赤道-低纬电离层中等离子体不稳定性的电磁特征研究

电离层不规则结构对各种通信和导航定位系统及空间活动有重要影响，其生成机制一直是电离层物理和空间天气学研究的热点问题。本项目拟基于卫星数据分析和理论分析，研究伴随不规则结构出现的磁场扰动和等离子体不稳定性的电磁特征，发展导致不规则结构生成和演化的电磁不稳定性的线性理论和非线性演化的数值模拟。研究内容包括：(1)卫星和地面数据的统计分析，获得伴随不规则结构出现的磁场扰动信息；(2)通过电磁不稳定性的线性理论分析，研究导致电离密度耗尽/密度增强生成的等离子体电磁不稳定性的触发机制；(3)基于数值模拟，研究电磁不稳定性非线性演化过程；(4)结合等离子体电磁不稳定性分析，初步探讨与不规则结构出现相关的赤道F层中场向电流及其效应。本项目的研究有助于深入了解赤道电离层中的电动力学过程，所发展的等离子体不稳定性电磁理论也可为电离层闪烁预报系统以及无线电波传播模型提供理论支撑，具有重要的科学意义和应用价值。

电离层不规则结构的生成和发展机制一直是电离层物理和空间天气的研究热点之一。本项目主要通过理论分析和数值计算，结合少量数据分析，研究导致低纬电离层不规则结构生成和发展的等离子体不稳定性的电磁扰动特征，以及电离层磁南北半球不对称对等离子体不稳定性的影响，并基于等离子体不稳定性线性分析，初步建立不规则结构出现率的理论模型。本项目按照项目计划较好的完成了既定项目内容，主要结果可总结为三部分，(1) 等离子体不稳定性的电磁扰动特征分析。假定Rayleigh-Taylor不稳定性为电磁不稳定性，分析与不规则结构有关的磁扰动特征。利用傅立叶分析方法，分析发现伴随不规则结构出现的磁扰动会很快消散，与磁扰动有关的扰动电场很难发展起来；与电离层不规则结构生成和发展有关的Rayleigh-Taylor不稳定性可看作静电不稳定性；(2) 基于等离子体不稳定性分析，构建电离层不规则结构的理论模型。假定Rayleigh-Taylor不稳定性为静电不稳定性，计算分析广义Rayleigh-Taylor不稳定性三维线性增长率随地方时、月份、地理经度、太阳活动以及逐日变化特征，比较分析线性增长率的变化特征与观测到的不规则结构和闪烁出现率的变化特征，构建不规则结构出现率的理论模型，发现三维线性增长率能较好地反映不规则结构和闪烁出现率随地方时、季节、太阳活动、地理经度以及逐日变化特征；(3) 背景电离层磁南北半球不对称特征分析以及半球不对称对Rayleigh-Taylor不稳定性的影响。利用通量管积分方法，分别计算磁南北半球的积分电子密度、Pedersen电导率，发现背景电离层存在显著的半球不对称，半球不对称强度还存在随季节和太阳活动的变化；Rayleigh-Taylor不稳定性线性增长率存在显著的磁南北半球不对称，背景电离层的半球不对称对Rayleigh-Taylor不稳定性的生成和发展存在一定的影响；磁偏角和中性风场是影响Rayleigh-Taylor不稳定性随经度变化的重要因素。本项目的研究可促进深入理解电离层不规则结构的生成和发展机制和影响不规则结构出现的背景因素，以及了解低纬电离层中的电动力学过程，初步建立的不规则结构的理论模型可用于构建电离层闪烁模型和闪烁预报系统，具有重要的科学意义和应用价值。