付海洋

（复旦大学 电磁波信息科学教育部重点实验室，上海 200433）

引 言

电离层波调控非线性物理的发展，最早追溯到19世纪初，过程中激发的非线性物理现象被相继发现，填补了人们对电离层非线性的认识，同时也激发了人们利用电离层加热实现认知和调控空间环境的设想. 国际上，也出现利用地面电磁波能量调控的电离层加热装置，主要包括美国Platteville（1970）、美国Arecibo（1970）、俄罗斯SURA（1979）、欧洲EISCAT（1980）和美国高频极光加热装置HAARP（1995）等. 2014年，美国 Arecibo电离层加热装置实现了高频加热天线和非相干散射雷达天线的复用辐射. 设备的改进丰富了调控试验，同时电离层调控实验促进了非线性物理的发展，特别是对电磁波和磁化等离子体非线性相互作用机制的理解.

高功率电磁波调控空间等离子体实验取得了 很多进展. 根据美国国家研究委员会（National Research Council, NRC）2013年报告，自2007年以来基于HAARP取得的最新重要成果主要包括：1）Pedersen等人[1]激发了电离层F-区域人工等离子体层(artificial plasma layers，APLs)，且APLs可沉降到150 km高度；2）Bernhardt等人[2]利用涡旋轨道角动量，可持续激发F区高密度等离子体云；3）Kuo等人[3]在无自然电极流条件下调制产生F区ULF/EFL波辐射；4）Inan等人[4]在地球辐射带发射ELF/VLF波激发新的辐射；5）Milikh等人[5]证明实验可激发能够影响GHz通信的小尺度等离子体不规则体.

随着电离层实验发展，APLs和湍流试验需要受激电磁辐射（stimulated electromagnetic emissions，SEEs）诊断，SEEs新出现的复杂谱线，正逐渐成为电离层加热机制和效应的有力诊断手段. 近年来，空间SEEs成为电离层非线性物理和应用发展的热点，其理论和反演模型迫切需要完善.

本文旨在从高功率电磁波和磁化等离子体的相互作用机理出发，构建空间磁化等离子体SEEs体系，回顾近十年空间SEEs实验和理论取得的最新进展，进一步论述SEEs与APLs激发、等离子体湍流、能量转化机制和低频波激发之间的关系. 最后，给出利用SEEs研究磁化等离子体非线性物理的发展趋势和思考.

1 磁化等离子体中的波

对等离子体非线性的研究最早起源于激光和非磁化等离子体作用，这些研究已经在非线性光学领域广泛应用，如二次谐波（second harmonic,SH）、三波混频、受激布里渊散射（stimulated Brillioun scattering，SBS）等. 空间SEEs源自空间磁化等离子体的极化张量，这是入射电场的高阶效应，此时入射电磁波频率、极化等发生改变. 相比于非线性光学，可能激发多种磁化参量不稳定性的空间SEEs体系更加复杂.

图1和图2分别给出电离层磁化等离子体电子和离子色散关系. 非磁化等离子体中只包含静电波模：电子等离子体波(electron plasma wave，EPW)波模和离子声(ion acoustic，IA)波模. 而磁化等离子体中包含了高频混杂(upper hybrid，UH)波、低频混杂(lower hybrid，LH)波、电子伯恩斯坦(electron Bernstein，EB)波和离子伯恩斯坦(ion Bernstein，IB)波. 因此，磁化等离子体中的SEEs更加复杂.

