付海洋

（復(fù)旦大學(xué) 電磁波信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200433）

引 言

電離層波調(diào)控非線性物理的發(fā)展，最早追溯到19世紀(jì)初，過(guò)程中激發(fā)的非線性物理現(xiàn)象被相繼發(fā)現(xiàn)，填補(bǔ)了人們對(duì)電離層非線性的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也激發(fā)了人們利用電離層加熱實(shí)現(xiàn)認(rèn)知和調(diào)控空間環(huán)境的設(shè)想. 國(guó)際上，也出現(xiàn)利用地面電磁波能量調(diào)控的電離層加熱裝置，主要包括美國(guó)Platteville（1970）、美國(guó)Arecibo（1970）、俄羅斯SURA（1979）、歐洲EISCAT（1980）和美國(guó)高頻極光加熱裝置HAARP（1995）等. 2014年，美國(guó) Arecibo電離層加熱裝置實(shí)現(xiàn)了高頻加熱天線和非相干散射雷達(dá)天線的復(fù)用輻射. 設(shè)備的改進(jìn)豐富了調(diào)控試驗(yàn)，同時(shí)電離層調(diào)控實(shí)驗(yàn)促進(jìn)了非線性物理的發(fā)展，特別是對(duì)電磁波和磁化等離子體非線性相互作用機(jī)制的理解.

高功率電磁波調(diào)控空間等離子體實(shí)驗(yàn)取得了 很多進(jìn)展. 根據(jù)美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)（National Research Council, NRC）2013年報(bào)告，自2007年以來(lái)基于HAARP取得的最新重要成果主要包括：1）Pedersen等人[1]激發(fā)了電離層F-區(qū)域人工等離子體層(artificial plasma layers，APLs)，且APLs可沉降到150 km高度；2）Bernhardt等人[2]利用渦旋軌道角動(dòng)量，可持續(xù)激發(fā)F區(qū)高密度等離子體云；3）Kuo等人[3]在無(wú)自然電極流條件下調(diào)制產(chǎn)生F區(qū)ULF/EFL波輻射；4）Inan等人[4]在地球輻射帶發(fā)射ELF/VLF波激發(fā)新的輻射；5）Milikh等人[5]證明實(shí)驗(yàn)可激發(fā)能夠影響GHz通信的小尺度等離子體不規(guī)則體.

隨著電離層實(shí)驗(yàn)發(fā)展，APLs和湍流試驗(yàn)需要受激電磁輻射（stimulated electromagnetic emissions，SEEs）診斷，SEEs新出現(xiàn)的復(fù)雜譜線，正逐漸成為電離層加熱機(jī)制和效應(yīng)的有力診斷手段. 近年來(lái)，空間SEEs成為電離層非線性物理和應(yīng)用發(fā)展的熱點(diǎn)，其理論和反演模型迫切需要完善.

本文旨在從高功率電磁波和磁化等離子體的相互作用機(jī)理出發(fā)，構(gòu)建空間磁化等離子體SEEs體系，回顧近十年空間SEEs實(shí)驗(yàn)和理論取得的最新進(jìn)展，進(jìn)一步論述SEEs與APLs激發(fā)、等離子體湍流、能量轉(zhuǎn)化機(jī)制和低頻波激發(fā)之間的關(guān)系. 最后，給出利用SEEs研究磁化等離子體非線性物理的發(fā)展趨勢(shì)和思考.

1 磁化等離子體中的波

對(duì)等離子體非線性的研究最早起源于激光和非磁化等離子體作用，這些研究已經(jīng)在非線性光學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如二次諧波（second harmonic,SH）、三波混頻、受激布里淵散射（stimulated Brillioun scattering，SBS）等. 空間SEEs源自空間磁化等離子體的極化張量，這是入射電場(chǎng)的高階效應(yīng)，此時(shí)入射電磁波頻率、極化等發(fā)生改變. 相比于非線性光學(xué)，可能激發(fā)多種磁化參量不穩(wěn)定性的空間SEEs體系更加復(fù)雜.

圖1和圖2分別給出電離層磁化等離子體電子和離子色散關(guān)系. 非磁化等離子體中只包含靜電波模：電子等離子體波(electron plasma wave，EPW)波模和離子聲(ion acoustic，IA)波模. 而磁化等離子體中包含了高頻混雜(upper hybrid，UH)波、低頻混雜(lower hybrid，LH)波、電子伯恩斯坦(electron Bernstein，EB)波和離子伯恩斯坦(ion Bernstein，IB)波. 因此，磁化等離子體中的SEEs更加復(fù)雜.

