极区夏季中层顶尘埃等离子体加热效应的理论研究

极区中层顶区域属于尘埃等离子体范畴，在夏季出现异常强大的雷达回波，即极区中层夏季回波（PMSE），这表明中层顶区域的大气环境对无线电通信系统构成极大的影响，而且该区域加热将引起回波信号的强烈变化。本项目的研究将带动尘埃等离子体的发展，极区电离层加热的实际应用奠定基础。本项目的目标是，研究极区各向异性尘埃等离子体的性质，利用尘埃等离子理论进一步探讨PMSE产生机理，分析加热PMSE的过充现象以及对通信的影响。主要研究内容包括：1）加热状态下极区中层顶尘埃等离子体的电磁特性研究，分析在开始加热和停止加热瞬间尘埃等离子体的动力学过程；2）极区中层顶加热时PMSE回波特性的研究，主要包括加热对PMSE的影响，加热过程过冲现象的成因，加热过程PMSE尘埃层对GPS和北斗卫星导航系统信号的影响等。

本课题主要是开展极区中层顶区域异常回波在常规雷达观测和加热时雷达观测结果的理论研究。本课题组得到在发生电子吞噬区域的极区中层顶尘埃等离子体的介电系数。并计算得到不同频段下极区中层顶的尘埃等离子体电磁散射情况。前期研究已经得到PMSE雷达体反射率与频率的四次方成反比，，现根据最近几年的全球多个不同纬度、不同经度雷达站的测量数据，进一步补充验证了该结论的正确性。另外根据分层反射理论，编制分层反射程序，得到反射率与观测频率的内在关系。同时利用分层反射理论开展了PMSE的尘埃层对全球定位系统GPS和北斗导航系统信号的影响，PMSE尘埃层对对应频段的信号造成一定的影响，加热时回波将会更弱。如需在南北极地区当地夏季精确定位，需特别考虑PMSE尘埃层对信号衰减的影响。.极区中层顶区域的尘埃粒子大小及所带电荷问题一直是困扰科学界的一个重要而基本的问题，我们提出了一种简单易行的科学计算方向，初步得到了极区中层顶区域的尘埃粒子半径及所带电荷，尘埃粒子平均半径大约是20nm，平均所带电荷约为0.5到1个。理论分析也发现，当人工加热，电子温度提升时，尘埃粒子所带电荷也适当增加。通过最近开展的PMSE加热实验分析，在大部分的加热实验观测中，会观测到明显的过冲现象，但通过分层精细分析，发现部分实验时刻，加热瞬间PMSE回波强度并不减弱或消失，有时回波强度保持不变甚至有增强的趋势，与国外的最新的理论和实验结果一致，课题组所得到的实验结果为我国独立开展PMSE观测提供了数据基础。.为了解释PMSE雷达回波的真正机理，本课题组也在欧洲开展了PMSE方向敏感性的实验。实验时间选在了七月份，每天的国际时间11：00-13：00，这分别是发生PMSE最频繁的季节和每天PMSE出现最稳定的时间段。我们选取13日至16日四天的结果进行总体统计，得到回波强度在不同仰角的分布情况。从整体上看，回波强度对仰角具有一定的依赖性，或者说具有明显的方向敏感性，回波最强的角度为86°，82°和78°，然后是90°和84°。实验也可以确认PMSE现象不完全由湍流机制引起的，PMSE尘埃层的反射可能是最主要的机制。