极区中层弱电离尘埃等离子体纵波色散关系的理论研究

The polar mesosphere summer echoes （PMSE）is a hot point in academic front fields in the nation. Research indicates that the layered structure of electron concentrationalong the height in the polar mesosphere is a cause of PMSE. So far,it is unclear.for the formation mechanism of the layered structure. the longitudinal wave instability in the polar mesosphere may an important cause of the layered structure. The polar mesosphere atmosphere is a kind of weakly inozed dust plasma .It is the groundwork of the longitudinal wave instability research that to establish the longitudinal wave dispersion relation of the weakly inozed dust plasma. This project is aimed at to set up the longitudinal wave dispersion relation.On the basis, the problem of the longitudinal wave instability will be studied which is important to find out the formation mechanism of the layered structure and the cause of PMSE.

极区中层夏季回波(简称PMSE现象)是国际学术前沿领域研究的一个热点问题。研究发现，这一区域带电粒子浓度沿高度的分层结构是形成极区中层夏季回波的一个原因。到目前为止，引起这一引起这一分层结构的机理尚不清楚。极区中层大气中的纵波不稳定性可能是导致这种分层结构的一个重要原因。极区中层大气是一种弱电离尘埃等离子体，建立这种弱电离尘埃等离子体的纵波色散关系是研究其纵波不稳定性的基础。本项目研究旨在建立这一类弱电离尘埃等离子体的纵波色散关系，在此基础上，研究极区中层大气的纵波不稳定性问题。这对发现极区中层分层结构产生的机理，进一步分析极区中层夏季回波的成因有重要意义。

研究尘埃等离子体纵波不稳定性的理论基础是尘埃等离子体纵波色散关系.以往的尘埃等离子体纵波色散关系主要是针对实验室尘埃等离子体的，这些理论一般不适用于极区中层大气这样的弱电离尘埃等离子体.与实验室尘埃等离子体不同，极区中层的带电粒子与中性分子的碰撞频率远大于带电粒子之间的碰撞频率，与相应的带电粒子的等离子频率在量级上比较一致.因而,在建立尘埃等离子体不稳定性的纵波色散关系时,必须将带电粒子与中性分子的碰撞作为一个主要的因素加以考虑,同时要考虑电子和离子对带电尘埃冰晶粒子的充电作用.本项目研究在统计力学框架下,考虑了碰撞和充电两种因素,建立了极区中层弱电离尘埃等离子体的纵波色散关系.分析了极区中层尘埃声波的不稳定性.研究发现,极区中层大气高度为80～90公里处的尘埃声波有不稳定的波模.这一不稳定性与Langmuir波﹑尘埃离子声波相互耦合、演变和发展可能是极区夏季中层特殊分层结构的一种形成机制。PMSE现象与极区中层电子浓度和尘埃冰晶粒子浓度的分层结构有密切关系。根据尘埃等离子体理论，极区中层顶区域的冰晶粒子吸附电子形成带电尘埃粒子，与周围电子、离子和中性分子共同组成了弱电离尘埃等离子体。考虑到尘埃粒子的充放电过程，研究了尘埃冰晶粒子吞噬效应对极区中层电子浓度分层结构及电导率和介电常数的影响。结果表明，尘埃冰晶粒子的吞噬效应造成了极区中层80~90km高度范围内电子浓度的分层结构，并进而导致这一区域尘埃等离子体电导率、介电常数沿高度出现明显的分层，这为解释和研究极区中层夏季回波现象提供了参考。此外，根据充电方程和电荷守恒条件,导出了双麦克斯韦分布的弱电离尘埃等离子体充电频率（电荷弛豫速率），给出了充电电流的计算公式.分析表明，定向运动速度大小对充电电流和充电频率有一定的影响，充电频率随着定向速度增加而减小，当定向速度远远小于电子的热速度时，充电频率与文献给出的表达式一致.