圖1 磁化等離子體電子波模色散關(guān)系Fig. 1 Electron wave dispersion in ionospheric magnetized plasmas

圖2 磁化等離子體離子波模色散關(guān)系Fig. 2 Ion wave dispersion in ionospheric magnetized plasmas

2 電磁波和磁化等離子體非線性相互作用

電磁波和磁化等離子體發(fā)生共振的區(qū)域，主要包括：1) 朗繆爾發(fā)射區(qū)域 ωo≈ωpe，圖1中B曲線；2) UH波共振區(qū)域 ωo≈ωuh，圖1中C曲線. 高功率電磁波入射等離子體，一般會(huì)發(fā)生波模轉(zhuǎn)換和參量不穩(wěn)定性兩個(gè)物理過(guò)程(圖3)，其中波模轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電磁波和靜電波的相互轉(zhuǎn)換，而參量不穩(wěn)定性激發(fā)新的等離子體電子和離子波模[6]. 電磁波可以通過(guò)兩種方式轉(zhuǎn)化為靜電波：第一種方式是電磁波直接產(chǎn)生靜電波和散射電磁波，例如SBS散射；第二種方式是電磁波轉(zhuǎn)化為靜電波，包括共振吸收(resonance absorption)、振蕩雙束流不穩(wěn)定性(oscillating-two-stream)、離子聲波衰變(ion acoustic decay)、2ωpe不穩(wěn)定性等方式. 然后，當(dāng)頻率和波矢量匹配時(shí)，進(jìn)一步發(fā)生參量不穩(wěn)定性過(guò)程. 最后，靜電波通過(guò)波模轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為電磁波，產(chǎn)生SEEs.

圖3 電磁波和等離子體波非線性相互作用轉(zhuǎn)化過(guò)程Fig. 3 Nonlinear interaction between EM wave and plasmas

線性模態(tài)轉(zhuǎn)換(linear mode conversion)：線性模態(tài)轉(zhuǎn)換發(fā)生的條件是入射電場(chǎng)沿著密度梯度方向存在分量E·?ne≠0，該分量使得入射電場(chǎng)激勵(lì)電子沿著密度梯度方向震蕩，產(chǎn)生電荷分離，進(jìn)而激發(fā)靜電震蕩. 通過(guò)波模轉(zhuǎn)換，部分入射電磁波轉(zhuǎn)化為靜電波，電磁波能量通過(guò)共振被吸收. 而電磁波群速度遠(yuǎn)大于靜電波，因此靜電波振幅可能較大，這為加速電子提供可能.

振蕩雙束流不穩(wěn)定性(oscillating two stream instability)：離子密度波動(dòng)通過(guò)有質(zhì)動(dòng)力(ponderomotive force)增長(zhǎng)，同時(shí)電子等離子體波被激發(fā)，形成不穩(wěn)定性.

離子聲波參量不穩(wěn)定性(ion acoustic decay instability)：當(dāng)離子密度震蕩不再靜止，而是以聲速進(jìn)行傳播表現(xiàn)為IA波時(shí)，入射電磁波轉(zhuǎn)為電子等離子體波和離子等離子體波.

參量衰減不穩(wěn)定性(parametric decay instability，PDI)： 參量不穩(wěn)定性是最典型的非線性波與波相互作用. 以等離子體三波參量不穩(wěn)定性為例（圖4）：首先，入射電磁波(ω0，k0) 等離子體中向前傳播；其次，在電磁場(chǎng)作用下，等離子體的粒子（電子或離子）發(fā)生震蕩產(chǎn)生輻射，產(chǎn)生向后傳播散射電磁波；再次，兩個(gè)電磁波拍頻產(chǎn)生有質(zhì)動(dòng)力Fp∝?E2(x)，推動(dòng)電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電荷；最后，當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)滿足等離子體內(nèi)部的固有靜電模式時(shí)，三波共振開始增長(zhǎng). 一般而言，參量不穩(wěn)定性發(fā)生條件滿足ω0=ω2±ω1，k0=k1±k2，其中入射激勵(lì)波為(ω0，k0)，散射電磁波為(ω1，k1) ，等離子體低頻波為(ω2，k2).

圖4 等離子體三波參量不穩(wěn)定性發(fā)生過(guò)程原理示意圖Fig. 4 A three-wave parametric decay instability process

磁化等離子體中發(fā)生參量不穩(wěn)定性和磁化等離子體中存在的波相關(guān)，表1列出了磁化等離子體中可能發(fā)生的過(guò)程. 第一類是入射電磁波(ω0，k0)直接轉(zhuǎn)化為新的電磁波(ω1，k1)，如SBS；或者通過(guò)等離子參量不穩(wěn)定性產(chǎn)生EPW和IA波. 第二類是入射電磁波首先通過(guò)線性模態(tài)轉(zhuǎn)換或者振蕩雙束流不穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)化為等離子體中的高頻波（EB或者UH），然后通過(guò)電子伯恩斯坦衰變不穩(wěn)定性(electron Bernstein decay instability，EBDI)或者低混雜衰變不穩(wěn)定性(lower hybrid decay instability，LHDI)發(fā)生不同類型參量不穩(wěn)定性. 每一種參量不穩(wěn)定性發(fā)生，對(duì)應(yīng)地面觀測(cè)到的不同SEEs的頻譜特征.

