., 1996)、小尺度场向不均匀体(small scale field aligned irregularity)(Inhester et al., 1981; Blagoveshchenskaya et al., 2011)、受激电磁辐射(Stimulated Electromagnetic Emission)(Stubbe et al., 1984)和人工气晖(Bernhardt et al., 1989; Pedersen and Carlson, 2001)等现象都与参量不稳定性有直接关系.在电离层加热中, 参量不稳定性过程主要与有质动力(ponderomotive force)有关, 当电离层等离子体的某些特有振荡与加热电波的频率和波矢满足一定的匹配条件(即泵波频率等于已有的特征波模的频率和, 泵波波矢等于已有的特征波模的波矢矢量和)时, 在有质动力的驱使下, 就有可能激发出某些频率的静电波模.根据不同的激发高度, 与电离层加热相关的参量不稳定性主要有朗缪尔参量不稳定性和上混杂参量不稳定性(Thidé et al., 2005), 其中朗缪尔参量不稳定性的激发高度在O波反射点附近, 上混杂参量不稳定性的激发高度在上混杂谐振高度附近.而朗缪尔参量不稳定性根据激发波模的不同, 分为参量衰减不稳定性(PDI)和振荡双流不稳定性(OTSI).
参量不稳定性是电离层加热实验中最核心的非线性物理过程，几乎所有的加热相关的实验现象都与此有关.在最早的Platteville电离层加热实验中, Thome和Blood(1974)就报道过在电离图中出现的人工扩展F现象, Fejer(1979)认为这种人工扩展F的最初来源是参量不稳定性的激发.此外, 电离层电子能量在参量不稳定性的作用下可以加速到几个eV左右, 因此也可以激发人工气晖(Bernhardt et al., 1988, 1989).米量级的小尺度人工场向不均匀体也是通过参量不稳定性的激发(Das and Fejer, 1979; Inhester et al., 1981)，形成电子密度扰动，并在输运过程的作用下(Lee and Fejer, 1978)，形成沿场排列的电子密度条纹，小尺度人工场向不均匀体可以形成稳定的电波传播信道，具有十分重要的应用价值.参量不稳定性激发的等离子体波在小尺度人工场向不均匀体的散射作用下, 还可以二次激发出电磁波, 这就是电离层加热中的受激电磁辐射(SEE)过程(Stubbe et al., 1984).
电离层实验中关于激发参量不稳定性的最直接的证据就是在非相干散射雷达中观测到的增强的等离子体谱线和离子谱线现象.当雷达信号(ωR, kR)被等离子体波(ω, k)散射, 产生新的信号(ωRs, kRs)被接收, 其频率和波长满足散射条件：ωRs=ωR±ω, kRs=kR±k.由于ωR≫ω, 于是有
Showen和Kim(1978)首先报道了Arecibo非相干散射雷达观测到的增强的等离子体波现象, 并发现HFPLs的出现有过冲(overshoot)现象, 他们认为这种过冲现象与小尺度不均匀体存在一定的联系, 这一结论也被Djuth等(1990)认可.Kuo等(1987, 1990)提出由于朗道衰减和电子的扩散作用引起的朗缪尔波的串级也是过冲现象的原因之一.Hagfors等(1983)首先利用EISCAT雷达对电离层加热引起的等离子体谱线增强进行了研究, 结果表明, 和中低纬地区相比, 高纬度的Troms∅加热实验观测到了更为明显的过冲现象和额外的高阶谱形式.由于EISCAT雷达具有更高精度的时间和空间分辨率, 研究结果表明, 由于朗缪尔波的串级和多波的相互作用, 电离层加热引起的HFPLs和HFILs具有非常丰富的谱结构, 包含了多个频率分量(Sulzer and Fejer, 1994; Kohl and Rietveld, 1996; Rietveld et al., 2000).在加热引起的HFPLs和HFILs理论研究方面, Kuo等(1993)对谱线出现的高度进行了分析, 用来解释Arecibo实验观测到的谱线高度在小尺度不均匀体的作用下会发生偏移.Kuo和Lee (1992)也通过理论推导解释了上行谱线出现的原因.此外Dubois (1988)的朗缪尔湍动理论被广泛地用来解释朗缪尔波的串级和多波相互作用.Eliasson在参量不稳定性的研究有很大贡献, 利用Zakharov方法建立了参量不稳定性的数值模型, 并依据此模型对顶部电离层的扰动进行了数值模拟, 揭示了在参量不稳定性区域O波可能会发生波模转换, 转换为Z波向更高的区域传播(Eliasson, 2008)；并对加热电离层时发生的朗缪尔湍动频谱特征以及频谱特征与各参量之间的关系进行了模拟分析(Eliasson and Thidé, 2008)；对加热开始时前十毫秒的SEE现象进行了模拟分析(Eliasson and Stenflo, 2010)；对朗缪尔湍动过程进行了模拟分析(Eliason, 2013).Bryers等(2013)根据EISCAT加热实验给出了参量衰减不稳定性激发阈值的计算.
