2010, Vol. 53
2. 中国电波传播研究所, 电波环境特性及模化技术国家重点实验室, 北京 102206;
3. 西安电子科技大学理学院, 西安 710071
2. National Key Laboratory of Electromagnetic Environment, China Research Institute of Radiowave Propagation, Beijing 102206, China;
3. School of Science, Xidian University, Xi'an 710071, China
极区中层夏季回波（Polar Mesosphere Summer Echoes，PMSE）是发生在夏季极区中层顶附近的一种异常强大的雷达回波.1979年，Ecklund和Balsley首次用MST雷达在Poker Flat，Alaska站观察到这种现象[1].自从PMSE被发现以来，就受到从事空间物理和尘埃等离子体物理的科学家广泛关注，并在理论和实验方面都对PMSE进行了深入的研究[2~4].
现在对PMSE的研究除了利用雷达，探测火箭等常规观测手段被动的观测外，还通过高功率HF电磁波主动人工改变PMSE区域参数的方法来研究PMSE：即利用电离层加热实验装置，通过改变电子温度来研究PMSE区域的相应变化.2000年Chilson等首先观测到电离层人工加热能够强烈影响PMSE的回波强度[5].他们用大功率高频电磁波发射器加热干扰PMSE，采用20 s开、20 s关的加热序列，并用EISCAT VHF雷达观测到PMSE区域，当电子温度升高到3000 K时PMSE立刻消失，但是停止加热PMSE又出现.通过强电磁波加热提高电子温度调制PMSE，开辟了人们实验研究PMSE的新途径.2003年，Belova等又重复了该实验[6]，同年这一奇特的现象又被La Hoz等用EISCAT的UHF（933MHz）非相干散射雷达观测到[7].在Chilson、Belova和LaHoz等的实验中加热时间和加热关闭时间间隔是相同的，2003年Havens等[8, 9]采取了不同的加热序列：加热时间20 s、关闭时间160 s，一个周期为3 min.当采取加热20 s、关闭160 s的序列时，发现当电离层加热设施对其发射强电磁波时，PMSE强度明显减弱，甚至消失，而当停止加热时，其强度出现明显的阶跃反弹且强度更大，即比加热前的强度更强，然后缓慢减弱到加热前的状态，这一现象被称为PMSE过冲现象.PMSE过冲现象被发现以后，已经开展了大量的理论研究工作[10~16].
中国主要处在中低纬地区，对PMSE的观测不方便，相关的研究也就非常的少.中国电波传播研究所代表中国加入欧洲非相干散射联合会（EISCAT），为开展PMSE的观测和利用加热装置对PMSE调制的研究提供了便利.PMSE研究既是空间物理的前沿，也是等离子体物理的前沿，现在已经对极区中层顶区域进行了一些研究[17~19]，但为了深入开展PMSE的研究，需要开展大量的实验来验证现有的研究结果，甚至根据实验结果提供一些新的思路.
通过分析实验观测结果，发现在VHF频段，加热前大部分时间能观测到明显的PMSE现象，且具有明显的分层结构，进行加热瞬间就可观测到PMSE回波强度减弱，当停止加热瞬间，PMSE回波强度反弹.在UHF频段，电波环境特性及模化技术国家重点实验室的实验没有观测到PMSE现象，这个可能与观测的时间较少有关.所以本文主要分析在VHF频段的实验结果，分析加热对PMSE分层现象和PMSE回波强度的影响.
2 EISCAT实验的开展和结果分析从2006年至今，电波环境特性及模化技术国家重点实验室已经连续三年利用位于挪威北部Tromsø（69°35′N，19°14′E）附近的EISCAT加热设备，结合EISCAT VHF和UHF雷达，实施PMSE加热实验，同时利用这两部雷达进行观测.最近一次是在2008年6~7月份，实验期间加热设施的主要参数如下：
加热周期：20 s开启，160 s关闭，每个周期为180 s（3 min）；加热泵波模式：O波和X波两种模式交替进行；加热泵波频率：5.423 MHz；加热泵波方向：垂直；泵波发射功率：360 MW；雷达扫描的高度精度：300 m；高度范围：59.7~139.5 km.在2006~2008年，采用同样的加热模式.本文将通过在欧洲开展的加热实验，分析回波功率剖面、加热回波强度、以及加热情况下回波强度随时间的变化.