表1 磁化等離子體中可能發(fā)生的參量過(guò)程Tab. 1 Possible parametric decay instabilities in magnetized plasmas

3 SEEs

空間SEEs源自空間磁化等離子體的極化張量(圖5)，可簡(jiǎn)單描述為高功率電磁波入射空間磁化等離子體，等離子體湍流被激發(fā)，產(chǎn)生地面可測(cè)量的次級(jí)電磁輻射.

圖5 高階極化效應(yīng)Fig. 5 High order polarization effect

空間SEEs的研究，最早追溯到1981年，Thidé等人[7]首次利用歐洲EISCAT雷達(dá)觀測(cè)到空間電離層中的SEEs現(xiàn)象. 隨后，對(duì)電離層SEEs的研究迅速發(fā)展，下移最大(downshifted maximum，DM)、上移最大(upshifted maximum，UM)、拓展上行最大(broad upshifted maximum，BUM)、下 移 峰 值(downshifted peak，DP)等頻譜及其多次諧波被相繼發(fā)現(xiàn)，如表2所示，綜述見(jiàn)文獻(xiàn)[8].

表2 電離層加熱中典型SEEs頻譜Tab. 2 Typical SEE spectrum during ionospheric heating experiments

2009年起，在美國(guó)高頻極光計(jì)劃HAARP推動(dòng)下，SEEs研究取得了巨大進(jìn)展[9]. 主要包括SBS[10-12]，受激伯恩斯坦波散射(stimulated ion Bernstein scattering，SIBS)[13-14]和二次諧波激發(fā)(second harmonic generation，SHG)[15]. 同時(shí)，進(jìn)一步促進(jìn)了歐洲EISCAT的SEEs實(shí)驗(yàn)[16-17]和美國(guó)Arecibo SEEs的進(jìn)一步發(fā)展[18-19].我們將圍繞SBS、SIBS和SHG這三種磁化電離層等離子體中的波來(lái)對(duì)SEEs進(jìn)行介紹.

3.1 SBS

激發(fā)機(jī)制：空間磁化等離子體中SBS(magnetized SBS, MSBS)，包含IA波譜線（圖2中A曲線）和靜電離子回旋（electrostatic ion cyclotron，EIC）波(圖2SBS源于激光和等離子體的相互作用，產(chǎn)生的聲波的SBS可用于溫度診斷.中C曲線），其激發(fā)與波矢量k和 磁場(chǎng)B的夾角θ相關(guān)(圖6). 一般地，在高緯地區(qū)，當(dāng)泵波矢量方向和磁場(chǎng)平行時(shí)θ→0，會(huì)激發(fā)IA，滿足 ωp=ωIA；當(dāng)泵波矢量偏移磁場(chǎng)時(shí)θ→90°，EIC會(huì)被激發(fā)，滿足ωp=ωEIC. 利用MSBS譜線可實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層電子溫度、離子種類、質(zhì)量和磁場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)的相關(guān)測(cè)量.

圖6 磁化SBSFig. 6 Magnetized SBS

HAARP實(shí)驗(yàn)：在空間電離層實(shí)驗(yàn)中，Norin等人[10]利用更新的HAARP設(shè)備在2009年發(fā)現(xiàn)新頻移譜線6～12 Hz，它來(lái)自共振反射區(qū)的IA譜線.Bernhardt等人[11]觀測(cè)到了IA譜線，指出譜線既可能來(lái)自共振反射區(qū)也可能來(lái)自UH共振區(qū)，UH區(qū)的SBS譜線可用于電子溫度的測(cè)量，同時(shí)理論預(yù)測(cè)了受激EIC譜線的存在. 隨后，Bernhardt等人[12]利用HAARP 在～50 Hz發(fā)現(xiàn)了EIC譜線，觀測(cè)到來(lái)自電離層F區(qū)的氧離子O+并指出可利用EIC診斷離子種類；Bordikar等人[20]觀測(cè)到了來(lái)自電離層F區(qū)氫離子H+和電離層E區(qū)Fe3+的譜線.

EISCAT實(shí)驗(yàn)：激發(fā)SBS實(shí)驗(yàn)觀測(cè)主要采用O模式（ordinary mode），基于閾值研究，其他設(shè)備也可能會(huì)激發(fā)SBS. 利用歐洲EISCAT（69.6°N 19.2°E）雷達(dá)，有效輻射功率約為HAARP的1/3，采用O模式，在三次回旋頻率中觀測(cè)到SBS[16]；Blagoveshchenskaya等人[17]采用X 模式（extraordinary mode）觀測(cè)到來(lái)自SBS的IA和EIC譜線，信號(hào)被位于1200 km的低頻接收機(jī)所接收. Fu等人[21]在O模式的三次倍頻加熱實(shí)驗(yàn)中，觀測(cè)到SBS并利用其譜線計(jì)算共振高度的電子溫度和離子溫度（圖7），計(jì)算結(jié)果與非相干散射雷達(dá)測(cè)量值一致.

