極區(qū)夏季中層頂冰晶顆粒的生長和運動模型及小尺度密度層的結構.pdf

1、極區(qū)中間層夏日回波（Polar Mesosphere Summer Echoes，簡稱PMSE）是發(fā)生在極地夏季中間層頂的強的雷達回波現象。自從首次觀測到PMSE現象以來，它就備受人們的關注。是什么機制造成了PMSE現象，至今尚無定論。
　　 PMSE發(fā)生的區(qū)域位于極地中間層的頂部，電離層的D層，處于弱電離的等離子體環(huán)境中，存在自由電子、離子和中性氣體。這里又是地球上溫度的最低的地方，大氣環(huán)流從下面帶上去的水汽可以凝結在流星灰上

2、，從而形成了冰晶顆粒并不斷生長。再加上極地中間層有向上吹的中性風，產生向上的中性氣流拖曳力施加在冰晶顆粒上，此外還受重力作用。這些因素相互作用，致使這里的冰晶以及電子數密度具有非均勻的不規(guī)則結構。而介質對電波的折射率又是由自由電子的數密度所決定的。這就導致了介質折射率的不規(guī)則，最終導致了PMSE現象的發(fā)生。
　　 本文第二章根據極區(qū)夏季中間層頂區(qū)域的特點建立凝結核在該區(qū)域吸附水汽而成冰晶的生長模型，研究冰晶顆粒的運動和數密度分布

3、情況。根據PMSE發(fā)生層溫度結構選擇中間層頂的上下兩個邊界層。在上邊界層，以外大氣層下落的微隕石顆粒為凝結核，根據塵埃顆粒與水汽分子的碰撞吸附效應建立顆粒的生長模型，研究顆粒在重力和中性氣流拖拽力作用下的運動和生長過程。研究表明，顆粒半徑隨時間線性增長，顆粒的運動速度與半徑之間存在復雜的關系，對于一定范圍的初始凝結核半徑，顆粒在運動過程中可以反彈，即速度方向逆轉。根據通量守恒可以計算塵埃顆粒的粒子數密度隨高度的分布，結果表明，由于存在速

4、度逆轉效應以及初始凝結核顆粒大小具有一定的分布，邊界附近可形成陡峭的密度分布（小尺度密度結構）。該結構有利于形成強的雷達回波。在下邊界層，以中層底部隨氣流上升的顆粒為凝結核，根據同樣的原理，我們得到了由較大的冰晶所形成的數十米到百米量級的空間不均勻結構，而陡變處的標長只有數米量級，該結構亦可解釋PMSE或夜光云現象。
　　 本文第三章從電子和離子運動的角度來刻畫電子數密度的小尺度結構。在課題組前期研究基礎上，考慮冰晶顆粒的運動對

5、電子和離子小尺度結構的影響。同樣，我們只考慮豎直方向的一維的情況。首先，對冰晶所受到的幾種力進行了分析，其主要作用的力為重力和中性分子的拖拽力。在平衡態(tài)，重力和拖拽力達到了平衡，冰晶以收尾速度下落。在以此速度向下運動的參考系中，我們建立了冰晶、離子、電子運動的流體方程，并數值模擬了這幾種粒子的數密度分布以及電場分布，研究表明，這種結構可以產生電子的局域小尺度結構。這樣的特征長度與形成雷達回波的長度是在同一數量級上，這就部分地解釋了PMS