地球物理学报  2018, Vol. 61 Issue (11): 4323-4336   PDF    
大功率高频电波加热电离层的非线性物理过程
周晨, 王翔, 刘默然, 倪彬彬, 赵正予     
武汉大学电子信息学院空间物理系, 武汉 430072
摘要:地基大功率电波加热电离层是通过地基大功率短波发射机向电离层发射无线电波,通过波-粒和波-波的相互作用将无线电波的能量注入电离层.通过这种有目的可操控的方式改变电离层电子密度和温度的分布,可以深入研究电离层中等离子体能量和物质的非线性演化过程,特别是电离层电子的非平衡态分布和加速问题.本文通过对电离层加热中几个比较重要物理过程的评述,对过去20年来我国研究学者在这一研究方向上取得的重要进展进行了介绍.
关键词: 大功率高频电波      非线性过程      电离层加热      欧姆加热      自聚焦不稳定性      参量不稳定性      朗缪尔湍流     
Nonlinear processes in ionosphere: Report on the mechanisms of ionospheric heating by the powerful radio waves
ZHOU Chen, WANG Xiang, LIU MoRan, NI BinBin, ZHAO ZhengYu     
Department of Space Physics, School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430072, China
Abstract: Ionospheric heating by powerful radio wave is realized through radio wave injection into ionosphere by ground-based shortwave transmitter emission. Energy of radio wave can be transferred into ionospheric plasma through wave-particle and wave-wave interaction. By utilizing this object-oriented and manipulative operation, ionospheric electron density and temperature can be artificially changed. The most important physical processes includes the nonlinear evolution of ionospheric plasma, electron non-equilibrium distribution, electron acceleration, etc. In this paper, we present the principal process of ionospheric heating and introduce the recent research progress achieved by Chinese scholars.
Keywords: Powerful HF wave    Nonlinear process    Ionospheric heating    Ohmic heating    Self-focusing instability    Parametric instability    Langmuir turbulence    
0 引言

大功率电波加热电离层利用地基大功率加热阵发射高频段(3~30 MHz)的无线电波和电离层等离子体相互作用, 进而激发一系列的非线性物理过程.一方面, 人工电离层加热研究具有十分重要的理论研究价值, 利用电离层加热产生的各种实验现象有助于发现电离层中的新现象, 也可以深入研究空间等离子体物理的各种物理过程, 包括能量转换、不稳定性的激发、等离子体湍流、粒子加速等(Stubbe, 1981, 1996; Stubbe et al., 1982; Robinson, 1989; Gurevich, 2007; Leyser and Wong, 2009); 另一方面, 人工电离层加热产生的各种效应, 例如调制加热激发VLF/ELF/ULF电波、人工场向不均匀体、气辉增强等也具有一定的军事应用价值(Stubbe, 1981; Bakhmet′eva et al., 1987; Alpert, 1995; Barr and Stubbe, 1997; Papadopoulos et al., 2003; Minkoff et al., 1974; Isham et al., 1987; Kelley et al., 1995; Blagoveshchenskaya et al., 2013, 2014; Bernhardt et al., 1988a, 1988b; Kosch et al., 2007b).

从加热电波的角度, 电离层加热的理论研究重点是两种非线性机制:(ⅰ)无线电波欧姆加热为主的热效应(Robinson, 1989; Rietveld et al., 1993), (ⅱ)电波波场作用导致的参量不稳定性以及电子加速效应(Kosch et al., 2007a; Kuo, 2015; Carlson and Jensen, 2015).在电离层加热中, 这两种机制对应了不同的时间和空间尺度的物理过程, 并相互联系, 最终构成了完整的电离层加热物理图景.

