抽象性

F层电离层等离子体中存在的电离层小尺度异常动态由数学模型帮助调查等离子假设为稀有复合体,由电子和正离子组成并处于强外部磁场应用模型使用Vlasov-Poisson方程系统模拟等离子体动过程方程系统用宏粒法数值解析等离子异常进化时,初始跨段相容度与离散长度相容,在此期间模拟足以使异常完全腐烂模拟结果显示小型异常性最初创建于F区电离层,衰变实现周期性摇动,过程无碰撞

开工导 言

电子密度异常是地球电离层自然现象异常范围广度从几度Debye长度到千米不等电子密度增减内部异常值介于几小段到约数十百分数间已知赤道异常实例是电离层F层大规模异常另一实例是在亚光圈纬度观察的主电离层槽一号..高纬度电离层可包含某些类型的大规模异常问题,例如极地帽从白边伸展到夜间增加电子密度的舌头,电离化极和极光峰值,电离化极和极光峰值等2-5..F层电离层中也观察到数以万计维度的中尺度异常6,7..已知电离层中可能存在的小规模异常主要是磁场对齐地球电离层可包含短尺度异常值,剖面直径约数百米8-11..无线电极光或E层小波流是已知短期异常例子12..流星等离子体轨迹也是电离层异常例子13..

已知电离层异常可能不仅来自自然过程,还可能来自电离层等离子体主动实验的结果,特别是各种化学活性物质向电离层释放的结果。电离层异常还可能由高功率高频无线电波组成,地面电离层加热器泵入电离层电离层等离子体产生各种物理过程其中一些过程形成大规模电子温度和密度异常和电离层小规模地磁对齐异常数学建模强高频波大规模F层修改14Perkins和Roble15Mantas等[16伯恩哈特和邓肯17汉森等[18号Vas'kov等[19号Mingaleva等[20码,21号..Wong etal详细描述小型异常参数,这些参数由强高频波组成F层电离层[22号..论文显示,这些异常的对称大小为数度Debye长度(不超过约100长),而电子密度扰动可达约数十百分数由埃利亚松和Stenflo研究考虑并模拟了富层高频波形成小规模异常23号..可以看到,这种异常现象可能不仅人工生成电离层等离子体,而且自然过程也生成[22号..

本研究使用极地地球物理研究所最近开发的数学模型调查小型地磁对接电离层异常

二叉数学模型

F层高度电离层等离子体应是一个稀有复合体,由电子和正离子组成,并有强力外部统一磁场所研究的异常点假设与地磁场接合,剖面循环初始剖面异常直径应该与Debye长度相容F层层相连碰撞平均自由粒子路径(电子和离子)远比考虑异常的剖面直径大得多。假设等离子无碰撞Vlasov-Poisson方程系统描述等离子体动工过程,Hockney和Eastwood研究中曾考虑过该方程24码鸟群兰登25码..系统可写作如下: + , + + × 0 , 一号 = 0 , = , , 高山市 一号 ) Δ 高山市 , ) = - 0 高山市 , ) , 高山市 2 ) 高山市 , ) = - ∇ 高山市 , ) , 高山市 , ) = 0 - , 高山市 , ) = 高山市 , , ) , 高山市 3 ) 去哪儿 高山市 , , ) , 高山市 , ) , 并 分别为分布函数、集中性、质量和充电类型粒子 , 空间坐标向量 速度化 0 外磁场 即自定电场 高山市 , ) 电场潜力 高山市 , ) 电荷密度 0 介电自由空间常量 0 质子充电Vlasov方程一号描述带电粒子分布函数演化Poisson方程2描述自成一体电场

如前所述,所调查的异常点与地磁对接纵向尺寸远比剖面直径大垂直方向等离子参数梯度远小于离磁场相容平面异常近似异常的等离子参数可被视为独立于纵向坐标简单化使我们能够考虑二维等离子流

不久前,PGI开发二维数学模型,拟模拟近土稀有等离子体动态26..模型中宏粒法完全隐式变量应用到Vlasov方程联合数解解法中一号和 Poisson方程2并使用电子实荷量比Poisson方程2)使用有限异差法求精度排序解决数值问题磁层等离子体中可能存在的电子密度小规模异常行为数值模拟26..本研究使用该模型调查F层电离层等离子体小规模异常时间演化

模拟区域置平面与磁场线并行模拟区为方形,侧长等于96度Debye等离子维度模拟区域与应用宏法的建议一致,使用离散Vlasov-Poisson方程系统依据这些建议,为充分表示实等离子体,模拟区域尺寸应不小于等离子体60-100度24码,25码..

