电离层是地球高层大气的电离区域,是从低层大气过渡到磁层的重要区域;同时,电离层及其活动也和人类生活密切相关,在电波通讯、GPS/GNSS定位、以及空间天气预报等方面都有重要应用。人工加热电离层作为一种可行的人为改变电离层的方法,长期以来都是空间物理学中一个重要的研究方向。电离层加热是利用地面加热台站向电离层发射高频电波,通过电磁波和电离层等离子体相互作用将高功率的微波能量注入电离层,并观测电离层等离子体后续的响应。人工电离层加热产生的各种效应,比如大尺度电子密度改变等具有重要国防应用价值;同时,人工电离层加热对空间物理的理论研究提供了很好的机会,变被动为主动,无需等待特定空间天气事件的发生,通过研究电离层加热后产生的各种实验现象,探索其中的基本等离子体物理过程。自1970年以来,世界各地涌现出一批地面HF加热台站,如Arecibo、EISCAT、SUDA和HAARP等。基于这些加热设施,科学家们获得了大量的观测数据,并且发现了很多现在已被普遍接受的等离子体物理现象。然而,在实际电离层加热实验中,受限于在定点和定时加热情况,卫星和地基探测难度较大,对相关细致物理过程难以深入研究。而地面实验室模拟有着参数可控、重复性高、诊断手段多样等诸多优势,能够和真实加热实验形成良好互补效应,有助于我们更好地理解加热现象背后的物理机制。在本文中,我们在实验室等离子体中研究电离层加热过程中的不稳定性,重点关注了参量衰减不稳定性。主要成果归纳如下:一、无泵波加热时等离子体本底不稳定性的激发我们采用大面积的氧化物阴极作为合适的等离子体源,并控制中性气体的流量来模拟类电离层的碰撞环境。在背景等离子体形成之后,主动调制等离子体环境,利用不均匀的场向电流激发位于离子回旋频率的碰撞静电波模。探测到了频谱特征随着碰撞频率的变化,并计算其色散关系,发现该模式为Basu and Coppi提出的碰撞静电等离子体不稳定性。该模式由非均匀电流驱动,常见于高纬电离层加热过程本底等离子体中。结合后续研究,发现该预置的本底不稳定性将对加热中的非线性过程产生显著影响。二、探究电离层加热过程中的参量不稳定性进一步,我们在类电离层的实验室环境下,创新地开展了电离层加热过程中参量不稳定性激发和演化的实验研究。参量不稳定性作为一种常见的波-波相互作用,提供了将加热泵波转换为高频和低频等离子体波的最有效通道,是利用高频电波显著改变电离层的核心机制。在实验室环境下,可以控制实验参数对电离层加热过程中的不稳定性进行详细研究。针对实验室环境下大功率加热信号如何有效发射和接收的技术难题,通过设计、研制或定制高功率放大器、功率匹配/耦合器、等离子体天线和下变频采集系统等关键器件,破解了在等离子体中有效注入高频电波,以及高频波和等离子体相互作用后的信号采集等难题。通过对静电探针的信号进行频谱分析,探究了加热过程中的三波相互作用过程。频谱结果表明在加热过程产生了高频和低频波模式,其频谱特征与在人工加热电离层实验中雷达的观测结果类似。此外,在不同的加热功率和碰撞频率条件下,高频波动、低频波动和加热泵波之间均满足频率匹配关系,直接证实了在实验过程中成功激发了电子回旋频段的参量过程。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,揭示了电离层中非均匀电流驱动的低频不稳定性可显著降低参量过程激发阈值,对提高电离层加热效率具有重要意义。三、揭示加热过程中的气辉增强与参量不稳定性的直接联系我们还研究了电离层加热过程中的气辉增强现象。在已开展的电离层加热实验基础之上,使用热灯丝源放电产生类电离层成分的氧等离子体。利用电离层加热的实验设备,我们再加入光谱诊断,同步观察等离子体对高频加热泵波的光学响应。在低气压、弱碰撞条件下重现了人造气辉的增强现象,结合静电探针的频谱结果,发现其与参量衰减不稳定性的激发相关。揭示了在电离层加热过程中,参量不稳定性的激发将加速电子,最终导致氧原子气辉增强的实验证据。总之,我们在类电离层的实验室环境下研究了电离层加热过程中的不稳定性及其演化过程。搭建了地面电离层加热的实验平台,并设计研制了高频电波的发射和采集系统,实现了高频波加热电离层的实验模拟;运用静电探针和光谱诊断等多种手段观察等离子体对入射高频泵波的响应,重点关注参量不稳定性中的波-波相互作用和波-粒相互作用过程。通过在类电离层的等离子体环境中预置位于离子回旋频率的静电波模,显著降低参量不稳定性的激发阈值。实验验证了参量不稳定性的激发与人造气辉增强的相关性,表明参量不稳定性的电子加速效应。实验室环境的电离层加热的过程研究有助于帮助理解主动实验的观测结果,同时为国家未来开展的主动空间实验积累研究经验。