PMSE規(guī)律性及形成機制相關(guān)理論綜述

李學良 陳惠敏 石雁祥

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

PMSE規(guī)律性及形成機制相關(guān)理論綜述

李學良1陳惠敏2石雁祥1

(1．伊犁師范學院電子與信息工程學院新疆伊寧835000; 2．昌吉學院物理系新疆昌吉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)。評述了PMSE形成機制相關(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(簡稱PMSE)的研究是地球物理領(lǐng)域的熱點問題，它對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)中層的一種異常強烈的雷達回波現(xiàn)象。1981年，Ecklun和Balsley (1981)首次利用VHF(頻率為50MHz)雷達在Poker Flat，Alaska(65．13oN，147．46oW)地區(qū)海拔80－90km處觀測到了強的回波現(xiàn)象［1］。最強的雷達回波常出現(xiàn)在86km附近，信噪比的最大值可達30dB，PMSE出現(xiàn)的同時常常伴隨著可以用肉眼觀測到的夜光云現(xiàn)象［2］(簡稱NLC)。此后，人們對PMSE進行了大量的研究，雷達觀測頻率由最初的VHF擴展到HF、MF頻段。研究手段也從單一的雷達觀測到火箭探測、衛(wèi)星探測。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的日趨嚴重，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，對PMSE形成機制的相關(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)進行了綜述。

2 PMSE的規(guī)律性

大量實驗觀測表明，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觀測研究發(fā)現(xiàn)，雷達回波與入射雷達波頻率有顯著的關(guān)聯(lián)性。表1給出了從甚高頻(VHF)到超高頻(UHF)不同頻率的雷達對PMSE觀測得到的體散射指數(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觀測結(jié)果外，隨著雷達信號頻率的增大，體散射指數(shù)在量級上呈遞減趨勢。Elcklun和Rotter的觀測表明，當頻率增加一個數(shù)量級時，體散射系數(shù)減小6個數(shù)量級。另外，1994年，J．Bremr用53．5MHz、224MHz和2．78MHz三種不同頻率雷達對PMSE的觀測也證實了頻譜依賴性［5］。李海龍等人進行了理論分析給出了體散射系數(shù)與雷達頻率的關(guān)系［6］

η是體散射指數(shù)，?是雷達頻率?？梢钥闯隼走_的體散射指數(shù)與頻率的4．5次方成反比。由于雷達觀測位置、時間以及系統(tǒng)本身的參數(shù)等都會對雷達回波產(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 不同頻率雷達對PMSE的觀測

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雷達觀測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在相同的地理位置所做的觀測均證實這一規(guī)律［7］。

2．3地理緯度變化

除了在北緯65－69度觀測到強烈雷達回波的PMSE現(xiàn)象之外，在北半球，北緯78度至北緯52度均發(fā)現(xiàn)有強烈的雷達回波現(xiàn)象，此現(xiàn)象稱中層夏季回波(簡稱MSE)。大量的觀測表明，從高緯度到低緯度PMSE出現(xiàn)率按梯度遞減。假設七月份在Andens Noways觀測PMSE出現(xiàn)率為100%，北緯78度出現(xiàn)率幾乎達到100%，到北緯75度減小到50%，到北緯54度出現(xiàn)率只有10%－20%。人們猜測這種變化可能與夏季極區(qū)中層的大氣環(huán)境、力學結(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。觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，南半球的PMSE出現(xiàn)頻率遠小于北半球。人們猜測，這可能與南北半球大氣層熱力學結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。但由于缺乏南半球的相關(guān)數(shù)據(jù)，對于南北半球出現(xiàn)率不對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頻譜和PMSE的相干散射信號頻譜，它是由工作頻率為224MHz的EISCAT VHF雷達測量得到的，迄今為止，這一數(shù)據(jù)是PMSE譜寬最精確的測量數(shù)據(jù)。

圖2 電離層的非相干散射信號頻譜和PMSE的相干散射信號頻譜

兩種頻譜對比說明，非相干散射和PMSE是兩個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)則運動引起)譜寬約100Hz，而在PMSE發(fā)生時，相應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，遠比沒有PMSE發(fā)生時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層的散射體隨機運動小，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)反射導致的。等人把PMSE頻譜形態(tài)與非相干雷達散射的洛倫茲譜進行了對比研究，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］。他們認為PMSE產(chǎn)生可能是雷達波束內(nèi)部(垂直方向和水平方向1－2km)多個小的局部散射結(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)則運動引起的，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)率每天在各個時刻也不相同，呈現(xiàn)一定日變化性。圖3是用ErangeMST雷達在670N，210E觀測的PMSE出現(xiàn)率。一般PMSE的強度從0:00UT的30%開始遞增，到6:00—7:00UT時達到70%，在12:00—13:00UT時達到最大值，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)一個最小值，這兩個最值在PMSE發(fā)生期間相對穩(wěn)定。(其中UT為國際時，國際時UT與當?shù)貢rLT的關(guān)系為LT=UT+1h．)。次最大值一般發(fā)生在凌晨，但時間不穩(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PMSE日變化的解釋是:由于潮汐運動，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。威用雷達和火箭聯(lián)合觀測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)，即使存在中性風擾動，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)生機制以及分層結(jié)構(gòu)中各帶電粒子的濃度對PMSE的影響是有待解決的問題。

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

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(責任編輯:代琴)

X12

A

1671－6469(2012)02－0086－07

2012－03－17

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

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