自1970年世界上第一部大功率高频发射机在美国Colorado州的Platteville建立并投入使用以来(Carroll et al., 1974), 世界上主要的发达国家都开展了地基大功率电波加热电离层的实验.1977年, 美国又在Alaska建立了HIPAS加热装置(Wong et al., 1990); 进入20世纪80年代, 美国的Arecibo加热装置(Gordon and Carlson, 1974; Fejer et al., 1985; Stocker et al., 1992), 前苏联的SURA加热装置(Kagan et al., 2006)和欧洲非相干散射协会的Tromsø加热装置(Rietveld et al., 1993, 2016)相继开始运行, 获得了极大的成功, 观测到了很多令人瞩目的实验结果, 包括大尺度的电子密度和温度的扰动、从几十千米到厘米尺度的人工场向不均匀体(FAIs)、增强的等离子体谱线(HFPL)、受激电磁辐射(SEE)、人工气辉、Langmuir湍流等(Allen et al., 1974; Utlaut and Violette, 1974; Frey and Gordon, 1982; Bernhardt et al., 1988a, 1988b; Stocker et al., 1992; DuBois et al., 1990; Kelley et al., 1995; Blaunstein, 1996).同时国际知名学术期刊以专刊的形式对加热的实验和理论研究成果进行了报道, 例如Journal of Geophysical Research (75(A11), 1970); Radio Science (9(11), 1974); Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics (44(12), 1982; 47(12), 1985; 59(18), 1997)等.

1997年, 由美国空军、美国海军、美国国防部先进研究项目局(DARPA)和阿拉斯加大学合作, 在阿拉斯加的Gakona开展了著名的高频主动极光研究项目(HAARP)(Pedersen and Carlson, 2001).HAARP是目前世界上功率最大的地基电离层加热发射装置, 其最大有效辐射功率可以到3 GW.由于HAARP超高的加热功率和高纬电离层的特殊背景, 在电离层调制加热和电子加速等研究领域取得大量的研究成果(Kosch et al., 2007a, 2007b; Papadopoulos et al., 2011; Hysell et al., 2015; Mishin et al., 2016).近年来, 由于美国国防开支的调整, HAARP于2015年7月正式移交给阿拉斯加大学进行管理, 主要用于科学研究目的.

大功率电波加热电离层研究是无线电波传播、空间科学、等离子物理等多学科的交叉领域, 一直以来都是空间物理学和无线电物理学的重要研究方向.经过半个世纪的发展, 对电离层加热物理机制的研究也越来越深入, 其理论机制的研究已从早期的现象描述发展到了现阶段的定量分析, 研究热点也从简单的欧姆加热理论发展到了电子加速和等离子体湍流等前沿领域.

本文对最近二十年来的电离层加热机理研究的最新成果和研究热点进行介绍, 特别是对我国研究人员的相关重要研究进展进行一个简单的综述.基于电离层加热物理机制的不同, 本文主要从以下5个方面进行展开, 包括(ⅰ)欧姆加热机制, (ⅱ)热自聚焦不稳定性, (ⅲ)低电离层和高电离层调制加热, (ⅳ)参量不稳定性, (ⅴ)电子加速.其中前三个内容以电波热效应为主, 后两个内容以动力学效应为主.文章的最后是总结和展望.

1 欧姆加热

电离层欧姆加热的实质是电离层电子在高频电波的作用下获得能量, 并通过与离子和中性粒子的碰撞将能量传递开去, 引起电离层中离子和中性粒子的加热, 但是相比于电子的温度改变, 离子和中性粒子的温度改变是很小的.这种基于欧姆/焦耳加热机制导致电离层背景温度上升的过程也被称为反常韧致辐射.由于电子温度的上升, 电离层离解复合系数下降, 因此在输运过程不明显的低电离层, 电子密度上升; 而对于沿场扩散系数较大的高电离层, 在热压力的作用下, 加热中心区域(电波反射点)电子密度会下降, 而沿着磁力线上下两侧电子密度会上升, 形成中心电子密度下降, 上下两侧电子密度增强的情况, 电子密度的分布类似于自然电离层的磁赤道“喷泉效应”.而电子温度和电子密度的改变又会影响加热电波的传播, 形成加热无线电波的聚焦和散焦等自作用, 因此欧姆加热是一个热非线性过程.此外因为入射电波的能量在电离层中损失, 因此要维持一定的加热效果, 就必须持续地发射电波以保证电离层加热过程最终趋向能量的动态平衡.图 1给出了一个典型的欧姆加热导致的电离层电子温度和电子密度变化的结果.

图 1 电离层电子温度(a)和电子密度(b)的变化(Zhou et al., 2016) Fig. 1 Changes of ionospheric electron density (a) and temperature (b) (Zhou et al., 2016)

在早期的欧姆加热模型中, 往往基于经验公式计算非偏移区加热电波能量的损失, 可以较好地解决欠密(underdense)加热问题.此外射线追踪技术能够相对准确地计算加热电波能量的空间分布(Meltz and LeLevier, 1970), 因此得到了广泛的应用.而对于过密(overdense)加热的情况, 在加热电波反射区, 由于参量不稳定性的激发, 导致反常吸收和模式转换的存在, 只能通过饱和光谱法建立经验模型对电波能量分布进行估算(Meltz et al., 1974; Perkins and Valeo, 1974).

