極區(qū)夏季中層頂冰晶顆粒的生長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)模型及小尺度密度層的結(jié)構(gòu).pdf

1、極區(qū)中間層夏日回波（Polar Mesosphere Summer Echoes，簡(jiǎn)稱(chēng)PMSE）是發(fā)生在極地夏季中間層頂?shù)膹?qiáng)的雷達(dá)回波現(xiàn)象。自從首次觀測(cè)到PMSE現(xiàn)象以來(lái)，它就備受人們的關(guān)注。是什么機(jī)制造成了PMSE現(xiàn)象，至今尚無(wú)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(jié)在流星灰上

2、，從而形成了冰晶顆粒并不斷生長(zhǎng)。再加上極地中間層有向上吹的中性風(fēng)，產(chǎn)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(shù)密度具有非均勻的不規(guī)則結(jié)構(gòu)。而介質(zhì)對(duì)電波的折射率又是由自由電子的數(shù)密度所決定的。這就導(dǎo)致了介質(zhì)折射率的不規(guī)則，最終導(dǎo)致了PMSE現(xiàn)象的發(fā)生。
　　 本文第二章根據(jù)極區(qū)夏季中間層頂區(qū)域的特點(diǎn)建立凝結(jié)核在該區(qū)域吸附水汽而成冰晶的生長(zhǎng)模型，研究冰晶顆粒的運(yùn)動(dòng)和數(shù)密度分布

3、情況。根據(jù)PMSE發(fā)生層溫度結(jié)構(gòu)選擇中間層頂?shù)纳舷聝蓚€(gè)邊界層。在上邊界層，以外大氣層下落的微隕石顆粒為凝結(jié)核，根據(jù)塵埃顆粒與水汽分子的碰撞吸附效應(yīng)建立顆粒的生長(zhǎng)模型，研究顆粒在重力和中性氣流拖拽力作用下的運(yùn)動(dòng)和生長(zhǎng)過(guò)程。研究表明，顆粒半徑隨時(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng)，顆粒的運(yùn)動(dòng)速度與半徑之間存在復(fù)雜的關(guān)系，對(duì)于一定范圍的初始凝結(jié)核半徑，顆粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以反彈，即速度方向逆轉(zhuǎn)。根據(jù)通量守恒可以計(jì)算塵埃顆粒的粒子數(shù)密度隨高度的分布，結(jié)果表明，由于存在速

4、度逆轉(zhuǎn)效應(yīng)以及初始凝結(jié)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(jié)構(gòu)）。該結(jié)構(gòu)有利于形成強(qiáng)的雷達(dá)回波。在下邊界層，以中層底部隨氣流上升的顆粒為凝結(jié)核，根據(jù)同樣的原理，我們得到了由較大的冰晶所形成的數(shù)十米到百米量級(jí)的空間不均勻結(jié)構(gòu)，而陡變處的標(biāo)長(zhǎng)只有數(shù)米量級(jí)，該結(jié)構(gòu)亦可解釋PMSE或夜光云現(xiàn)象。
　　 本文第三章從電子和離子運(yùn)動(dòng)的角度來(lái)刻畫(huà)電子數(shù)密度的小尺度結(jié)構(gòu)。在課題組前期研究基礎(chǔ)上，考慮冰晶顆粒的運(yùn)動(dòng)對(duì)

5、電子和離子小尺度結(jié)構(gòu)的影響。同樣，我們只考慮豎直方向的一維的情況。首先，對(duì)冰晶所受到的幾種力進(jìn)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(dá)到了平衡，冰晶以收尾速度下落。在以此速度向下運(yùn)動(dòng)的參考系中，我們建立了冰晶、離子、電子運(yùn)動(dòng)的流體方程，并數(shù)值模擬了這幾種粒子的數(shù)密度分布以及電場(chǎng)分布，研究表明，這種結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生電子的局域小尺度結(jié)構(gòu)。這樣的特征長(zhǎng)度與形成雷達(dá)回波的長(zhǎng)度是在同一數(shù)量級(jí)上，這就部分地解釋了PMS