图1 磁化等离子体电子波模色散关系Fig. 1 Electron wave dispersion in ionospheric magnetized plasmas

图2 磁化等离子体离子波模色散关系Fig. 2 Ion wave dispersion in ionospheric magnetized plasmas

2 电磁波和磁化等离子体非线性相互作用

电磁波和磁化等离子体发生共振的区域，主要包括：1) 朗缪尔发射区域 ωo≈ωpe，图1中B曲线；2) UH波共振区域 ωo≈ωuh，图1中C曲线. 高功率电磁波入射等离子体，一般会发生波模转换和参量不稳定性两个物理过程(图3)，其中波模转换实现电磁波和静电波的相互转换，而参量不稳定性激发新的等离子体电子和离子波模[6]. 电磁波可以通过两种方式转化为静电波：第一种方式是电磁波直接产生静电波和散射电磁波，例如SBS散射；第二种方式是电磁波转化为静电波，包括共振吸收(resonance absorption)、振荡双束流不稳定性(oscillating-two-stream)、离子声波衰变(ion acoustic decay)、2ωpe不稳定性等方式. 然后，当频率和波矢量匹配时，进一步发生参量不稳定性过程. 最后，静电波通过波模转换转化为电磁波，产生SEEs.

图3 电磁波和等离子体波非线性相互作用转化过程Fig. 3 Nonlinear interaction between EM wave and plasmas

线性模态转换(linear mode conversion)：线性模态转换发生的条件是入射电场沿着密度梯度方向存在分量E·∇ne≠0，该分量使得入射电场激励电子沿着密度梯度方向震荡，产生电荷分离，进而激发静电震荡. 通过波模转换，部分入射电磁波转化为静电波，电磁波能量通过共振被吸收. 而电磁波群速度远大于静电波，因此静电波振幅可能较大，这为加速电子提供可能.

振荡双束流不稳定性(oscillating two stream instability)：离子密度波动通过有质动力(ponderomotive force)增长，同时电子等离子体波被激发，形成不稳定性.

离子声波参量不稳定性(ion acoustic decay instability)：当离子密度震荡不再静止，而是以声速进行传播表现为IA波时，入射电磁波转为电子等离子体波和离子等离子体波.

参量衰减不稳定性(parametric decay instability，PDI)： 参量不稳定性是最典型的非线性波与波相互作用. 以等离子体三波参量不稳定性为例（图4）：首先，入射电磁波(ω0，k0) 等离子体中向前传播；其次，在电磁场作用下，等离子体的粒子（电子或离子）发生震荡产生辐射，产生向后传播散射电磁波；再次，两个电磁波拍频产生有质动力Fp∝∇E2(x)，推动电子运动产生电荷；最后，当粒子运动满足等离子体内部的固有静电模式时，三波共振开始增长. 一般而言，参量不稳定性发生条件满足ω0=ω2±ω1，k0=k1±k2，其中入射激励波为(ω0，k0)，散射电磁波为(ω1，k1) ，等离子体低频波为(ω2，k2).

图4 等离子体三波参量不稳定性发生过程原理示意图Fig. 4 A three-wave parametric decay instability process

磁化等离子体中发生参量不稳定性和磁化等离子体中存在的波相关，表1列出了磁化等离子体中可能发生的过程. 第一类是入射电磁波(ω0，k0)直接转化为新的电磁波(ω1，k1)，如SBS；或者通过等离子参量不稳定性产生EPW和IA波. 第二类是入射电磁波首先通过线性模态转换或者振荡双束流不稳定性，转化为等离子体中的高频波（EB或者UH），然后通过电子伯恩斯坦衰变不稳定性(electron Bernstein decay instability，EBDI)或者低混杂衰变不稳定性(lower hybrid decay instability，LHDI)发生不同类型参量不稳定性. 每一种参量不稳定性发生，对应地面观测到的不同SEEs的频谱特征.

表1 磁化等离子体中可能发生的参量过程Tab. 1 Possible parametric decay instabilities in magnetized plasmas

3 SEEs

空间SEEs源自空间磁化等离子体的极化张量(图5)，可简单描述为高功率电磁波入射空间磁化等离子体，等离子体湍流被激发，产生地面可测量的次级电磁辐射.

图5 高阶极化效应Fig. 5 High order polarization effect

空间SEEs的研究，最早追溯到1981年，Thidé等人[7]首次利用欧洲EISCAT雷达观测到空间电离层中的SEEs现象. 随后，对电离层SEEs的研究迅速发展，下移最大(downshifted maximum，DM)、上移最大(upshifted maximum，UM)、拓展上行最大(broad upshifted maximum，BUM)、下 移 峰 值(downshifted peak，DP)等频谱及其多次谐波被相继发现，如表2所示，综述见文献[8].