黄文耿等(黄文耿和古士芬, 2003; 黄文耿等, 2004)基于无线电波经验吸收模型, 分别建立了低电离层和高电离层的欧姆加热模型, 基于模型计算结果解释了电离层加热实验中的一些观测现象, 并简单分析了对人工加热电离层的可能应用.倪彬彬等(2004)魏寒颖等(2006)建立了大功率高频电波加热电离层的一维和二维的数值模型, 用数值模拟的方法证明了大功率高频电波加热电离层的可行性.何昉等(2006)基于该数值模型, 针对不同纬度、不同加热功率和频率, 分析了电离层电子密度和温度的变化.邓峰等(2009)充分考虑了等离子体沿场扩散过程的影响, 建立了高频加热电离层二维数值模型, 进行了二维数值模拟.吴军等(2007)针对北欧Tromsø加热实验结果, 对北极区低电离层加热效应进行了一维和二维数值模拟研究.王占阁等(2011, 2012)结合北欧Tromsø加热实验结果, 对北极区F层加热效应进行了一维和二维数值模拟研究.汪四成等(2012)基于数值模型讨论了低电离层电子温度和电子密度的饱和时间.孟兴和方涵先(2014)比较了低电离层O波模式和X波模式加热效果的区别, 还利用电离层SAMI2模式对欧姆加热效应进行了模拟(孟兴等, 2016).郝书吉等(2013b)讨论了背景电离层电子密度梯度和加热电波频率与背景临界频率比值对欧姆加热效应的影响, 并建立了X波模式欠密加热理论的仿真模型(郝书吉等, 2013a).成琦等(Cheng et al., 2017)也利用一个二维理论模型, 对低电离层加热的饱和效应进行了理论分析; 在考虑了电子吸附效应的基础上进一步讨论了低电离层加热的饱和效应和自吸收效应(成琦等, 2018).周晨等(Zhou et al., 2016)基于地基高频电波电离层三维垂直加热的数值模型, 考虑到电子密度的变化会引起高频泵波电场的空间再分布, 利用射线追踪的方法, 求解加热过程中随着电离层背景参数的变化引起泵波源项的空间分布, 结合电离层加热的模拟, 建立了一个较为符合实际情况的电离层加热模型.张学民等(Zhang et al., 2016; 张学民等, 2016)利用DEMETER卫星数据, 对SURA加热实验期间, 由于欧姆加热导致的上行等离子体流进行了报道.

电离层斜向加热可以调整加热电波波束的角度, 加热远方的电离层, 欧姆加热效应在斜向加热中同样很明显, 如图 2所示.和垂直加热不同的是, 在斜向加热中, 加热电波频率将大于电波反射区的等离子体频率, 因此属于欠密加热, 并且由于电波传播路径比垂直加热情况要长, 因此由于电波几何扩散效应导致的损失更大.虽然斜向整体加热效果没有垂直加热那样明显, 但是在斜加热散焦区域(caustic region)内泵波电场强度很大, 该区域内的加热效果非常明显, 且其能够引起斜加热射线路径明显的变化.此外, 在高纬度地区的加热实验结果还指出, 对于沿磁力线方向的斜向加热, 会产生所谓的磁天顶角效应(magnetic zenith effects)(Gurevich et al., 2002), 导致电子温度和电子密度的变化更为明显, 并能激发人工气辉和增强等离子体谱线增强(Honary et al., 2011; Kosch et al., 2000; Pedersen et al., 2003). 方涵先等(2012)郭哲等(2017)基于数值模型讨论了斜向加热低电离层的效应, 对比了O波模式与X波模式的加热效果.

