中国科学技术大学空间物理教师党支部党员雷久侯教授和空间物理刘宇副教授，针对类地行星的电离层等离子体环境，自主设计建设了科大空间等离子体实验装置，模拟研究了类电离层碰撞等离子体环境中的高频波加热过程。预期该装置将拓展应用到其他类地行星（例如金星、火星等）电离层等离子体物理和化学过程的实验模拟。
空间环境为地球周围大气层以外的空间，是卫星、空间站等航天器的运行区域。在行星空间环境中，等离子体是物质存在的主要形式。行星空间等离子体环境多变，包含复杂的物理和化学过程，并受行星磁场环境影响。例如，地球内禀磁场与太阳风的相互作用形成地球磁层，并阻挡着高速太阳风直接到达，对地球环境的宜居性及演化产生重要影响。
对行星空间环境等离子体物质、能量和磁场进行实地观测，需要发射火箭或卫星，这样周期长、成本高、难度大。中科大团队另辟蹊径，多学科交叉融合，自主建设了中国科大空间等离子体实验装置(KSPEX)。装置可产生多状态等离子体，实现多离子组分和多磁场位形等特点。装置的设计建设充分考虑了地球及类地行星电离层的特点及研究需求，成为国际上特色的地球和行星空间环境地面实验平台。
中国科大空间等离子体实验装置(KSPEX)
人工加热电离层研究一直以来都是空间物理学的重要研究方向，该研究把整个电离层当作天然等离子体实验室，变被动为主动，实验探究极光等空间现象的物理机制。利用地基大功率加热阵列向电离层发射高频段的无线电波，通过电磁波和电离层等离子体直接相互作用，将高功率微波的能量注入电离层，进一步观察电离层等离子体后续的变化，重现人造极光等现象。
美国高频主动极光研究计划（HAARP）
19世纪70 年代以来，世界上主要的发达国家都开展了地基大功率电波加热电离层的实验，其中代表性的装置为美国高频主动极光研究计划（HAARP），它是世界上目前功率最大的地基电离层加热发射装置。然而在实际电离层实验中，天线加热阵列造价极其昂贵，电力能源消耗巨大；且在定点和定时加热情况下，卫星和地基探测难度较大，相关物理过程缺乏深入研究。
国际主要的电离层加热设备（红色）和相关地基探测雷达分布
基于KSPEX实验装置，近期团队开展了高频波主动加热地球电离层的实验研究。在地面实验室的碰撞等离子体环境下重现了电离层加热的现象，并对其物理机制进行了细致研究。
实验室加热设计
地面实验室模拟有着参数可控、重复性高、诊断手段多样等优势，因此可以帮助我们更好地理解加热现象背后的物理机制。在实验室小尺度环境下，大功率加热信号发射和接收是一个技术难题。通过设计研制或定制高功率放大器、功率匹配/耦合器、等离子体天线和混频变频采集等关键器件，解决了等离子体中注入高频波，以及高频波和等离子体相互作用后的信号采集难题。成功地在实验室类电离层碰撞等离子体中模拟了高频波加热过程，并且观测到了电子回旋频率波段的高频波参量过程。参量不稳定性是一种常见的波-波相互作用，它则是电离层加热中的核心物理机制，在电离层加热实验中就像一个非线性效应的“开关”，加剧加热区域内的非线性发展。此外，通过对参量不稳定性的激发阈值进行了进一步的研究，发现本底等离子体环境中，预置低频等离子体不稳定性可以显著降低参量过程所需要的功率阈值，对提高电离层加热效率具有参考意义。
实验实现参量不稳定性
诸多类地行星或卫星如金星、火星、泰坦等都存在着电离层。电离层等离子体与上下游粒子、能量耦合过程对行星宜居性演化具有重要作用。通过实验室模拟研究电离层等离子体物理和化学过程，结合空间观测，对理解和认知行星空间环境演化具有重要意义。
该成果发表于国际学术期刊Geophysical Research Letters，论文第一作者是中国科学技术大学博士生凌艺铭，通讯作者为刘宇副教授和雷久侯教授。该研究得到了中科院B类先导专项（XDB41000000）、中科院青促会（20200451）等项目支持。
论文信息：Ling, Y., Liu, Y., Lei, J., Li, M., & Liu, X. (2021). Laboratory evidence of a pre-existing instability that can enhance the ionospheric heating efficiency. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL092560. https://doi.org/10.1029/2021GL092560。
责任编辑：李新
我要评论 （网友评论仅供其表达个人看法，并不表明本站同意其观点或证实其描述）
全部评论 ( 条)