圖7 EISCAT三倍頻激發(fā)SBS, DM, DP[21]Fig. 7 SBS, DM and DP spectra excited by the third electron gyroharmonic heating at EISCAT[21]

Arecibo實(shí)驗(yàn)：Djuth等人[18]利用新設(shè)計(jì)的Arecibo(18.3°N，66.8°W)高頻加熱設(shè)備開展了SEEs實(shí)驗(yàn)，也觀測(cè)到了來(lái)自電離層F區(qū)域的SBS譜線，同時(shí)重新整理了歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究了如何讓SBS 成為電子溫度的診斷工具. Mahmoudian等人[22]進(jìn)一步驗(yàn)證了利用SBS反演電子溫度的可行性，并與非相干散射雷達(dá)作了定量對(duì)比.

理論方面：SBS實(shí)驗(yàn)及其應(yīng)用，如IA診斷電子溫度、EIC診斷離子種類，引起了廣泛的關(guān)注. 磁化布里淵散射理論[23-24]，反演和仿真正在進(jìn)一步完善.

3.2 SIBS

激發(fā)機(jī)制：SIBS源于磁化等離子中的IB波，一般發(fā)生條件為入射波頻率略小于電子回旋頻率倍頻，即 ω0≤nΩce，頻移為離子回旋頻率整數(shù)倍數(shù)，即ωIB≈nΩci,n=1,2,···.

HAARP實(shí)驗(yàn)：Bernhardt等人[13]首次利用HAARP二次倍頻模式，觀測(cè)到離子回旋多次諧波譜線SIBS，同時(shí)認(rèn)為IB波的激發(fā)證明了存在EB波與電子發(fā)生共振產(chǎn)生回旋加速的機(jī)制. Fu等人[14]研究了二次倍頻(n=2)時(shí)SIBS和SBS的轉(zhuǎn)化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)入射頻率高于二次磁回旋頻率時(shí)，SIBS消失但SBS依然存在，與理論保持一致(圖8). 同時(shí)，在三次倍頻(n=3)觀測(cè)到了SIBS激發(fā)[19].

圖8 磁回旋二倍頻激發(fā)SBS和SIBS譜[14]Fig. 8 SBS and SIBS spectra excited by the second electron gyroharmonic heating[14]

EISCAT實(shí)驗(yàn)：Blagoveshchenskaya等人[17]在EISCAT的五倍頻X模式實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射頻率小于五倍頻(n=5)時(shí)激發(fā)SIBS和SBS頻譜.

理論方面：Bernhardt[12]和Samimi等人[25]理論推導(dǎo)了受激伯恩斯坦波的色散關(guān)系和增長(zhǎng)率，Samimi等人[26]進(jìn)行了粒子模擬仿真計(jì)算，證明了EB波對(duì)電子的加速機(jī)制.

3.3 SHG

SHG是非線性光學(xué)混頻典型技術(shù)，在激光和非磁化等離子體中得到了廣泛的研究(圖9)[27].SHG產(chǎn)生新可調(diào)諧波頻率，也提供等離子體參數(shù)診斷. 當(dāng)入射電磁波頻率為ω0時(shí)，可產(chǎn)生頻率為2ω0的電磁輻射.

圖9 SHGFig. 9 SHG

激發(fā)機(jī)制：等離子體中的SHG，一般認(rèn)為有兩種發(fā)生機(jī)制[27]：第一種，入射O模線性轉(zhuǎn)化為朗繆爾振蕩 ωo≈ωL，混頻 O+L?ωo+ωL≈2ωo或L+L?ωL+ωL≈2ω0；第二種，入射O波衰變?yōu)槔士姞柌é豅和離子聲波ωIA，滿足 ωo=ωL+ωIA，混頻O+L?ωo+ωL≈2ωo?ωIA或 L+L?ωL+ωL≈2ωo?2ωIA.

EISCAT實(shí)驗(yàn)：空間磁化電離層等離子體中SHG，最早于1986年被觀測(cè)到[28]，SH附近有頻移Δω～2 kHz的譜線，該譜線被認(rèn)為源自等離子體朗繆爾共振區(qū)域. 在磁化等離子體中，SH可發(fā)生在朗 繆 爾 發(fā) 射 區(qū) 域 ωo≈ωpe或 者UH波 共 振 區(qū) 域ωo≈ωuh. Blagoveshchenskaya等人[29]觀測(cè)到SH附近頻移Δω約16～20 kHz的譜線，該譜線被認(rèn)為源自ωo≈ωuh區(qū)域，UH波通過(guò)參量不穩(wěn)定性生成新的UH波和LH波，其中LH波頻率ωLH=8 kHz，頻移2ωDM=2ωo?2ωLH=16 kHz.