网格宽度等于等离差八分之一网格数列 7 6 8 × 7 6 8 .时间步电场等于Langmuir电子振荡平衡周期的百分之一分配函数和电场的周期边界条件用于这项工作模型计算中 宏粒子数 7 2 ⋅ 2 2 0 ≈ 7 5 . 5 ⋅ 一号 0 6 脱机ebye单元中宏粒子平均数等同213.

小型异常化时间演化最初生成于F层电离层等离子体中,在足以使异常化完全腐烂的段段内进行数值研究。2D2V数学自相容模型使用近土稀有等离子体Mingalev et al研究中可找到使用数学模型和应用数值法特性的更具体细节[26..

3级介绍和讨论结果

使用数学模型描述近土等离子体行为论文拟介绍计算结果使用模型输入参数获取,模型典型电离层等离子为300千米水平特别是非扰动电子富集值(等于正离子富集度)为1011m3级.电子温度和离子温度应分别为1213K和930K散流速度电子和正离子假设为零磁场值 0 表示4.4.105级T.

上点值产生下列量某些物理意义参数电子热速度 等于135.6千米/秒均衡等离子频率 0 e 1.78/107s级一号.离别长度等离子 0 定义为 0 = / 0 公元前 7 . 6 ⋅ 一号 0 - 3 m!电子陀螺半径 ... 一号 7 . 5 ⋅ 一号 0 - 3 m.平衡周期Langmuir电流振荡 ... 3 . 5 2 ⋅ 一号 0 - 7 s.循环电流振荡周期 公元前 8 . 一号 2 ⋅ 一号 0 - 7 s,即约2.3因子大于Langmuir电波平衡周期 ≈ 2 . 3 ⋅ )平均免费充电粒子约50米平均自由时间电子相接碰撞 f级 R e类 e类 公元前 a/ t级 h 大于Langmuir振荡因子约1047 f级 R e类 e类 公元前 a/ t级 h ≈ 一号 0 4 7 )

取数学模型输入参数 典型夜间电离层300千米, 我们计算时分分布函数演化 加载粒子 和自相容电场在这些情况中,电荷密度初始分布不同第一种情形对应电子和正离子浓度在模拟区初始点的均匀空间分布,等离子中和和电荷密度等于零

第二种情形对应正离子集中度的均匀空间分布电子集中空间分布初始时含有模拟区域中心循环异常性内部异常性内等离子电中值破损,而除此以外等离子在初始时不偏电

模拟结果取自从完全电中状态开始的第一个状态,表示电子和正离聚空间分布往往保持等离子同性和电中和性短期非例变等离子值接近初始值电荷密度电场起伏不定,波动幅度极小我们计算电场两个正交组件 并 与磁场垂直平面显示电场最大振幅不大于值 一号 0 - 5 V/m模拟区域所有网格单元

考虑电子集中度下降是值得注意的 相对非扰动电子富集度初始值(等于正离子富集度) 0 即比 高山市 0 - ) / 0 中称电子集中度相对下降计算结果显示最大放大量不超过105级数组模拟区域一号)单点模拟区域计算等离子值接近初始值浮动一号中间曲线)


图1
最大值(顶曲线)和最小值(底曲线)时间变换电子密度相对下降,计算方法为模拟区域所有网格单元时间变异电子集中度相对下降 计算中心模拟区域(中曲线)检测结果取自第一种状态 从完全电中状态开始值以 10 单位表示-6.正常化时间 / 即Langmuir均衡周期时间振荡 显示在abscissa上

物理参数之一等离子填充体积 ,是等离子体的潜在能量 公元前 欧市 t级 高山市 一号 ) = 2 ⋅ , 高山市 4 ) 去哪儿 并 数量与中相同2)等一等 0 k 一 N级 初始动能填充卷 .归并潜在等离子体可定义为 公元前 欧市 t级 高山市 ) / 0 k 一 N级 .

