L. P. Dyrud， M. M. Oppenheim， G. Vetoulis， A. F. vom波士顿大学空间物理澳门威尼斯人注册网站研究中心
文摘:
微流星轨迹经常在电离层被观测到，它们的雷达回波长期以来被用来推断中性风速和温度、流星轨迹的大小和高度。我们提出了流星轨迹等离子体动力学的第一个计算机模拟和分析。这些尾迹边缘的梯度漂移不稳定性在约1-5毫秒内发展成湍流。这种乱流引起反常的垂直扩散，随着尾迹高度和密度梯度的增加而增加。我们发现赤道e区的流星轨迹运动是由湍流等离子体过程控制的，它们的雷达信号可能不容易被用来推断中性大气的性质。
介绍
本澳门威尼斯人注册网站研究探讨了电离层中弱电离流星轨迹的小尺度电动力学。地球不断受到尘埃到沙粒大小的流星的轰击[Ceplechaet al., 1998]。流星在进入大气层的过程中蒸发掉它们的原子，这些热原子产生的电离圆柱体的密度大约是周围电离层等离子体的100倍。为了更好地理解等离子体柱的演变，我们提出了混合等离子体模拟，揭示了许多以前未知的动力学。对赤道电离层流星尾迹的模拟表明，在尾迹密度梯度和电场最大的地方，一种梯度漂移法利-布曼[Fejer et al., 1975, Chapin et al., 1998] （GDFB）不稳定性很容易发展。这种不稳定性的发展对流星轨迹雷达回波的解释有许多重要的意义。我们发现，在某些情况下，不稳定性增加了垂直扩散率，几乎增加了一个数量级。流星轨迹扩散速率的改变有以下含义。流星轨迹扩散被用来推断大气温度。流星轨迹的初始半径和高度计算通常基于它们的扩散速率[Baggaley et al., 1980]。这些垂直扩散增加的发现修正了以前的工作[Jones等人，1991]，他们从理论上证明了垂直于地磁场的流星轨迹的扩散被极大地抑制。
数值模拟器
- 使用带有（PIC）离子和流体电子的混合等离子模拟器。
- 模拟流星轨迹为密度增加的高斯分布。
- 在垂直于地磁场的平面上进行二维模拟。
- 采用周期性边界条件，因此在某些情况下将轨迹视为无限长。
模拟
模拟是在与背景磁场垂直的平面上进行的，不稳定性主要发生在这个平面上。尽管在与磁场平行的方向上存在有趣的动力学，但我们认为轨迹将主要根据标准的双极扩散理论发展。流星轨迹初始化为密度增加的高斯分布。离子、电子速度和电场根据流体方程的稳态解进行初始化[Oppenheim et al., 2000]。模拟使用的参数与在105 km至110 km高度发现的电离层条件一致，数据来自IRI90 [Blitza， 1990]和CIRA72 [Rees， 1986]模型，电离层和中性大气的碰撞频率来自Banks和Kockarts。[1973]。图1显示了流星轨迹的模拟，其轴线与地磁场完全对齐。
海拔105公里的轨迹演变
图1
以mV/m为单位的矢量电场(E)，以及模拟过程中三个不同时刻的尾迹等离子体与背景密度尾迹/背景密度的对数比。E的方向和大小由色轮给出，半径越大，大小越大。轴是垂直于轨迹轴和磁场的平面。图(a)是模拟的初始阶段，图(b)是1ms，显示GDFB已经在尾迹密度中产生了强烈的波纹。面板(c)只有3 ms，但不稳定性已经充分发展，峰值密度已经降低到原始值的1/3。
海拔105公里的轨迹演变
图2
密度比与时间（ms）的模拟使用105千米高度参数。密度比是初始高斯分布的全宽半最大值处的密度值除以初始密度。
总结
- 增加的扩散对使用扩散率作为雷达回波高度测量有影响，并且可能有助于解释初始尾迹半径的观测值和理论计算值之间的两个差异因素。
- 异常扩散也给使用流星尾迹进行中性温度测量带来了问题。
- 混合等离子体模拟表明，一种梯度漂移法利-布曼（GDFB）在电离层流星轨迹上迅速发展，从根本上改变了轨迹的演变。
- 随高度增加而增加的流星轨迹的反常垂直扩散。