由于电离层加热中参量不稳定性的激发和多次衰减过程比较复杂，对这一重要物理过程目前还没有具体的定量分析.此外大量电离层加热实验均表明，参量不稳定性激发的HFPLs和HFILs并不完全匹配，这一物理问题也没有得到较好的定量解释.本文利用文章(1)所建立的电离层加热参量不稳定性数值模型, 对EISCAT观测到的HFPLs和HFILs现象进行了分析和讨论.首先在第2节报道了2012年10月19日13时和17时的两次典型的电离层寻常波模加热实验, 对实验中EISCAT观测到的HFPLs和HFILs进行了分析.在第3节和第4节, 我们基于文章(1)中的数值模型、结合加热实验参数以及EISCAT非相关散射雷达提供的背景电离层模型, 模拟了HFPLs和HFILs的产生和发展过程，结果与实验观测不仅符合较好，也定量分析了参量衰减不稳定性时空发展和多次衰减的具体过程.最后是总结.
2 实验观测EISCAT的UHF雷达是用来探测电子密度、电子温度、离子温度等等离子体参数，方向为沿磁场方向(12°S).雷达可探测高度范围为50~700 km, 分辨率为3 km, 获取数据的时间精度为5 s, 等离子体谱线和离子谱线的多普勒频率分辨率分别为1.6 kHz和1.19 kHz.利用该雷达不仅可以准确给出加热区域背景等离子体参数，还可有效探测加热电离层实验中是否有朗缪尔波和离子声波的产生, 从而推测参量衰减不稳定性是否被激发.本文选取了EISCAT的两次加热实验进行了分析, 两次加热实验均观测到了明显的等离子体谱线和离子声波谱线.
2.1 实验1实验地点位于挪威北部Troms∅(69.58°N, 19.21°E).实验日期是2012年10月19日.实验时间从12:20 LT到13:02 LT.实验加热采用1分钟开1分钟关, 有效辐射功率(ERP)分别为0.6, 2.1, 4.9, 10.5, 26.3, 52.3, 104.5 MW, 共循环三次, 加热频率fh=7.953 MHz, 加热波模为O波, 方向为南偏12°, 沿磁场方向.在整个实验过程中, 电离层临界频率foF2从10 MHz降到9 MHz, 但整个加热过程仍为过密加热.加热诊断实验采用UHF非相干散射雷达进行探测.
考虑到参量不稳定性的激发发生在毫秒量级, 而EISCAT给出的数据时间精度为5 s, 故提取每分钟加热开始的第一个5 s数据进行观测.图 1为反射区以下每分钟加热开始时第一个5 s的离子谱线图, 其横坐标为频谱偏移, 纵坐标为回波信号能量.由图中看出, 0.6~10.5 MW都没有明显的谱线的增强, 26.3 MW及以上的功率均看到了等离子体谱线的增强.在此选取104.5 MW的情况进行具体分析讨论.
