李學(xué)良 陳惠敏 石雁祥

(1．伊犁師范學(xué)院電子與信息工程學(xué)院新疆伊寧835000; 2．昌吉學(xué)院物理系新疆昌吉831100)

PMSE規(guī)律性及形成機(jī)制相關(guān)理論綜述

李學(xué)良1陳惠敏2石雁祥1

(1．伊犁師范學(xué)院電子與信息工程學(xué)院新疆伊寧835000; 2．昌吉學(xué)院物理系新疆昌吉831100)

介紹了PMSE相關(guān)現(xiàn)象及其研究的重要意義。闡述了PMSE的一些變化規(guī)律、極區(qū)中層大氣環(huán)境及分層結(jié)構(gòu)。評(píng)述了PMSE形成機(jī)制相關(guān)理論存在的一些問題，提出了研究PMSE的新途徑。

PMSE;極區(qū)中層環(huán)境;分層結(jié)構(gòu)

1 引言

極區(qū)中層夏季回波(簡(jiǎn)稱PMSE)的研究是地球物理領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，它對(duì)研究地球氣候變化有著重大意義。PMSE是發(fā)生在夏季極區(qū)中層的一種異常強(qiáng)烈的雷達(dá)回波現(xiàn)象。1981年，Ecklun和Balsley (1981)首次利用VHF(頻率為50MHz)雷達(dá)在Poker Flat，Alaska(65．13oN，147．46oW)地區(qū)海拔80－90km處觀測(cè)到了強(qiáng)的回波現(xiàn)象［1］。最強(qiáng)的雷達(dá)回波常出現(xiàn)在86km附近，信噪比的最大值可達(dá)30dB，PMSE出現(xiàn)的同時(shí)常常伴隨著可以用肉眼觀測(cè)到的夜光云現(xiàn)象［2］(簡(jiǎn)稱NLC)。此后，人們對(duì)PMSE進(jìn)行了大量的研究，雷達(dá)觀測(cè)頻率由最初的VHF擴(kuò)展到HF、MF頻段。研究手段也從單一的雷達(dá)觀測(cè)到火箭探測(cè)、衛(wèi)星探測(cè)。發(fā)展到今天，人們利用電離層加熱裝置研究PMSE區(qū)域的性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，PMSE產(chǎn)生與其所處的環(huán)境有著密切的聯(lián)系，隨著能源的消耗及溫室效應(yīng)的日趨嚴(yán)重，極區(qū)中層大氣的溫度開始降低，平均每十年降低5K。本文在介紹PMSE規(guī)律性的同時(shí)，對(duì)PMSE形成機(jī)制的相關(guān)理論，以及產(chǎn)生PMSE的極區(qū)中層大氣環(huán)境和分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜述。

2 PMSE的規(guī)律性

大量實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明，PMSE呈現(xiàn)出一些規(guī)律性的變化［3］:這些規(guī)律性表現(xiàn)在頻譜依賴性、季節(jié)性變化、地理緯度變化、相干性頻譜特征、方位敏感性、日變化及半日變化。

2．1頻譜依賴性

PMSE觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)回波與入射雷達(dá)波頻率有顯著的關(guān)聯(lián)性。表1給出了從甚高頻(VHF)到超高頻(UHF)不同頻率的雷達(dá)對(duì)PMSE觀測(cè)得到的體散射指數(shù)［4］。體散射指數(shù)是指單位體積內(nèi)的后向散射截面，體散射指數(shù)越高，表明體散射截面愈大。由表1可以看出，除了1988年Kelley和Ulwick觀測(cè)結(jié)果外，隨著雷達(dá)信號(hào)頻率的增大，體散射指數(shù)在量級(jí)上呈遞減趨勢(shì)。Elcklun和Rotter的觀測(cè)表明，當(dāng)頻率增加一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，體散射系數(shù)減小6個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，1994年，J．Bremr用53．5MHz、224MHz和2．78MHz三種不同頻率雷達(dá)對(duì)PMSE的觀測(cè)也證實(shí)了頻譜依賴性［5］。李海龍等人進(jìn)行了理論分析給出了體散射系數(shù)與雷達(dá)頻率的關(guān)系［6］