模拟结果取自从完全电中状态开始的第一个状态,显示等离子体归并潜在能量浮动2)可以看到,这些浮点对第一个环境没有超过13.10值-11下图2)等离子参数最短周期浮动 高山市 0 . 一号 - 0 . 2 ) ⋅ .除此以外,模拟结果中还可能发生与其他周期的波动,特别是Langmuir电波均衡周期 周期回旋电子 ,(图解)一号并2)


图2
时间变异等离子填充全模拟区 公元前 欧市 t级 高山市 ) / 0 k 一 N级 .检测结果取自第一种状态 从完全电中状态开始值以 10 单位表示-11.正常化时间 / 即Langmuir均衡周期时间振荡 显示在abscissa上

短尺度非例变等离散噪声由应用宏粒法的具体特性决定,波动放大取决于计算中使用的宏粒数可以看到,在当前计算中,我们使用2D2V Maxwell分布模拟211宏粒子16级能和128分方位速度统一定位 0 . 5 ⋅ 0 .

需要强调的是,从全电中性状态启动过程时第一种状态获取的波动放大特征是应用数值法的精度,在计算后无法超出该精确度判断此精度目标之一是对初始点内电子和正离子均匀空间分布对应的第一种环境进行计算

容我们考虑模拟结果,为第二种状态获取的模拟结果,在初始阶段电子集中空间分布包含模拟区域中心循环异常性,正离聚空间分布在所有模拟区域均匀化计算出初始生成异常性剖面直径 一号 2 0 中位 0 ebye长度等离子内部偏差部分电子从内部循环移动,直径为直径 6 0 外环环绕内圈计算电子集中度相对下降 高山市 0 - ) / 0 内圈初始点为0.2换句话说 20%电子从异常中心迁移到外围排位后,内部异常圈中出现超正控件,环形圈中出现超负控件图中显示与磁场垂直平面初始异常配置3(a).可以看到,电密度的形状、维度和扰动与Wong等研究描述的小规模异常参数相对应[22号..

(a)
(a)
(b)
(b)
(c)
(c)
d)
d)
e)
e)
f)
f)
图3
计算空间分布电子集中度相对下降 高山市 0 - ) / 0 平面垂直磁场适配距离 X级 / 0 并 Y级 / 0 即距离单位Debye长度 0 中点模拟区域显示横向 ) and vertical ( 轴头所得结果为第二个状态研究初始生成异常性时间演化结果,分以下片段提供:(a) = 0 .(b) = .(c) = 2 . 2 ⋅ .d = 3 ⋅ e) = 4 . 4 ⋅ 和(f) = 一号 4 . 0 九九 ⋅ .

时间演化初始生成异常性使用上文描述的数学模型模拟数值模拟结果显示,初始时段后电子集中空间分布基本改变,正离子浓缩则基本不变保留发现初始生成异常性短短时间完全消失,等离子体在所有模拟区接近Langmuir振荡平衡段时变中 高山市 ≈ ) .图3(b)显示此条件进一步的计算显示电子集中度变化持续,短段后异常性再次产生至约片刻 高山市 2 . 2 - 2 . 3 ) .图解事实3(c).可以看出,回收异常性几乎完全与图中最初显示的完全一致3(a).后期,不规则性消解复元周期一而再而复始(见图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解图解3(d)并3(e))时间演化初始生成异常并伴有周期振荡时间段比Langmuir电波平衡段大约2.3倍,前段与电波振荡周期并发 .时间段里电子集中电场振荡平滑下降 异常性逐小变换

值得注意的是,进化过程中,外加几乎对称替代环并充电异兆开始出现 环绕模拟区域中心初始异常图中可见这些环3(e)显示空间分布电子浓缩度相对下降,取自约2振荡周期时间段中,这些附加环开始填充所有模拟区域,异常中心保留不变图中可见此条件3(f)显示电子富集度相对下降的空间分布 计算出大约6振荡周期