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图 1 EISCAT于2012年10月19日加热实验中每次开机第一个5 s的离子谱线图 Fig. 1 First 5 s ion line after heater on during the ionospheric heating experiment of EISCAT on Oct 19, 2012 |
图 2a为第一个循环中104.5 MW加热开始第一个5 s的等离子体谱线图, 横坐标表示频谱偏移.可以看到, 在高度约为214 km, 频率fLW≈7.926 MHz处有明显的谱线增强, 此处为参量衰减不稳定性激励的朗缪尔波.图 2b为104.5 MW加热开始第一个5 s的离子谱线, 横坐标表示频谱偏移, 纵坐标为高度.在220 km处反射区域以下大约218 km, 零频率处和频率偏移约为-8.8 kHz处有明显的增强, 这与图 1是一致的.可见有效辐射功率为104.5 MW时参量衰减不稳定性被激发, 且激励出低频的离子声波, 其频率fia≈8.8 kHz.
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图 2 ERP=104.5 MW时第一个5 s的谱线 (a)等离子谱线(HFPLs); (b)离子谱线(HFILs). Fig. 2 First 5 s plasma wave spectrum after heater on where ERP=104.5 MW |
前文已经介绍参量衰减不稳定性的激发条件, 其中频率匹配条件为fh=fLW+fia.然而从图 2中可以看到激发的朗缪尔波和离子声波频率分别为7.926 MHz和8.8 kHz, 两者之和与加热泵波频率7.953 MHz并不相等.事实上这并不矛盾.当加热泵波入射到电离层, 在到达反射点以下区域时满足参量衰减不稳定性频率匹配条件, 若泵波足够强, 就会激发参量衰减不稳定性, 一部分泵波衰减为离子声波(fia, kia)和朗缪尔波(fLW=fh－fia, kLW), 考虑参量衰减不稳定性发生在反射区域附近, 故泵波波矢接近0, kia=－kLW=±2kR, kR为雷达探测波波矢.朗缪尔波会不断增长, 在增长到一定程度时, 朗缪尔波会再次衰减为一个新的朗缪尔波(f′LW, k′LW)和离子声波(f′ia, k′ia).在观测中, 对于能观测到的再次衰减的HFPLs, 满足k′LW=±2kR, 即k′LW=－kLW.同时也可能存在没有观测到的波矢不同的朗缪尔波(Rietveld et al., 1993), 所以k′ia=kLW－k′LW=2kLW, f′ia=|k′iaCs|=2fia(其中Cs为离子声波速度), 因此, 从观测角度讲, 二次衰减的朗缪尔波频率f′LW=fLW－f′ia=fh－3fia.Perkins等(1974)以Arecibo为背景做了关于加热实验中等离子体谱线随时间变化的计算, 结果显示, 随着时间的发展, 偏离加热泵波3fia处也会有非常明显的谱线增强.Robert等(1978)对Arecibo的加热实验中也观测到了等离子体谱线的串级(cascade)现象的存在和偏离加热泵波3fia处谱线明显的增强.Djuth等(2004)在EISCAT的加热实验中同样观测到了这种谱串级现象的存在.
2.2 实验2实验2的地点依然是在挪威北部Troms∅(69.58°N, 19.21°E), 时间2012年10月19日下午17:01进行的另一次加热实验.其有效辐射功率为458 MW，远大于实验1的加热有效辐射功率, 加热波模为O波模式, 加热频率fh=6.2 MHz, 方向为南偏12°, 沿磁场方向.此时F2层峰大约在270 km处, foF2大约为6.35 MHz, 为过密加热, O波反射高度约为260.7 km.数据仍然取加热开始的第一个5 s的等离子体谱线和离子谱线, 如图 3.图 3a中, 在-6.191 MHz处和-6.174 MHz处谱线增强比较明显, 其与泵波频率相差分别为9 kHz和26 kHz, 表明有不同频率的朗缪尔波被激发出.图 3b中, 在-7.1 kHz处谱线增强明显.与实验1相似, 朗缪尔波频率与离子声波频率之和并不完全等于加热泵波频率.离子声波频率的7.1 kHz和等离子体谱线中与泵波相差的9 kHz也不完全相同, 但考虑到离子声波谱线和等离子体谱线的频率分辨率分别为1.19 kHz和1.6 kHz, 因此, 离子声波实际频率可能在8 kHz左右, 可以认为等离子体谱线频率与泵波频率的差值分别为离子声波的1倍和3倍.实验2同样表明了参量不稳定性多次衰减过程.