η是體散射指數(shù)，?是雷達(dá)頻率。可以看出雷達(dá)的體散射指數(shù)與頻率的4．5次方成反比。由于雷達(dá)觀測(cè)位置、時(shí)間以及系統(tǒng)本身的參數(shù)等都會(huì)對(duì)雷達(dá)回波產(chǎn)生影響，上式與表1的在大體上吻合很好，但略有偏差。

表1 不同頻率雷達(dá)對(duì)PMSE的觀測(cè)

2．2季節(jié)性變化

大量的研究表明，PMSE具有明顯的季節(jié)性變化。圖1是Bremer等人連續(xù)三年在挪威北部Andoya島(69．3oN，16．0oE)用53MHz的ALWIN雷達(dá)觀測(cè)PMSE出現(xiàn)率的情況。

圖1 1999年－2001年P(guān)MSE出現(xiàn)率與季節(jié)變化的關(guān)系

由圖1可知，1999年－2001年期間，北半球的PMSE是從五月底和六月初開始出現(xiàn)，到六月中下旬出現(xiàn)率約90%，到八月下旬逐漸消失，具有很明顯的季節(jié)性變化。人們用不同頻段的雷達(dá)在相同的地理位置所做的觀測(cè)均證實(shí)這一規(guī)律［7］。

2．3地理緯度變化

除了在北緯65－69度觀測(cè)到強(qiáng)烈雷達(dá)回波的PMSE現(xiàn)象之外，在北半球，北緯78度至北緯52度均發(fā)現(xiàn)有強(qiáng)烈的雷達(dá)回波現(xiàn)象，此現(xiàn)象稱中層夏季回波(簡(jiǎn)稱MSE)。大量的觀測(cè)表明，從高緯度到低緯度PMSE出現(xiàn)率按梯度遞減。假設(shè)七月份在Andens Noways觀測(cè)PMSE出現(xiàn)率為100%，北緯78度出現(xiàn)率幾乎達(dá)到100%，到北緯75度減小到50%，到北緯54度出現(xiàn)率只有10%－20%。人們猜測(cè)這種變化可能與夏季極區(qū)中層的大氣環(huán)境、力學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)。需要說明的是，PMSE的發(fā)生率在南北半球也存在著差異。觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，南半球的PMSE出現(xiàn)頻率遠(yuǎn)小于北半球。人們猜測(cè)，這可能與南北半球大氣層熱力學(xué)結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。但由于缺乏南半球的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)于南北半球出現(xiàn)率不對(duì)稱問題目前仍有很多疑問。

2．4相干性頻譜特征

多普勒展寬譜是研究PMSE內(nèi)在產(chǎn)生機(jī)制的一種重要手段。通過多普勒展寬譜可以研究PMSE與非相干散射之間的關(guān)系，從而確定PMSE產(chǎn)生的物理機(jī)理是否與電子濃度不規(guī)則性有關(guān)。圖2是電離層的非相干散射信號(hào)頻譜和PMSE的相干散射信號(hào)頻譜，它是由工作頻率為224MHz的EISCAT VHF雷達(dá)測(cè)量得到的，迄今為止，這一數(shù)據(jù)是PMSE譜寬最精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖2 電離層的非相干散射信號(hào)頻譜和PMSE的相干散射信號(hào)頻譜