2.1 回波功率剖面在VHF频段，在观察的任何时刻几乎都可以观测到PMSE现象，且具有明显的分层结构，有一层、两层、以及多层现象.由于在UHF频段进行的实验没有观测到PMSE现象，所以本文只给出VHF频段的观测结果.下面给出在VHF频段观测到的雷达回波的剖面图，选取的高度范围为80~95 km.图 1中时间选取在国际时间2007-07-13，11:00~12:00UT.由于这个时间段内正在进行PMSE加热实验，每隔160 s就进行20 s的加热，所以这会对回波功率的剖面图有些影响.它们有一个共同特征，即在80~90 km之间存在一个、两个或多个回波功率异常强的峰值，最大值一般在82~88 km左右.在11:00~12:00UT这一个小时内，从前20 s开始加热，然后停止加热160 s，然后继续下一轮周期，一个小时一共进行20个加热周期.
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图 1 2007年7月13日不同时刻观测到的极区中层顶区域雷达回波(横坐标为回波功率,用电子温度K表示,下同) Fig. 1 Power of PMSE observed in the July 13, 2007 (Power is shown with electron temperature K) (a)11∶02 40 s;(b)11∶41 40 s;(c)11∶50 40 s;(d)11∶52 40 s. |
通过对2007-07-13 11:00~12:00UT一个小时加热实验的分析，选取了四幅图来表示回波功率随高度的变化.分别是在02′40″、41′40″、50′40″和52′40″时刻给出的剖面图.从图 1（a，b，c，d）中四幅图可以看出异常强大回波功率所对应的高度，雷达回波强度的分层现象.现在雷达回波的分层现象以及在此区域的尘埃粒子的分层现象等产生原因都是当前PMSE研究中没有得到解决的问题.
图 1a显示只有一个明显的峰值，高度大约在82 km，但它的回波强度比较强.图 1b中可观测到PMSE具有非常明显的三层结构，高度分别大约在83，84与87 km左右.但是它的整体回波强度比较弱，和其他三幅图中的回波强度相比相差约一个量级.
图 1c与图 1d可以看到PMSE有一个明显雷达回波的峰值外，还有另外一个峰值，即具有两个比较明显的峰值.图 1c中它们的回波强度相差的比较大，除了在高度83 km左右存在一个非常明显的雷达回波峰值外，在82 km以上约86 km中还存在一个比较小的峰值.图 1d与图 1c具有类似性，此时也存在两个非常明显的峰值功率，但它们的峰值相差不大且回波非常强的高度范围比较宽，82~84 km之间2 km宽的范围内均存在非常明显的雷达回波.可以看出此时存在非常明显的二薄层雷达回波.比较以上各图，可以看出PMSE回波层在一层两层之间快速变化，且它们的厚度也发生变化.从图 1中也可以观测到PMSE具有非常明显的多层结构，并且每层的高度范围非常小，经常在几十米至一千米之间，另外它的回波强度也随时间快速地变化.
为了更详细地说明PMSE的回波分层特性，下面选取2008年6月26日PMSE观测的图 2中四幅图说明2008年PMSE的观测结果.2008年采用的加热模式与2007年的一致，均为3 min一个加热周期.选取2008-06-26 08:00~09:00UT一个小时加热结果进行分析，分别给出在05′04″、05′42″、05′54″、06′22″时刻的剖面，见图 2（a、b、c、d）.
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图 2 2008年6月26日不同时刻观测到的极区中层雷达回波 Fig. 2 Power of PMSE observed in the June 26，2008 (a) 08∶05 04 s；(b) 08∶05 42 s；(c) 08∶05 54 s；(d) 08∶06 22 s. |
从图 2可以看出PMSE具有明显的分层结构，和2007年的观测结果基本一致，但是它们的回波强度比较强，有时存在一层、两层或多层，而且回波强度变化也比较剧烈，在同一高度有时间隔很短的时间内能相差几个量级，这可能与PMSE层的水平移动有关，两个时刻测量的可能不是同一个PMSE层.