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图 3 第一个5 s的谱线 (a)等离子谱线(HFPLs); (b)离子谱线(HFILs). Fig. 3 First 5 s plasma wave spectrum after heater on |
本文参量衰减不稳定性模型来自于文章(1)的模型，该模型根据广义Zakharov模型, 将连续性方程和动力学方程中各参量分为高频和低频两部分计算, 再结合电波传播全波解模型计算出的电场, 构建出一个一维的参量衰减不稳定性的计算模型.模型采用了不均匀嵌套网格, 在参量衰减不稳定性激发区域采用步进4 cm的细网格, 在整个电波传播的区域采用步进2 m的粗网格, 边界条件采用吸收边界.
3.1 实验1模拟采用的加热功率是104.5 MW, 加热泵波频率为7.953 MHz, 极化方式为O波模式, 均与实验一致.根据文章(1)的模型, 粗网格选取200~250 km作为模拟区域, 密网格选取O波反射区域214~218.6 km作为模拟区域.模拟初始背景来自于非相干散射雷达探测的实验前两分钟的电离层背景, 计算所需的初始电子密度、电子温度和离子温度如图 4, 加热泵波的反射高度为218.416 km.模拟结果如下.
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图 4 实验1电离层背景电子密度(黑色实线), 电子温度(红色实线)和离子温度(红色虚线) Fig. 4 Ionospheric background electron density (black solid line), electron temperature (red solid line) and ion temperature (red dashed line) in case 1 |
图 5为O波反射区以下214~218.6 km密网格中z向电场随时间和高度的变化, 横轴表示时间, t=0表示电波进入密网格区域.纵轴表示高度.可以看到, 在电场到达O波反射区以下时, 很快便开始有z向电场的存在.刚开始z向电场是大尺度的驻波形式, 且幅值在慢慢增长.在1.1 ms左右, 当z向电场的值增大到一定程度时, 可以看到大尺度的驻波形式开始消失, 而小尺度的、大幅度的z向电场开始产生, 淹没了原有的驻波形状, 这表明朗缪尔波已经被激发出.随着时间的推移, 可以看到朗缪尔波激发区域开始向下扩展.图 5表明, 根据已有的初始电离层背景和实验加热参数进行数值模拟, 产生了朗缪尔波, 参量衰减不稳定性已经被激发出, 这与实验中观测到等离子体谱线和离子声波谱线的增强是相一致的.
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图 5 z向电场随时间和高度的变化 Fig. 5 The amplitude of z axis electric field change over time and altitude |
为了查看模拟加热电离层中PDI激励的朗缪尔波和离子声波的频率, 在数值模拟时, 选取了参量衰减不稳定性发生区域中高度为218.1 km处进行采样并观测其频谱.