兩種頻譜對(duì)比說明，非相干散射和PMSE是兩個(gè)完全不同的物理過程。在83．8km處電離層的非相干散射(電子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起)譜寬約100Hz，而在PMSE發(fā)生時(shí)，相應(yīng)電離層等離子體的相干散射回波譜展寬最寬的部分只有10Hz左右，遠(yuǎn)比沒有PMSE發(fā)生時(shí)電離層等離子體的非相干散射功率譜的寬度小。無論是在甚高頻(VHF)波段還是在超高頻波段(UHF)觀測(cè)PMSE，頻譜寬度都比非相干頻譜寬度窄很多。這表明，在PMSE層的散射體隨機(jī)運(yùn)動(dòng)小，是一種較穩(wěn)定的狀態(tài)，暗示了PMSE不是由電子湍流散射引起的，可能是層結(jié)構(gòu)反射導(dǎo)致的。等人把PMSE頻譜形態(tài)與非相干雷達(dá)散射的洛倫茲譜進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)它們之間的頻譜形態(tài)也存在很大差異，PMSE的頻譜形態(tài)像幾個(gè)狹窄的頻譜疊加而成，而非相干散射的洛倫茲譜像是大的釘形譜與弱的背景譜的疊加［8］。他們認(rèn)為PMSE產(chǎn)生可能是雷達(dá)波束內(nèi)部(垂直方向和水平方向1－2km)多個(gè)小的局部散射結(jié)構(gòu)疊加的結(jié)果。上述都說明了PMSE不可能是電子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的，暗示PMSE與該處的結(jié)構(gòu)不均勻性有一定關(guān)系。

2．5日變化及半日變化

PMSE出現(xiàn)率每天在各個(gè)時(shí)刻也不相同，呈現(xiàn)一定日變化性。圖3是用ErangeMST雷達(dá)在670N，210E觀測(cè)的PMSE出現(xiàn)率。一般PMSE的強(qiáng)度從0:00UT的30%開始遞增，到6:00—7:00UT時(shí)達(dá)到70%，在12:00—13:00UT時(shí)達(dá)到最大值，然后遞減，在18:00－19:00快速遞減到20%。在19:00—22: 00UT明顯出現(xiàn)一個(gè)最小值，這兩個(gè)最值在PMSE發(fā)生期間相對(duì)穩(wěn)定。(其中UT為國際時(shí)，國際時(shí)UT與當(dāng)?shù)貢r(shí)LT的關(guān)系為LT=UT+1h．)。次最大值一般發(fā)生在凌晨，但時(shí)間不穩(wěn)定。

除了日變化，PMSE還有明顯的半日變化。由圖4可以更清晰的看出日變化及半日變化。對(duì)PMSE日變化的解釋是:由于潮汐運(yùn)動(dòng)，引起了極區(qū)中層溫度的降低，在不同海拔高度形成了冰晶顆粒，從而暗示可以用塵埃等離子體來解釋PMSE現(xiàn)象。威用雷達(dá)和火箭聯(lián)合觀測(cè)PMSE，也發(fā)現(xiàn)極區(qū)中層電子濃度、塵埃粒子濃度隨高度變化呈分層結(jié)構(gòu)，即使存在中性風(fēng)擾動(dòng)，極區(qū)中層電子密度依然有分層現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

極區(qū)中層是自然狀態(tài)下的一種分子濃度遠(yuǎn)大于其它帶電粒子濃度的弱電離塵埃等離子體，其電子濃度、塵埃冰晶粒子濃度隨高度的變化呈分層結(jié)構(gòu)，這為我們研究PMSE成因提供了新的方法和途徑。極區(qū)中層分層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生機(jī)制以及分層結(jié)構(gòu)中各帶電粒子的濃度對(duì)PMSE的影響是有待解決的問題。

對(duì)PMSE的研究除了可以為探索全球氣候變化提供一個(gè)觀測(cè)的窗口，自然災(zāi)害之前極區(qū)中層電子密度的突變也為人們預(yù)測(cè)自然災(zāi)害的發(fā)生提供了另一個(gè)可實(shí)施的方案。

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(責(zé)任編輯:代琴)

X12

A

1671－6469(2012)02－0086－07

2012－03－17

昌吉學(xué)院科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(09YJ011);新疆維吾爾自治區(qū)教育廳教研基金資助項(xiàng)目(新教高［2010］15號(hào));新疆維吾爾自治區(qū)教育廳教研基金立項(xiàng)資助項(xiàng)目(新較高［2011］31號(hào))。

李學(xué)良(1986－)，男，伊犁師范學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，研究方向:極區(qū)中層夏季回波。