极区中层顶的风速非常快，有足够强的风力推动含尘埃的PMSE层快速移动.另外也可能是因为PMSE层是倾斜的，随着它的移动，回波强度也发生急剧的变化，所以EISCAT测量区域的等离子体是随时间变化的，这对PMSE观测结果会产生一定的影响，观测结果在一定的条件下有时也可反演PMSE尘埃层的变化.
2.2 电离层加热回波强度本节主要利用Guisdap软件分析实验数据，Guisdap软件也是一个非常成熟的分析非相干散射雷达数据的程序，它能提供大量的电离层中大家所关心的基本物理量.给出的参数主要有原始电子数密度、电子数密度、以及发射设备相关的发射功率、发射角度和系统温度.图 3最上面的图表示反演的电子密度，中间表示测量的原始电子密度，最下面表示观测雷达和环境的参数，如系统温度（黑线），发射角度（蓝线）和发射功率（红线）.由于该程序利用非相干散射原理反演出电子密度，电子密度大的地方，回波强度也大，反之亦然.下面分别给出在VHF频段雷达的观测结果：回波强度（用电子密度表示）随时间和高度的变化.在每次加热时，雷达发射功率相应地减少，在图底部用红线表示功率，每当出现下凹的矩形时，表示此刻正在加热，下凹矩形出现的时间对应加热装置开始加热的时间.另外积分时间取为10 s.由于测量原理的原因，此处电子密度是假象，仅表示回波强度的大小，发射角度一般都是90°.
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图 3 2007年7月13日12∶00～13∶00时刻电子数密度和原始电子数密度随时间变化的剖面 (a)反演的电子密度；（b)测量的原始电子密度；（c)观测雷达和环境的参数，黑线表示系统温度，蓝线表示发射角度，红线表示发射功率. Fig. 3 Image of electron number density and raw electron number density observed by EISCAT VHF RADAR at 12∶00～13∶00UT in the July 13, 2007. System temperature is shown in black line, Elevation is shown in blue, and Transmit power is shown in red. |
以前有关PMSE的报道一般认为PMSE在加热瞬间就立刻消失，停止加热瞬间回波出现，并且出现过冲现象.但在实际的加热实验中，加热效果与加热功率的大小有关，与极区中层顶的电子密度含量有关，加热功率大能使更多的能量传输到PMSE层，如果电子密度随高度分布比较均匀，加热将使电子温度随高度的升高而减少，当PMSE层电子密度出现吞噬效应时，此区域由于电子密度非常少，每个电子吸收相对较多的能量，表现为测量的电子温度在电子密度吞噬效应区域随高度的增加而增加.另外观测到加热更多是使PMSE明显减少，加热期间PMSE回波强度也逐渐增加，停止加热瞬间，有时并不存在过冲现象，下面将选取一个小时的实验结果进行分析.
图 3表示2007-07-13 12:00~13:00UT一个小时的电子数密度和原始电子数密度随时间的变化，也反映了PMSE回波强度.可以看到在80~90 km之间存着明显的一层回波特别强的区域，加热使PMSE减弱，有时能出现PMSE过冲现象.
通过图 3也可以看到：在12:00~13:00UT这一个小时内几乎都存在PMSE现象，从12:00开始就看到存在两个非常明显的PMSE层，随着时间的推移，PMSE层逐渐演化成单层，进而演变成双层，最后分成了三层.可见PMSE层是在持续地变化.
图 3中在对应功率发生下凹的地方，即打开加热装置开始加热的时刻，PMSE迅速减少，甚至消失，当功率恢复到水平线位置的时候，即停止加热瞬间，回波强度又迅速的升高，甚至比加热前的回波强度还大，这就是PMSE过冲现象.通过分析图 3也可以看到并不是每次停止加热都出现过冲现象，这可能和中层顶变化极快的尘埃粒子云、以及尘埃粒子对电子密度造成的影响有关.