模拟结果取自研究初始生成异常性时间演化的第二个场景,显示计算参数在单点模拟区域浮动图中显示等离子值浮动参数实例4.从图底板看到4电场波动乘法为研究初始异常性时获取的第二个场景,远比从全电中状态启动过程时获取的第一个场景大得多(图示图解)(图解取自全电中性状态时获取的第一个场景4(a))第一种情况中,值不超过105级V/m二维值大于0.2V/m值4)第二种情况很容易看到电场波动拥有两个主要周期,即Langmuir电流振荡周期和电环振荡周期(图示图)(Rangmuir电流振荡周期和电波振荡周期)。4(b))

(a)
(a)
(b)
(b)
图4
时间变换电场的一个组件,即 平面垂直磁场计算 计算点从模拟区域中心移位 距离十六度Debye 高山市 一号 6 ⋅ 0 ) 后一种情况研究原创异常性b电场组件以10单元提供-6V/m in(a)和V/m in(b)正常化时间 / 即Langmuir均衡周期时间振荡 显示在abscissa上

模拟结果为第二种状态获取,显示等离子体归并潜在能量可起伏从图5显示等离子体归并潜在能量 公元前 欧市 t级 高山市 ) / 0 k 一 N级 显示周期性摇动振荡周期有最大振荡,接近电环振荡周期,约2.3系数大于Langmuir振荡均衡周期放大这些振荡从初始值约0.08降为量,约比初始值少10倍,实现量在进一步计算中几乎不变(图解图解)。5)时间间隔约 3 5 约15振荡周期非规律性)足以使等离子体归并潜在能量大增几乎不可变模拟结果显示,在这段时间段内,被认为不正常性几乎完全丧失初始结构、扩散和衰变需要强调的是,这一时间间隔远小于相继碰撞与其他粒子间平均自由电子时间衰变过程原创非冲突性完全无冲突性,应用Vlasov-Poisson方程系统描述此过程是正当的


图5
时间变异等离子填充全模拟区 公元前 欧市 t级 高山市 ) / 0 k 一 N级 .所得结果用于研究初始异常性时的第二种情况正常化时间 / 即Langmuir均衡周期时间振荡 显示在abscissa上

如前所述,应用数学模型被用于数值模拟电子密度小度异常行为,该行为可能存在于磁层等离子体中[26..尽管磁层和电离层等离子参数不同,小规模异常行为却相似磁层小型异常变换实现周期性摇动极振荡周期比Langmuir电子振荡平衡周期大约1.3-1.4倍前段证明等于电流振荡周期约20个Langmuir振荡周期(约15个异常振荡周期)是磁层等离子体初始生成异常特征的特征时间约3000千米[26..可以看出,从本质上讲,本文件介绍的结果与从[26..

4级总结和总结备注

本文使用二维数学模型用数值模拟F层电离层等离子体小规模异常时间演化,二维数学模型最近由PGI开发模型基础是Vlasov-Poisson方程解析法,Vlasov方程描述加载粒子分布函数和Poisson方程规范自相容电场宏粒法完全隐式变方程法用于数解方程系统,并使用电子实荷量比

所调查的异常点应该是地磁场对齐,剖面循环剖面偏差直径远小于纵向尺寸等离子参数梯度直达磁场远比不规则近距离纵向偏差高得多后梯度可省略,等离子流可视同磁场平面二维

计算充电粒子分布函数时间演化和自相容电场,以适应日光电等离子体典型条件300千米水平第一,为判断数学模型的精度,计算时与模拟区内部电子和正离子均匀空间分布相对应的情况结果确定数字模型中所谓离散噪声的放大

第二,初始生成异常性时间演化用数值模拟产生F层电离层等离子体小规模异常典型参数模拟结果显示,在一定时间里,异常性衰变实现周期性摇动

异常性消散并定期恢复,参数浮动特别是等离子体归并潜在能量显示周期阻塞振荡极值振荡周期接近电环振荡周期,约2.3系数大于Langmuir振荡均衡周期进化过程 围绕初始异常性 外近对称交替环开始出现时段中,这些附加环填充所有模拟区域

约15振荡周期非正常性足以使非正常性几乎完全丧失初始结构、扩散和腐烂时间间隔远小于相继与其他粒子碰撞平均自由时间因此,销毁初始生成异常性过程基本不相冲突

感知感知

俄罗斯科学院物理科学分院通过程序“太阳系的粒子过程”和RFBRGrant no部分支持这项研究1001-00451