图 2 电离层斜向加热的电子密度变化 Fig. 2 Changes of electron density due to ionospheric oblique heating
2 热自聚焦不稳定性

当大功率HF无线电波照射电离层时, 由于电离层参量的非线性效应, 使得无线电波束在等离子体中传播时电波的折射指数发生变化, 从而引起射线轨道的弯曲, 进而导致波束中波场强和能量的分布发生强烈变化; 同时因大功率HF泵波对电离层电子的欧姆加热效应, 输运过程使得泵波反射区域等离子体密度出现耗空, 导致泵波波束的收缩或聚焦, 聚焦区域中电场强度和能量变得异常强大, 这将直接激发热自聚焦不稳定性(TSFI).TSFI的激发会导致等离子体中交变场能量的异常耗散, 且使得泵波反射区域附近生成大量密度扰动为负值的小尺度丝状密度条纹, 并形成稳态的沿磁场方向排列的大尺度非线性结构.随着调制过程的进行, TSFI会迅速发展并起着主导的作用.数值模拟结果指出无论是O波还是X波, 垂直加热还是斜向加热都可以激发热自聚焦不稳定, 从而产生大尺度的场向不均匀体.线性理论结果表明, TSFI的激发阈值对应的地基加热阵的有效辐射功率在几十MW量级(Gurevich et al., 1995, 1998; 王琛等, 2015).这种大尺度的场向不均匀体的沿场方向的空间尺度可以达到上百千米, 垂直于场方向的空间尺度为几百米到几十千米, 其时间尺度在百毫秒到几十秒量级(Farley et al., 1983; Gondarenko et al., 1999, 2005, 200).王琛等(2015)利用电离层三维加热的数值模型(Zhou et al., 2016)分析了不同条件下热自聚焦不稳定性对电子密度和电子温度的影响.

3 电离层调制加热

根据调制加热的原理不同, 电离层调制加热可以分为低电离层(E层)调制和高电离层(F层)调制两种方式.

低电离层调制加热是指利用加热电波在时间或者空间上进行幅度调制的方式, 对极区和赤道电离层E层存在的较强的电流系(极区电激流和赤道电激流)进行调制周期性地加热, 可有效地引起局部电离层电子温度的周期性振荡, 并引起电离层电导率的周期性变化, 从而使得加热区域内的电离层电流周期性变化, 形成等效的VLF/ELF虚拟天线, 辐射调制频率范围内的无线电波.调制加热生成的VLF/ELF电波可以在低电离层和地面之间形成波导传播, 在授时、导航、军用通信以及地下目标探测等方面具有潜在的应用价值(Alpert, 1995; Barr and Stubbe, 1997).也可以沿磁力线导行传播到磁层和辐射带区域中, 在磁层空间中存在着大量的高能电子, 这些电子的能量在~100 keV到几个MeV之间, 并被地球磁层捕获于L=1.2~8的内外辐射带中, 其中能量较高的电子被称为“相对论电子”, 也叫“杀手电子”, 这些电子对于运行于磁层空间中的卫星、航天器以及航天员是一个潜在的威胁.这些由电离层调制加热激发的VLF电磁波进入磁层, 参与磁层波粒相互作用, 对于人工沉降高能粒子、消除自然辐射带或者高空核爆所产生的人工辐射具有很大的实际意义(Inan et al., 2004).

黄文耿等(2005)李清亮等(2008)汪枫等(2009, 2012)基于电离层欧姆加热模型建立了低电离层调制加热激发VLF/ELF波的理论和数值模型, 并研究了VLF/ELF电波的产生效率, 汪枫等人的结果表明VLF/ELF电波在海面的信号强度可以达到pT量级.顾旭东等(2008)常珊珊等(2011)则重点研究了激发VLF/ELF波的上行和下行传播问题, 并且重点分析了上行VLF/ELF波和辐射带粒子的相互作用.郝书吉等(2013c)基于调制加热理论, 引入加热波束相控可调的思想, 建立了双波束幅度调制模式和圆形几何调制模式激发VLF/ELF波进行定向辐射的模型, 研究结果表明这种新的调制方式可以极大地提高辐射效率.杨巨涛等(2017)通过理论模型对比分析了双频双波束和幅度调制两种方法激发VLF/ELF信号的差异, 认为利用双频双波束方式在中低纬度地区能更为有效地激发VLF/ELF辐射.杨鼎等(2017a, 2017b)讨论了不同电离层背景条件、不同预加热时间对预加热模式下低电离层幅度调制产生的VLF/ELF波强度的影响.最近也有学者指出(Papadopoulos et al., 2011), 可以不利用电流系调制的方法, 基于热非线性(thermal cubic nonlinearity)进行低电离层调制激发VLF, 从而可以不用将加热地点固定于极区或者磁赤道, 但是目前的计算结果表明这种调制方式的效率要比电流系调制低10~30 dB.