2.3 回波强度随时间的变化为了更好地分析回波强度随时间的变化，本节利用回波强度的平均值来反映加热对PMSE的影响.通过分析2007-07-13 11:00~12:00UT时刻VHF频段的PMSE观测结果，得到了平均回波功率随时间变化特征图（见图 4）.在处理过程中选取的高度是82~88 km，每取一个时刻，求出82~88 km之间对应功率的平均值.由于PMSE不稳定，上下或左右移动，单独取某一层计算雷达回波随时间的变化会带来很大误差，这样取值可更好地反映PMSE过冲现象.当然在如此宽的高度范围内取平均，也可能把回波特性随时间变化的一些细节给忽略掉，比如回波的反应时间、过冲现象对应的精确高度等.
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图 4 11∶00～12∶00时在82～88 km平均回波功率随时间的变化 Fig. 4 The mean Power from 82 km to 88 km variation with timeat 11∶00～12∶00UT |
整体上分析图 4，可观测到OCC曲线，加热时PMSE回波功率明显减弱，停止加热PMSE迅速回升到加热前的强度，甚至比加热前回波更强.但有的时刻并不存在过冲现象，原因可能与PMSE层具有水平移动性有关，另外尘埃粒子半径也可能影响PMSE加热效果.
在11:00~12:00UT之间前15 min和后15 min过冲现象更加明显，几乎在每个加热周期都存在比较明显的过冲现象.另外也观测到11:15~11:30之间回波强度比较大，加热也能使PMSE减弱，停止加热也能使PMSE回波强度增强，但是加热不能使PMSE消失.这段时间内PMSE是一层，但是分布在较宽的高度范围内，这可能是加热时能量不能穿透该层，且分析时采用平均的方法，所以该处回波强度仅是减弱.11:30~11:45这段时间回波都比较弱.
Havnes等已经理论预测和实验观测发现PMSE过冲现象，并给出了典型的OCC曲线[13].现在我们通过自己的实验也得到了典型的OCC曲线，如图 5所示.这些实验结果的获得，为我国以后独立开展PMSE的研究提供了数据基础.
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图 5 —个加热周期内的PMSE过冲现象 Fig. 5 Power of PMSE observed in 2008 (a) 11∶23 20～11∶26 20 s;(b) 11∶26 40～11∶29 40 s |
从图 5a和图 5b两幅图中可以观测到非常明显的PMSE过冲现象，每幅图给出了一个加热周期.加热前PMSE稳定地存在，加热瞬间，PMSE回波迅速减弱，回波强度急速减少，基本没有回波，即加热瞬间PMSE完全消失，停止加热，它的回波强度逐渐增强到比加热前更强的强度，然后逐渐减弱，逐渐恢复到加热前的强度.
图 5a中回波强度在加热瞬间减弱了约200个单位，在持续的加热过程中，PMSE开始回升，在停止加热瞬间，PMSE回波强度迅速增强了约250个单位，然后逐渐减弱，大约100 s后达到加热前的强度.图 5b与图 5a非常类似，但回波强度比较弱，加热后回波强度迅速减弱，持续加热时回波还是回升，停止加热瞬间，PMSE回波强度增强了约150个单位.图 5a和图 5b均出现了明显的PMSE过冲现象，但由于每次加热前极区中层顶尘埃等离子体环境的不同，造成了每个加热循环的过冲现象有所差异.
文中通过分析实验结果，得到一些初步结果，这为我们建设EISCAT雷达基地，并利用该设备将来开展电离层观测，加热实验的实验处理提供一些启发.
3 结论本文主要介绍电波环境特性及模化技术国家重点实验室在北极挪威北部Tromsø站进行的PMSE电离层加热和实验观测结果.该实验室已经独立开展实验了三年，本文分析PMSE实验结果，观测到了PMSE回波强度的分层现象，加热引起的PMSE过冲现象等.主要结论如下：
PMSE具有明显的分层现象，一层、两层以及多层均存在；本文得到PMSE强度随时间、高度明显变化的特征曲线.由于实验是在对PMSE加热的条件下进行的，所以此处的结论与无加热时PMSE的观测结果可能有些差异.本文实验还证明：加热的确对PMSE具有重要的影响，加热可能破坏中层顶的电子密度结构，进而引起其他成分空间结构的变化，对应的反应为开始加热瞬间和停止加热瞬间PMSE回波强度的急剧变化.另外，本文还得到OCC特征曲线图，与现有的理论和实验结果也趋于一致，这些均为我国将来独立开展PMSE观测和加热研究提供了坚实的实验基础.
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