HAARP實(shí)驗(yàn)：Yellu等人[15]利用三倍頻實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SH和SH附近頻移為Δω≈ ?16 Hz的窄帶譜線，如圖10所示. 同時(shí)，觀測(cè)到泵波附近的SBS和SH附近的2SBS同時(shí)產(chǎn)生，認(rèn)為其源自SBSSH，發(fā)生過(guò)程 L+L?ωL+ωL≈2ωo?2ωIA.

圖10 HAARP SHG實(shí)驗(yàn)結(jié)果[15]Fig. 10 Experimental results of SHG at HAARP[15]

4 SEEs應(yīng)用

SEEs是受激參量不穩(wěn)定性產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象.因此，SEEs可作為參量不穩(wěn)定性的診斷工具. SEEs的應(yīng)用包括APLs激發(fā)診斷，等離子體湍流激發(fā)，電子加速和加熱診斷等.

4.1 APLs激發(fā)診斷

SEEs譜線，被用來(lái)直接診斷人工等離子層APLs的激發(fā)機(jī)制. 激發(fā)APLs的技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，高緯度HAARP 采用電子回旋方式（n=2，3，4，6）持續(xù)產(chǎn)生APLs. Pedersen等人[1]也采用電子回旋多次諧波激發(fā)APLs，當(dāng)入射電磁波頻率略高于磁回旋倍頻，滿足雙共振條件ω0=ωuh=Ωce時(shí)，APLs激發(fā)會(huì)更有效. Sergeev等人[30]通過(guò)四次電子回旋加熱實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)到人工電離層的沉降特性，與BUM譜沉降保持一致，表明BUM激發(fā)機(jī)制可能為揭示APLs的產(chǎn)生機(jī)理提供依據(jù).

高緯度激發(fā)的BUM和APLs密切相關(guān)，BUM特征可用作APLs激發(fā)診斷. 但是低緯度激發(fā)APL是否存在對(duì)應(yīng)的SEE頻譜，依然值得進(jìn)一步的研究.

4.2 多尺度等離子體湍流激發(fā)

SEEs是等離子體湍流誘導(dǎo)產(chǎn)生的電磁信號(hào)，與多尺度等離子體不規(guī)則體激發(fā)相關(guān). 一般而言，SEEs的DM頻譜和高頻雷達(dá)(SuperDARN，8～30 MHz)回波顯著增強(qiáng)相關(guān)，說(shuō)明場(chǎng)向不規(guī)則體結(jié)構(gòu)(fieldaligned irregularity structures, FAIs)的存在. 同時(shí)，對(duì)于磁回旋加熱而言，DM和FAIs在磁回旋附近存在極小值.

對(duì)于磁回旋加熱，當(dāng)入射泵波頻率高于磁回旋頻率時(shí)，會(huì)激發(fā)BUM譜線，此時(shí)存在多尺度等離子體不規(guī)則體，如可影響HF雷達(dá)散射的大尺度FAIs (～10 m)和影響L波段GPS的更小尺度FAIs(～10 cm). Frolov等人[31]認(rèn)為BUM譜和FAIs (6～10 m) 波增長(zhǎng)特征時(shí)間保持一致. Ponomarenko等人[32]實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到四次電子回旋中的高頻雷達(dá)回波散射增強(qiáng)，當(dāng)滿足ω0＞nΩce時(shí)存在兩種不同尺度FAIs.Gurevich等人[33]提出在入射頻率略高于電子回旋頻率時(shí)，高頻泵波會(huì)產(chǎn)生更小尺度FAIs（垂直尺度在10 cm量級(jí)），可影響1～2 GHz電磁波信號(hào). 這一理論得到電離層實(shí)驗(yàn)的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的初步驗(yàn)證[4,34]. 圖11給出了HAARP磁回旋三倍頻時(shí)SEEs極化頻譜和高頻雷達(dá)測(cè)量FAIs關(guān)系[35]. 隨著高頻雷達(dá)回波強(qiáng)度增強(qiáng)，SEEs極化特征減弱，受激輻射極化非對(duì)稱性特征表明多尺度FAIs存在.

圖11 HAARP三次磁回旋SEEs和高頻雷達(dá)回波關(guān)系[35]Fig. 11 Correlation between the third electron gyroharmonic SEEs and high frequency radar echo at HAARP[35]

受激BUM輻射激發(fā)多尺度等離子體湍流，理論認(rèn)為是由四波參量不穩(wěn)定性產(chǎn)生的[36]，但非線性動(dòng)力機(jī)理依然不明確，尚需研究[37-39].