图 3 热自聚焦不稳定的激发和发展 Fig. 3 Excitation and development of thermal self-focusing instability
图 4 双波束幅度调制形成两个“ELF/VLF偶极子天线”示意图(杨巨涛等,2017) Fig. 4 Dual beam amplitude modulation, which produces virtual ELF/VLF dipole antenna (Yang et al., 2017)

高电离层加热是基于如下原理:高频电波加热电离层F区时, 电子温度显著升高, 形成局部热压力.若进行调制电离层加热, 使得局部热压力呈极低频周期振荡, 局部加热区域流体黏附在磁力线上, 引起局部磁通量振荡, 形成抗磁性环电流, 可以等效为一个磁偶极矩, 磁偶极矩沿着磁力线方向, 垂直于磁力线如同偶极子天线向外辐射极低频波, 即磁声波(又叫压缩阿尔芬波, 传播方向与磁力线垂直).这一思路最早由Papadopoulos等(2003)提出, 并利用HARRP加热设备开展了相关实验, 成功地检测到了ULF信号.徐彤等(2014)利用电离层F区一维时变加热模型, 采用全波解算法研究了极区高电离层和低电离层激发ULF的区别.徐翔等(Xu et al., 2016)基于二维电离层加热模型和磁流体波传播模型, 详细比较了不同调制频率、不同地方时、高中低纬度调制激发ULF的区别, 结果表明夜间激发的效果好于白天.

需要指出的是无论是低电离层调制还是高电离层调制, 基本的物理过程还是基于欧姆加热调制电离层电子温度, 从而激发VLF/ELF/ULF波.

4 参量不稳定性

当大功率高频无线电波Ep(ω0, k0)传输进入电离层等离子体中时, 这个大功率高频无线电波可以成为一个泵波, 通过参量耦合过程在等离子体中同时激励出高频和低频等离子体波.一般而言, 在O波反射高度可以激发Langmuir参量不稳定性, 而在上混杂谐振高度可以激发热参量不稳定性.

加热激发的Langmuir参量不稳定性包括参量衰减不稳定性和振荡双流不稳定性.在参量衰减不稳定性中, 高频泵波可以直接衰变成为一个高频等离子体波nk(ω, k)和一个低频的等离子体波nΔkω, Δk); 而当振荡双流不稳定性激励时, 高频泵波则激励出两个沿相反方向传播的高频等离子体波n±k(ω±, ±k)和一个纯增长模式nΔk(Re(Δω)=0, Δk).被激励出的高频和低频等离子体波需要满足频率与波矢匹配条件.

(1)

(2)

其中ω±和±k分别是高频等离子体波的频率和波矢, Δω和Δk则是低频等离子体波模的频率和波矢.

在上混杂谐振高度处, 即ω02=ωpe2+Ωe2, 寻常波模的大功率无线电波Ep(ω0, k0)可以通过热参量不稳定性衰变为高频等离子体波n±k(ω±, ±k)和低频等离子体波nΔkω, Δk)或小尺度场向不均匀体nΔk(Re(Δω)=0, Δk).被激励出的高频等离子体波模和低频等离子体波模或场向不均匀体之间满足方程(1)和(2)给出的频率与波矢匹配条件.热参量不稳定性包括(1)热振荡双流不稳定性:泵波衰减为两个传播方向相反的上混杂波n±k(ω±, ±k)和小尺度场向不均匀体nΔk(Re(Δω)=0, Δk); (2)热参量衰减不稳定性:泵波衰减为一个高频的上混杂波nk(ω, k)和一个低频的下混杂波nΔkω, Δk).需要注意的是, 由于上混杂波和下混杂波的传播方向是垂直于地磁场的, 因此上混杂波在等离子体中的传播不受到朗道阻尼的作用, 即有效碰撞频率υe=υen+υei.此外, 当上混杂谐振高度处存在一定的电子密度结构时, 还可以激发谐振不稳定性, 谐振不稳定性可以看为热参量不稳定性的特殊形式.