图 6—图 7分别为218.1 km处电子密度和离子密度的频谱图, 每0.629 ms做一次傅里叶变换, 横坐标为频率, 纵坐标为幅度.电子密度的频谱反映了高频的朗缪尔波带来的电子密度扰动, 而离子密度的频谱则反映了离子声波带来的离子密度扰动.从图 6可以看到, 在刚开始的0.629 ms时间里, 电子密度的频谱在7.953 MHz处增强, 在大约7.915 MHz和7.948 MHz处也有增强.根据计算可知其中7.915 MHz为等离子体振荡频率fp, 而7.948 MHz与加热泵波相差在kHz量级, 是朗缪尔波.在接下来的时间里, 7.953 MHz处的频谱迅速减弱, 被7.915 MHz和7.948 MHz处的增强所掩盖.7.915 MHz处的谱线在接下来的3个0.629 ms中在不断增强, 在第5个0.629 ms即2.515 ms开始7.915 MHz处的谱线几乎达到饱和.7.948 MHz处的谱线在不断增强, 在第7个0.629 ms时, 7.948 MHz处的谱线几乎饱和, 并几乎完全淹没其他的频率处的谱线.在第8个0.629 ms时, 在7.942 MHz、7.936 MHz处谱线也开始增强, 且沿7.948 MHz、7.942 MHz、7.936 MHz谱线降低, 出现多次衰减现象.之后, 频谱开始扩展.图 7展示的离子密度频谱图相对简单, 4.77 kHz处谱线一直有增强, 在第7~10个0.629 ms, 5.5 kHz和6.36 kHz处的谱线增强.
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图 6 电子密度谱图 Fig. 6 Electron density spectrum |
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图 7 离子密度谱图 Fig. 7 Ion density spectrum |
图 6和图 7可知, 在模拟加热过程中, 高频的朗缪尔波(7.948 MHz)和低频的离子声波(4.77 kHz)被激发出.其频率之和也等于加热泵波的频率, 与激发参量衰减不稳定性的频率匹配关系相一致.在电子密度频谱图中4.40~5.03 ms处, 7.948 MHz、7.942 MHz和7.936 MHz处的谱线均有增强, 频率间隔约6 kHz, 而在相同时间的离子密度谱图中也看到了6 kHz左右处谱线有增强.这是由于7.948 MHz的朗缪尔波在增长到一定程度时, 产生二次衰减, 产生新的朗缪尔波和离子声波, 于是7.942 MHz处谱线出现增强.同样, 7.942 MHz会再次衰减, 于是出现7.936 MHz的朗缪尔波.
为了更好观测模拟过程中朗缪尔波的频谱变化, 给出了电子密度的频谱随时间变化的图, 如图 8.由于频谱图的绘制需要时间的积累, 故时间从1.25 ms开始.可以看到, 在1.25 ms开始就出现7.915 MHz和7.948 MHz谱线的增强.在3 ms之内, 7.915 MHz谱线迅速增强.之后, 7.915 MHz的振荡趋于饱和, 而7.948 MHz处谱线的增强开始.直到4 ms之后, 7.948 MHz的谱线增强到一定程度时, 频谱开始扩展, 这与图 6中4.4 ms开始的7.942 MHz和7.936 MHz的谱线增强相对应.随着时间的推移, 频谱从7.948 MHz开始扩展, 证明了加热过程中朗缪尔波的多次衰减.
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图 8 电子密度谱随时间的变化 Fig. 8 Electron density spectrum changes over time |
为了更详细全面地研究这一物理过程, 我们对另外一次EISCAT加热实验进行了分析.模拟加热功率是458 MW, 加热泵波频率为6.2 MHz, 极化方式为O波模式, 与实验一致.粗网格选取220~280 km作为模拟区域, 密网格选取258~261 km作为模拟区域.提取实验之前EISCAT非相干散射雷达探测的背景数据作为模拟背景, 如图 9, 加热泵波的反射高度为260.688 km.
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图 9 实验2电离层背景电子密度(黑色实线), 电子温度(红色实线)和离子温度(红色虚线) Fig. 9 Ionospheric background electron density (black solid line), electron temperature (red solid line) and ion temperature (red dashed line) in case 2 |
图 10为O波反射区以下258~261 km密网格中z向电场随时间和高度的变化.与实验1的模拟相同, 在电场到达O波反射区域以下时很快形成大尺度的z向电场, 且慢慢增长, 在0.9 ms之后, 大尺度的驻波形式慢慢演变为小尺度、大幅度的z向电场, 淹没了驻波形状, 并逐渐向下扩展.这表明朗缪尔波被激发出.与实验中观测到谱线增强相对应.