如何理解SEEs頻譜激發(fā)機(jī)制，構(gòu)建SEEs頻譜和FAIs之間的關(guān)系，利用SEEs實(shí)現(xiàn)FAIs波動(dòng)參數(shù)診斷，構(gòu)建FAIs三維時(shí)空分布，依然充滿挑戰(zhàn).

4.3 電子加速和加熱機(jī)制診斷

SEEs和電子加速加熱機(jī)制相關(guān)，可提供等離子體波場(chǎng)診斷. 電子加速，可通過(guò)入射電磁波場(chǎng)和等離子體波場(chǎng)兩種方式實(shí)現(xiàn). 其中，等離子體波場(chǎng)是電子加速的有效方式.

4.3.1 靜電等離子波場(chǎng)激發(fā)機(jī)制

共振吸收(resonance absorption)：線性模態(tài)轉(zhuǎn)換發(fā)生的條件，是入射電場(chǎng)沿著密度梯度方向存在分量. 通過(guò)模態(tài)轉(zhuǎn)換，部分入射電磁波轉(zhuǎn)化為靜電波. 靜電波向低密度傳播的過(guò)程中，波矢增加，通過(guò)朗道阻尼加速電子，并通過(guò)共振吸收實(shí)現(xiàn)電磁波能量吸收和熱電子產(chǎn)生. 對(duì)于非磁化非均勻等離子體，入射電磁波在滿足朗繆爾共振區(qū)ωo≈ωpe時(shí)轉(zhuǎn)化為朗繆爾波，電磁波能量通過(guò)共振被吸收. Wong等人[40]觀測(cè)到電離層電磁波到靜電波的模態(tài)轉(zhuǎn)化在初始毫秒數(shù)量時(shí)間尺度. 對(duì)于磁化非均勻等離子體，電磁波在滿足UH共振區(qū)ωo≈ωuh和 雙共振區(qū) ω≈ωuh≈nωH時(shí)發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)化，發(fā)生共振吸收. Mj?lhus[41]研究了磁化等離子體中的線性模態(tài)轉(zhuǎn)換，給出了磁化和非磁化模態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程，以及小尺度密度不規(guī)則體條件下的線性轉(zhuǎn)換過(guò)程.

4.3.2 等離子波場(chǎng)加速電子機(jī)制

等離子體波場(chǎng)和粒子相互作用，是電離層非線性中的重要問(wèn)題. 等離子體靜電波本質(zhì)是電荷密度波動(dòng)和電場(chǎng)，由于靜電波無(wú)法離開等離子體，只能通過(guò)線性或非線性阻尼機(jī)制轉(zhuǎn)化到等離子體.等離子體波場(chǎng)能量衰減，轉(zhuǎn)為粒子能量，和波相互作用的粒子是電子或離子.

碰撞阻尼：電子與其他粒子發(fā)生碰撞，使得EW中電子的相干振蕩轉(zhuǎn)化為隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)，波能量消耗的速率和碰撞頻率有關(guān)，一般認(rèn)為這是非共振歐姆加熱方式.

線性朗道阻尼：在無(wú)碰撞的情況下，靜電波通過(guò)朗道阻尼轉(zhuǎn)化為粒子的能量，當(dāng)粒子速度接近靜電波傳播相速度時(shí)，粒子會(huì)被波加速或減速，靜電波能量被消耗.

非線性朗道阻尼：當(dāng)電場(chǎng)幅度較大時(shí)，等離子體波變?yōu)橥牧?，其中，捕獲Trapping(Caviton)和Wave Collapse (Cascade)是非線性阻尼機(jī)制，屬于非線性波粒相互作用的范疇.

等離子體波場(chǎng)線性加速電子主要包括電子朗繆爾波、UH波、和EB波三種方式. 電子加速機(jī)制，與波矢量和磁場(chǎng)之間的角度、入射頻率和磁回旋頻率相關(guān)，該機(jī)制是不同緯度裝置和頻率選擇的重要依據(jù). 泵波頻率的選擇主要有兩種：第一種泵波頻率不滿足磁回旋方式，如中低緯度設(shè)備，主要波加熱機(jī)制是朗繆爾波，朗繆爾波電場(chǎng)沿著磁力線方向加速電子，朗繆爾波機(jī)制是非常重要的機(jī)制，得到了廣泛研究[42]；第二種泵波頻率接近磁回旋方式，UH波和EB波加速機(jī)制變得重要，UH波和EB波電場(chǎng)垂直于磁力線方向來(lái)加速電子. 實(shí)驗(yàn)方面，Kosch等人[43]利用HAARP二次電子回旋實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)朗繆爾波、UH波和EB波以及熱參量不穩(wěn)定性(產(chǎn)生Striations)可能同時(shí)存在. Pedersen等人[1]利用電子回旋雙共振方式激發(fā)APLs，利用磁回旋實(shí)現(xiàn)了電子的有效加速，同時(shí)UH波/EB波場(chǎng)等被激發(fā)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了電子加速.