无论是Langmuir参量不稳定性还是热参量不稳定性, 强电波导致的有质动力(pondermotive force)提供了低频扰动的源, 而高频扰动的源项来自于非线性的拍频电流(Langmuir参量不稳定性)和欧姆吸收(热参量不稳定性).参量不稳定性是电离层加热中的核心物理机制, 参量不稳定性, 在电离层加热实验中就像一个非线性效应的“开关”, 由于它的激励, 会进一步加剧加热区域内的非线性发展, 引起诸如模式转换、反常吸收、朗缪尔湍动、小尺度场向不均匀体、增强气辉等现象; 引起加热区域内电子温度和密度的更大变化, 使得其他不稳定性的激励成为可能.关于空间参量不稳定性的理论研究早在20世纪50年代就开始了, 大量研究人员在等离子体中波模式变换的非线性理论上做出了卓越的工作; Drake等(1974)利用Vlasov方程分析了均匀无磁化等离子体中的参量不稳定性过程, 采用了一个简单模式覆盖了多种不稳定性, 包括Brillousin散射、Raman散射、Compon散射、丝状不稳定性和调制不稳定性; 得到了不稳定性增长率的表达式, 并发现增长率与入射泵波强度之间的关系.Fejer和Leer(1972)以及Gurevich(1978)分别从Vlasov方程出发推导出参量衰减不稳定性阈值的表达式.Perkins等(1974)扩展了电离层中参量不稳定性理论; 引入非线性等离子体波效应; 通过对波动理论方程的数值积分发现在波数空间内只有泵波场强度具有轴对称性时参量不稳定性才能达到饱和态; 计算结果给出了非线性能量吸收的量级, 角分布的关系, 频率谱和由不稳定性产生的密度波动的量级.Fejer(1979)从能量传输角度得到了参量衰减不稳定性的阈值场和线性增长率, 给出了对纯增长不稳定性以及多个泵波激励参量衰减不稳定性的可能性.同时, 他在文中指出电离层加热实验中产生的扩展F现象可以由纯增长不稳定性的非线性损耗来解释; 形成的小尺度场向不均匀体则可以由参量衰减不稳定性激发的朗缪尔波的扩散来解释, 产生的小尺度场向不均匀体有可能被其他不稳定性进一步增强; 加热实验中产生的宽带吸收可能是因为朗缪尔波对电磁波的散射导致的.Robinson(1989)指出从小尺度场向不均匀体激发的时间尺度来看, 热参量不稳定性更有可能是激励小尺度场向不均匀体的物理机制.Kuo等(1993)指出Fejer(1979)在推导参量衰减不稳定性阈值的工作中忽略了驱动电流的作用, 而这个驱动电流在参量不稳定性的激励过程中不能忽略; Kuo(1996)从无碰撞等离子体的磁流体力学方程组出发, 包含了非线性驱动电流的作用后分析了参量不稳定性中低频波模的色散关系.随后Kuo(2001, 2002, 2014, 2015)在以前研究基础上建立了参量不稳定性和热参量不稳定性的色散关系以及阈值场和增长率的表达式.

自从Platteville进行的电离层加热实验中观测到了参量衰减不稳定性的激发后, 在波多黎各Arecibo和挪威Tromsø进行的加热实验中利用非相干散射雷达和受激电磁辐射(Stubbe et al., 1984, 1990)技术都可以观测到与参量不稳定性激励的朗缪尔波和热参量不稳定性激励的上混杂波关联的实验现象.Carlson等(1972)介绍了Arecibo的430 MHz UHF非相干散射雷达观测到的增强离子谱线(HF-enhanced ion lines, HFILs)和增强等离子体谱线(HF-enhanced plasma lines, HFPLs), 包括频率略低于高频泵波(5.62 MHz)约4 kHz(离子声波频率)的增强窄谱线、展宽谱线和其他一些靠近泵波频率的弱谱线、以及靠近离子声波频率的谱线.这些谱线的特征时间约为几十微秒量级; 上移和下移的等离子体谱线在强度、宽度、功率依赖性、衰减率(约为毫秒量级)等方面都有不对称性的特征; O波加热实验中观测到了十分明显的增强等离子体谱线和增强离子谱线, 但是X波加热实验中则没有观测到增强等离子体谱线和增强离子谱线.这些增强都较热噪声高出大约104量级, 可能是由电离层中高频泵波激励参量不稳定性导致的.Carlson和Duncan(1977)通过对20世纪70年代开始的电离层加热实验中的一些观测现象的统计分析, 认为包括增强等离子体谱线, 增强气辉, 扩展F等现象预示着等离子体不稳定性的激发, 而这些现象的时间尺度是区分不同不稳定性的一种方法.Muldrew和Showen(1977)指出Arecibo非相干散射雷达观测到的增强等离子体谱线出现的高度在泵波的反射高度以下约200 m的高度处, 即泵波波场的Airy函数极大处.