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图 10 z向电场随时间和高度的变化 Fig. 10 The amplitude of z axis electric field change over time and altitude |
同样对反射高度以下电子密度和离子密度进行频谱分析.图 11—图 12分别为260 km处电子密度和离子密度的频谱图.从图 11可以看到, 在刚开始的0.581 ms时间里, 电子密度的频谱在6.2 MHz处增强, 也有其他频率处的增强, 但幅度都比较小.在接下来的0.581 ms里, 6.2 MHz的谱线增强幅度变大.前两个0.581 ms里, 由图 12可以看到离子并未有谱线的增强, 表明还并未产生离子声波, 参量衰减不稳定性并未被激发, 这与图 11未看到相应的等离子体谱线是对应的.在第三个0.581 ms时, 除了泵波频率处的等离子体谱线增强外, 在大约6.128 MHz处也有一个明显的增强, 此频率正好为此处等离子体振荡频率, 同时在6.194 MHz处也有一个增强.与图 12离子谱线相对应, 可以看到在5.5~6 kHz处出现离子密度谱线的增强, 符合频率匹配条件, 可见出现了朗缪尔波和离子声波, 参量衰减不稳定性被激发.同时, 模拟出的5.5~6 kHz的离子声波频率与观测到的7.1 kHz的离子声波频率比较接近.第四个0.581 ms时, 6.128 MHz处的谱线继续增强并达到饱和, 6.194 MHz处的谱线也有大幅度的增强并将加热泵波频率处谱线掩盖.从第五个0.581 ms到第六个0.581 ms, 6.194 MHz处的谱线不断增强, 淹没了等离子体振荡频率处的谱线, 同时, 6.194 MHz的谱线在第五个0.581 ms时频率有些偏移, 大致偏移到6.195 MHz左右, 同时离子密度谱线也有略微偏移.第七个0.581 ms时, 在6.19 MHz处出现了谱线的增强, 发生了二次衰减.而在第八个0.581 ms时, 6.184 MHz处谱线的增强表明了三次衰减的存在.而在接下来的时间里, 各衰减出的谱线不断增强, 而谱线增强的范围也在增大.
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图 11 电子密度谱图 Fig. 11 Electron density spectrum |
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图 12 离子密度谱图 Fig. 12 Ion density spectrum |
图 13为电子密度谱随时间的变化.从大约1.7 ms开始, 在6.2 MHz、6.194 MHz和6.128 MHz处谱线均有明显的增强.在大约2.5 ms之后6.2 MHz的谱线被逐渐增强的6.194 MHz和6.128 MHz处谱线所淹没, 同时, 6.128 MHz处的谱线达到饱和.之后, 6.194 MHz处的谱线还在增强, 大约在3.5 ms左右, 发生第二次衰减, 在4 ms之后, 发生第三次衰减.之后, 频谱开始扩展, 可能还会发生多次衰减.
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图 13 电子密度谱随时间的变化 Fig. 13 Electron density spectrum changes over time |
基于实验2的数值模拟表明, 加热也激发出朗缪尔波和离子声波, 模拟出的离子声波频率为5.5~6 kHz左右, 与观测到的7.1 kHz比较接近.与实验1相似, 模拟过程也表明在激发参量衰减不稳定性时, 发生了多次衰减, 为实验观测的解释提供了直接依据.