電離層電子加速物理過(guò)程中，可能存在多種等離子體波系結(jié)構(gòu). SEEs頻譜和等離子體波的激發(fā)密切相關(guān)，然而如何建立SEEs特征與等離子體波系加速電子的對(duì)應(yīng)關(guān)系，依然需要進(jìn)一步的工作. 同時(shí)，電子的加速機(jī)制，包括電場(chǎng)(磁回旋電場(chǎng))和等離子體朗道加速兩種機(jī)制，依然需要進(jìn)一步研究.

另外，電子加熱過(guò)程時(shí)間尺度相對(duì)較長(zhǎng)，電子溫度提高，需要進(jìn)一步研究碰撞加熱、非碰撞湍流和非線性捕獲等加熱過(guò)程的影響. 因此，如何利用SEEs特征區(qū)分電子加速和加熱機(jī)制也是很重要的問(wèn)題.

4.3.3 等離子體波波相互作用

參量不穩(wěn)定性是非線性波波相互作用的重要機(jī)制. Stubbe等人[44]提出將SEEs作為診斷電離層參量不穩(wěn)定性的新技術(shù). 參量不穩(wěn)定性的發(fā)生，滿足能量和動(dòng)量守恒即 ω0=ω2±ω1，k0=k1±k2. 其機(jī)制可以體現(xiàn)為以下幾種方式：

1)激勵(lì)電子波(ω0，k0)，激發(fā)后向傳播電子波(ω1，k1) 和離子波(ω2，k2). 電離層受激DM譜線.

2)激勵(lì)電磁波(ω0，k0) ，激發(fā)電子波(ω1，k1)和離子波(ω2，k2) . 其中，相速度 ω0/k0≈c，k0很小，得到|k1|=?|k2|，ω0=ω1+ω2.

3)激勵(lì)電磁波(ω0，k0)，激發(fā)離子波或電子波(ω2，k2) ，散射電磁波(ω1，k1). 其中，離子波為SBS和受激拉曼散射. SBS被電離層觀測(cè)到，用來(lái)診斷電子溫度和離子種類.

4)激勵(lì)電磁波(ω0，k0)，激發(fā)兩EPW，發(fā)生雙等離子體衰變不穩(wěn)定性過(guò)程. 發(fā)生條件為 ω0?2ωpe，發(fā)生在非均勻等離子體的臨界密度處，n?nc/4.

振蕩雙束流不穩(wěn)定性(oscillating two stream instability)：有質(zhì)動(dòng)力在入射波和等離子體頻率相等時(shí)效應(yīng)最強(qiáng)，即 ω0?ωp，離子密度波動(dòng)通過(guò)有質(zhì)動(dòng)力增長(zhǎng)，同時(shí)EPW被激發(fā)，形成不穩(wěn)定性，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[45-47].

PDI：激勵(lì)波產(chǎn)生EPW和IA. 最早在Platteville和Arecibo實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到[48].

4.4 低頻波激發(fā)機(jī)制

SEEs也可看作低頻波的一種激發(fā)方式，區(qū)別于傳統(tǒng)調(diào)制等方式[4]. SEEs產(chǎn)生的頻率范圍覆蓋Hz～100 kHz，再到入射頻率的SH. SEEs頻率與等離子體特征頻率相關(guān). 受激電磁波(如whistler wave，alfven wave)可以在自由空間傳播，靜電波需要波模轉(zhuǎn)換為電磁波在自由空間傳播. 其中，Blagoveshchenskaya等人[17]采用X模式觀測(cè)到來(lái)自SBS的IA波和EIC的譜線. 然而，如何將受激電磁等離子體波、靜電等離子體波轉(zhuǎn)化為電磁波的模態(tài)，以及被激發(fā)的新的電磁輻射頻率、帶寬、極化和傳播距離等問(wèn)題需要進(jìn)一步研究.

5 SEEs發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過(guò)幾十年研究，空間SEEs實(shí)驗(yàn)和理論取得了很多成果，促進(jìn)了等離子體非線性物理的發(fā)展[33,49]，但依然面臨一些問(wèn)題：

1) 空間磁化SEEs頻譜復(fù)雜，新的SEEs頻譜不斷出現(xiàn)卻缺少解釋[17]. 新受激窄帶/寬帶譜結(jié)構(gòu)和磁等離子體波有極化等相關(guān)卻無(wú)法得到解釋，這涉及到電磁波與磁化等離子體非線性相互作用理論，目前缺少完善統(tǒng)一的磁化SEEs理論.