随着众多电离层加热实验和加热计划的相继实施, 新的实验现象的出现仍然要求对目前已有的参量不稳定性理论进行发展.参量不稳定性激励过程中的多波耦合理论和串级理论也是现今参量不稳定性理论研究的热点之一.参量不稳定性是加热导致Langmuir湍流的直接来源, Hanssen等(1992)Robinson(1997)都表明即使在均匀等离子体中, 强朗缪尔湍流(strong Langmuir Turbulence, SLT)效应会产生一种非线性波崩塌过程.Morales和Lee(1974, 1977)基于Zakharov方程建立的模型计算了伴随着离子声波振荡以及局部电场扰动的密度调制.Eliasson和Thidé(2008)在Zakharov方程中加入一个恒定的能量源项, 并通过参量化分析过程得到了扰动谱分布与电离层中物理量参数相关联的标度律.Zakharov分析方法逐渐被很多学者深入研究和推广开来, Elisson和Stenflo(2008)还提出在广义Zakharov模型中基于有质动力机制将高频波模和低频波模分离开来并进行了计算模拟分析.

国内的研究学者也在参量不稳定性的理论和实验研究方面做出了贡献.赵正予和魏寒颖(2004, 2005)从理论上分析说明了加热过程中最容易激励出来的两个波是Langmuir波和离子声波, 并推导了激发所需要的阈值电场场强和增长率.倪彬彬等(2004)基于参量不稳定性理论利用微扰法分别建立了均匀电离层背景下和平面分层背景下高频加热电离层产生不均匀体的理论; 邓峰等(2010)基于电离层加热模型分析了一种不稳定性激励过程.王翔等(Wang et al., 2016a, 2016b; Wang and Zhou, 2017)根据EISCAT加热实验的观测, 解释了X波模加热实验中激励参量不稳定性的现象, 研究结果证实了沿场方向的泵波电场和非麦克斯韦分布对参量激发的作用.黄建等(2017)刘默然等(2017)基于广义Zakharov模型, “全尺度”模拟了参量衰减不稳定性的过程, 结果表明参量不稳定性激发的时间尺度是ms量级, 如图 5所示, 并存在着Langmuir波串级和波模转换的现象.付海洋等(Fu et al., 2015)基于Tromsø加热实验期间受激电磁辐射的观测, 发现了一倍磁旋频率加热导致的加热效应抑制和三倍磁旋频率加热导致的加热效应增强现象.吴军等(Wu et al., 2017)也报道了利用EISCAT观测到的五倍磁旋频率加热导致的电子密度和电子温度增强现象.

图 5 参量不稳定性引起的O波反射区域的静电扰动(黄建等, 2017) Fig. 5 Electrostatic disturbances at the reflection region of O-mode heating wave induced by parametric instability (Huang et al., 2017)
5 电子加速

电子加速是空间物理研究的热点问题, 在电离层中, 等离子体总体处于一个“冷”的环境中, 在F层, 电子温度在1000 K左右, 电离层加热导致的电子加速, 能够将电子加速到十几个甚至几十电子伏特(eV)量级.在电离层加热研究中, 由于超热电子导致的人工离化层和人工气辉也是研究的热点.

电离层加热中的电子加速机制主要有三种, 第一种是参量不稳定性激发的沿场传播的Langmuir波的朗道共振进行加速; 第二种是参量不稳定性多波耦合和串级导致的Langmuir湍流加速; 第三种是热参量不稳定性和谐振不稳定性产生的电子密度空腔结构(caviton)导致的加速.一般而言,直接基于Langmuir波的加速效率很低,Langmuir湍流导致的电子加速具有明显的效果.

