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极区中层顶区域尘埃等离子体参数的研究

极区中层顶区域尘埃等离子体参数的研究

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作者：孙秀红西安电子科技大学

学位级别：硕士

极区中层在夏季发生许多有趣的地球物理学现象,主要受该区域极其特殊的热力学结构的影响。极区中层夏季回波是在高纬中层顶附近探测到的异常强的雷达回波,是一种非常奇特的雷达回波现象,简称PMSE。自从1979年被Ecklund和Balsley发现以... 详细信息

极区中层在夏季发生许多有趣的地球物理学现象,主要受该区域极其特殊的热力学结构的影响。极区中层夏季回波是在高纬中层顶附近探测到的异常强的雷达回波,是一种非常奇特的雷达回波现象,简称PMSE。自从1979年被Ecklund和Balsley发现以来已经引起了科学界的广泛关注。但产生PMSE的物理机制尚不清楚。大量研究显示:PMSE现象与电子密度和带电冰晶粒子有密切的关系,在高纬夏季中层顶区域利用火箭测量到的电子密度剖面,频繁显示出厚度约1公里的尖锐的边界层,层内的电子密度比层外上下区域的电子密度至少小一个量级,即电子密度“吞噬”效应。相应高度的尘埃电荷数密度严重增大。极区中层顶区域存在大量的带电冰晶粒子,在双极性力的作用下形成一定的空间分布,并产生电场,但受某些条件的限制,目前对极区中层顶电场的测量非常匮乏,因此在理论方面的电场推算具有一定的科学意义。受到这些问题的驱动,并作为开展论文研究的基础,本文首先介绍了PMSE的相关知识。PMSE发生的背景条件,中层顶带电冰晶粒子形成的客观条件:中层大气的温度和湿度。介绍了PMSE出现率的规律性变化,以及火箭探测到PMSE的环境特征。中性大气湍流理论是目前研究PMSE发生机制的最经典理论,但中性湍流理论与雷达和火箭观测到的PMSE事实之间存在很多矛盾。在极区中层顶区域利用火箭探测到的大量带电冰晶粒子,构成一种尘埃等离子体,我们把带电的冰晶粒子称为尘埃粒子。在本文中我们主要根据P K Shukla的尘埃等离子体充电理论,推导出尘埃粒子电荷数和尺寸半径比值的表达式。根据ECT02实验数据,假设尘埃粒子带一个负电荷,计算出尘埃粒子尺寸半径在20-50nm之间,与相关资料的理论推算结果相符。其中在约87.5km尘埃粒子尺寸半径明显增大,对应温度剖面的最小值,我们对此不能给出合理的解释。根据上面得到的尘埃粒子尺寸半径,假设尘埃粒子为球形粒子,计算得到尘埃粒子的质量,并以此计算了尘埃的等离子体频率,其范围在1-8kHz之间,同时还计算了电子的等离子体频率为1-4MHz,离子的等离子体频率为10-18kHz,计算出尘埃等离子体的库仑耦合参数为10-37,确定极区中层顶区域的尘埃等离子体是弱耦合尘埃等离子体。针对电子密度“吞噬”效应,推导了电子压力梯度产生的极化电场的公式,依据ECT02实验数据,计算得到PMSE层中的极化电场强度为10-1mV/m量级。R. Holzworth和R. Pfaff根据DROPPS实验推算出电场强度约为10mV/m,比我们的计算结果大一个量级。而M. Zadorozhny依据NLC-91实验推算的电场强度在100

关键词：极区中层夏季回波(PMSE) 尘埃等离子体尘埃粒子尺寸半径尘埃等离子体频率极化电场

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