2) SEEs實(shí)驗(yàn)設(shè)備和非相干雷達(dá)診斷彼此獨(dú)立，如HAARP缺少非相干散射雷達(dá)，低緯Arecibo受激輻射實(shí)驗(yàn)頻率單一. 隨機(jī)媒質(zhì)等離子體參數(shù)反演理論一直是理論難點(diǎn)，特別是電磁波和隨機(jī)媒質(zhì)的相互作用. SEEs數(shù)據(jù)信息挖掘不充分，SEEs參數(shù)診斷方法和工具依然空白. 如何充分利用SEEs特征反演APLs等離子體參數(shù)、多尺度湍流和電子加速加熱機(jī)制依然需要進(jìn)一步研究.

3) SEEs仿真困難，磁化非均勻參量不穩(wěn)定性理論復(fù)雜，利用高性能動(dòng)力學(xué)湍流仿真非線性多物理多尺度問(wèn)題、動(dòng)力學(xué)粒子模擬等，還需要進(jìn)一步的研究.

SEEs未來(lái)發(fā)展主要可從以下四方面進(jìn)行深入研究：SEEs實(shí)驗(yàn)、SEEs機(jī)理、SEEs極化測(cè)量和SEEs診斷工具. 融合SEEs理論和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)建立空間磁化等離子體SEEs正向和反演理論，進(jìn)一步揭示電磁波和磁化等離子體非線性相互作用的機(jī)理. 空間磁化SEEs的未來(lái)發(fā)展方向，主要包括：

1）SEEs正向模型

空間SEEs作為高功率電磁波和磁化等離子體相互作用的基本問(wèn)題，是非線性等離子體的最前沿，豐富了傳統(tǒng)磁化非均勻參量不穩(wěn)定性理論. 目前尚未建立空間磁化SEEs理論，空間磁化SEEs的正向物理模型也需要建立.

構(gòu)建空間SEEs物理模型，需要深入研究磁化等離子體和電磁波相互作用的理論，同時(shí)需要充分利用動(dòng)力學(xué)粒子模擬等高性能仿真計(jì)算，來(lái)進(jìn)一步揭示復(fù)雜空間SEEs頻譜的激發(fā)機(jī)理，闡述電離層波調(diào)控湍流和波激發(fā)機(jī)制，以及波波和波粒非線性相互作用機(jī)理. 空間SEEs的正向物理模型，將為實(shí)現(xiàn)SEEs的逆向反演模型奠定基礎(chǔ).

2）SEEs反演模型

空間SEEs可以提供空間等離子體參數(shù)的診斷工具，空間SBS提供電子溫度和離子種類的診斷，同時(shí)SEEs頻譜源自共振區(qū)電磁波和磁化等離子體的相互作用，包含磁化等離子體波和湍流的復(fù)雜作用體系. SEEs的特征，和APLs激發(fā)、多尺度等離子體湍流、電子加速和加熱機(jī)制診斷，以及低頻波激發(fā)相關(guān). 然而，SEEs特征與等離子體參數(shù)之間定量關(guān)系不明確，診斷工具開發(fā)缺少基礎(chǔ). SEEs診斷工具，一方面依賴大量的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，另一方面需要可靠的理論仿真模型和數(shù)據(jù).

由于實(shí)驗(yàn)和仿真本身存在的局限性，借助機(jī)器學(xué)習(xí)等方式建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SEEs診斷反演模型，融合SEEs的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論仿真模型來(lái)形成可靠的SEEs診斷模型，依然需要進(jìn)一步的工作[50-51].

6 結(jié)論和討論

空間電離層非線性等離子體物理，可望揭開電磁波和磁化離子體非線性相互作用的神秘面紗.高功率電磁波等離子體非線性是共性基礎(chǔ)問(wèn)題，也是非線性等離子體前沿問(wèn)題，對(duì)于激光物理、非線性光學(xué)、等離子體鞘套探測(cè)、空間太陽(yáng)能電站、超材料等研究也具有參考意義.

構(gòu)建空間SEEs理論體系，揭示電離層最優(yōu)調(diào)控非線性湍流和波激發(fā)機(jī)理，豐富了傳統(tǒng)磁化非均勻參量不穩(wěn)定性理論，為SEEs頻譜診斷應(yīng)用提供了理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了電離層最優(yōu)調(diào)控的機(jī)制推理和現(xiàn)象表征.

電離層波調(diào)控湍流和波激發(fā)機(jī)制及診斷，一直是電離層非線性研究的難點(diǎn)，也制約著電離層最優(yōu)調(diào)控方式的設(shè)置和應(yīng)用. 空間SEEs提供了電離層湍流和波激發(fā)以及電子加熱診斷的新手段，但空間SEEs的正向和反演模型依然需要進(jìn)一步研究.

致謝：感謝中國(guó)電波傳播研究所吳健研究員對(duì)本工作的啟發(fā)式討論.