在电离层加热中得到加速的电子能够形成增强气辉.在寻常波加热电离层实验中, 最容易观测到的是波长630 nm(O(1D))和波长557.7 nm (O(1S))的增强气辉, 对应的电子能量阈值分别是~2 eV和~4.2 eV (Kosch et al., 2007b).当泵波频率接近两倍和三倍电子磁旋频率时, 还可以观测到777.4 nm的增强气辉(Djuth et al., 2005; Kosch et al., 2005); 能够产生777.4 nm气辉的电子能量至少要达到10.7 eV (Djuth et al., 2005), 能够形成如此高能量的电子是因为电子回旋共振过程.当泵波频率是电子磁旋频率的倍频时, 电子回旋运动中的有限Larmour半径效应(Kuo and Cheo, 1981)会不断对电子运动产生净增长效果.此外, 电子与波场的相互作用随时间增加会改变Larmour半径, 导致对相互作用的正反馈效果.有限Larmour半径效应导致波频率下移至基本回旋谐振频率, 以及提供对波-粒相互作用的正激励.因此, 由于高频加热泵波的波数很小, 高频加热泵波直接地回旋共振加热效果并不明显.另一方面, 寻常波模的高频加热泵波能够有效激发参量不稳定性, 进而产生小尺度的上混杂波, 这些上混杂波能够与电子进行有效的回旋共振(Kuo and Rubinraut, 2005; Kuo, 2013).另外在非寻常波加热电离层的实验中也能够观测到增强气辉.Blagoveshchenskaya等(2014)介绍了在EISCAT进行的非寻常极化电磁波(X波)加热电离层实验中第一次观测到X波产生的增强气辉, 波长分别是630 nm(红色)和557.7 nm(绿色).Dang等(2017)基于气辉理论模型结合SAMI2研究了离解复合和热电子在加热实验产生的气辉中的作用.

通过加速机制产生的超热电子通过与背景中性粒子碰撞产生电离, 从而形成人工离化层.Pedersen等(2008, 2010)介绍了频率接近两倍电子磁旋频率(~2.85 MHz)的大功率寻常波模高频泵波能够在电离层F层底部产生新的离化层.Ashrafi等(2007)在Tromsø进行的四倍磁旋频率加热实验中观测到离子谱线激励高度不断下降, 对应着泵波反射高度在加热期间不断下移, 可以推断在加热实验中产生了新的人工离化层.Mishin等(2016)认为人工离化层的产生可能是因为强朗缪尔湍动的作用, 揭示了朗缪尔湍动在电子加速过程中的重要作用.

6 总结与展望

经过将近50年的研究, 地基大功率电离层加热机理研究取得了大量的成果, 各种电离层中新的现象和物理过程不断地被发现, 这一研究方向已经成为了电离层非线性物理研究的重要阵地.近年来, 随着我国加入欧洲非相干散射雷达(EISCAT)组织和相关科学计划的实施, 我国研究学者在电离层加热机理研究方面也进行了深入的研究, 取得了长足的发展.电离层加热的核心物理问题是无线电波能量向等离子体能量的转换, 欧姆加热机制和波粒相互作用导致的动力学加热机制都是用来解释这一转换的过程, 这和太阳物理中的日冕加热过程非常类似.图 6给出了电离层加热的现象和物理过程的时间发展, 可以看出, 不同时间和空间尺度的现象和过程在不同的时间阶段发挥不同的作用, 但是相互耦合共同发展.

图 6 电离层加热现象和物理过程的时间发展过程示意图 Fig. 6 Timeline of phenomena and processes in ionospheric heating

电子加速是电离层加热未来的理论研究热点, 和欧姆加热这种“随机加热”不同的是, 电离层加热中电子加速过程甚至能将电离层电子能量加速到100 eV, 如此高能量的电子将在电离层中产生各种新的现象.

此外, 目前已有的电离层加热实验都位于中高纬度地区, 而我国的地理位置绝大部分位于中低纬地区, 由于磁力线倾角的不同, 会带来不同的电波传播效应, 特别是反射区驻波电场的大小、模式转换的效率、上混杂谐振区域都将与高纬度实验有所区别.因此针对我国中低纬度的特点, 准确定量地计算电离层加热产生的效应也具有十分重要的价值.

随着我国非相干散射雷达的建立和投入使用, 结合地基大功率电波加热实验, 不仅有助于深入分析和理解电离层中的非线性现象, 发挥非相干散射雷达能力, 也可以反过来利用电离层加热效应验证非相干散射雷达的探测精度.

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