4 讨论本文从EISCAT在2012年10月19日的13:20 LT和17:01 LT的两次典型的加热电离层实验入手, 对实验中出现的等离子体谱线和离子谱线的增强现象进行了分析, 两次实验参数即观测结果如表 1.实验1观测中前5 s观测到了fia=8.8 kHz的离子声波谱线和频率为fh－3fia的朗缪尔波谱线, 而实验2观测中前5 s观测到了fia=7.1 kHz的离子声波谱线和频率为fh－fia、fh－3fia的朗缪尔波谱线.这均是参量衰减不稳定性发生多次衰减的结果, 与频率匹配并不矛盾.参量衰减不稳定性激发出离子声波和朗缪尔波之后, 朗缪尔波会不断增长, 在增强到一定程度时, 朗缪尔波会作为新的泵波进行二次衰减, 同样, 二次衰减的朗缪尔波又会不断增长, 可能发生三次衰减, 依次类推.数值模拟过程也很好地重现了多次衰减的发生.
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表 1 两次实验的实验参数及观测结果 Table 1 The parameters and observation results of two experiments |
根据EISCAT非相干散射雷达得到电离层初始背景和加热参数进行了针对两个实验的数值模拟，模拟参数及结果如表 2所示.模拟结果均表明：泵波到达反射区域时, 首先产生了大尺度的驻波, 对应的电子密度谱表现为在加热泵波频率处有明显的增强; 之后等离子体频率处谱线增强, 并逐渐增大并趋于饱和; 大尺度驻波向小尺度波的转变意味着参量衰减不稳定性的激发, 在离子密度谱会看到有kHz量级处的谱线增强, 说明离子声波产生, 同时, 电子密度谱会在fh－fia频率处增强, 并逐渐增长, 淹没泵波频率和等离子体频率处的增强, 可见产生的小尺度波幅度较大, 这与z向电场随时间和高度变化图一致, 说明朗缪尔波被激发; 之后, 随着朗缪尔波的增长, 电子密度谱会出现串级现象, 这表明存在泵波衰减出朗缪尔波后, 朗缪尔波继续衰减的多次衰减过程, 并为朗缪尔湍流的形成提供条件.我们利用EISCAT雷达观测到的等离子体谱线和离子声波谱线正是这一过程在秒量级上达到稳定状态的结果(Perkins et al., 1974).Eliasson(2008)关于全尺度的参量衰减不稳定性的模拟结果显示电磁波到达反射点附近后也经历了产生大尺度驻波、大尺度驻波向大幅度的小尺度静电波转换的过程, 与我们模拟结果相一致.
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表 2 两次实验的模拟参数及模拟结果 Table 2 The parameters and results of two numerical simulations |
多次衰减现象之后, 会有一个频谱扩展现象, 在一定频带范围内都会有增强, 而观测中只是在某个频点上有增强, 这种差异是因为非相干散射雷达可以观测到的波必须满足布拉格散射条件.因此在整个过程中, 可能出现其他频率的波, 但是由于这些波不满足布拉格散射条件, 所以未被观测到, 对于这一点, Rietveld在1993年对此也进行过类似的阐述.
5 结论本文详细分析了EISCAT在2012年10月19日两次典型加热实验中激发参量衰减不稳定性的诊断数据, 利用文章(1)中建立的参量不稳定性全过程数值模型, 对实验观测结果进行了定量解释, 结果表明：
(1) 两次实验均观测到了明显的等离子体谱线和离子声波谱线的增强现象, 表明了加热泵波激发了参量衰减不稳定性过程;
(2) 朗缪尔波频率、离子声波频率和加热泵波频率并不满足简单的参量不稳定性频率匹配条件, 实验1结果表明等离子体谱线频率为fh－3fia, 实验2结果表明等离子体谱线增强频率为fh－fia和fh－3fia，这一结果表明加热过程中激发了多次参量衰减不稳定性;
(3) 数值模拟结果表明, 加热泵波在O波反射点处激发了参量衰减不稳定性, 并出现了清晰的朗缪尔波和离子声波谱线，随着加热过程的继续, 在毫秒量级上发生了朗缪尔波多次参量衰减过程, 最终在秒量级上达到朗缪尔湍动的稳定状态.我们模拟结果与实验结果一致, 重现和解释了两次实验的参量衰减过程.
致谢作者感谢EISCAT提供的电离层加热诊断数据.
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