表2 电离层加热中典型SEEs频谱Tab. 2 Typical SEE spectrum during ionospheric heating experiments

2009年起，在美国高频极光计划HAARP推动下，SEEs研究取得了巨大进展[9]. 主要包括SBS[10-12]，受激伯恩斯坦波散射(stimulated ion Bernstein scattering，SIBS)[13-14]和二次谐波激发(second harmonic generation，SHG)[15]. 同时，进一步促进了欧洲EISCAT的SEEs实验[16-17]和美国Arecibo SEEs的进一步发展[18-19].我们将围绕SBS、SIBS和SHG这三种磁化电离层等离子体中的波来对SEEs进行介绍.

3.1 SBS

激发机制：空间磁化等离子体中SBS(magnetized SBS, MSBS)，包含IA波谱线（图2中A曲线）和静电离子回旋（electrostatic ion cyclotron，EIC）波(图2SBS源于激光和等离子体的相互作用，产生的声波的SBS可用于温度诊断.中C曲线），其激发与波矢量k和 磁场B的夹角θ相关(图6). 一般地，在高纬地区，当泵波矢量方向和磁场平行时θ→0，会激发IA，满足 ωp=ωIA；当泵波矢量偏移磁场时θ→90°，EIC会被激发，满足ωp=ωEIC. 利用MSBS谱线可实现对电离层电子温度、离子种类、质量和磁场强度等参数的相关测量.

图6 磁化SBSFig. 6 Magnetized SBS

HAARP实验：在空间电离层实验中，Norin等人[10]利用更新的HAARP设备在2009年发现新频移谱线6～12 Hz，它来自共振反射区的IA谱线.Bernhardt等人[11]观测到了IA谱线，指出谱线既可能来自共振反射区也可能来自UH共振区，UH区的SBS谱线可用于电子温度的测量，同时理论预测了受激EIC谱线的存在. 随后，Bernhardt等人[12]利用HAARP 在～50 Hz发现了EIC谱线，观测到来自电离层F区的氧离子O+并指出可利用EIC诊断离子种类；Bordikar等人[20]观测到了来自电离层F区氢离子H+和电离层E区Fe3+的谱线.

EISCAT实验：激发SBS实验观测主要采用O模式（ordinary mode），基于阈值研究，其他设备也可能会激发SBS. 利用欧洲EISCAT（69.6°N 19.2°E）雷达，有效辐射功率约为HAARP的1/3，采用O模式，在三次回旋频率中观测到SBS[16]；Blagoveshchenskaya等人[17]采用X 模式（extraordinary mode）观测到来自SBS的IA和EIC谱线，信号被位于1200 km的低频接收机所接收. Fu等人[21]在O模式的三次倍频加热实验中，观测到SBS并利用其谱线计算共振高度的电子温度和离子温度（图7），计算结果与非相干散射雷达测量值一致.

图7 EISCAT三倍频激发SBS, DM, DP[21]Fig. 7 SBS, DM and DP spectra excited by the third electron gyroharmonic heating at EISCAT[21]

Arecibo实验：Djuth等人[18]利用新设计的Arecibo(18.3°N，66.8°W)高频加热设备开展了SEEs实验，也观测到了来自电离层F区域的SBS谱线，同时重新整理了历史数据，进一步研究了如何让SBS 成为电子温度的诊断工具. Mahmoudian等人[22]进一步验证了利用SBS反演电子温度的可行性，并与非相干散射雷达作了定量对比.

理论方面：SBS实验及其应用，如IA诊断电子温度、EIC诊断离子种类，引起了广泛的关注. 磁化布里渊散射理论[23-24]，反演和仿真正在进一步完善.

3.2 SIBS

激发机制：SIBS源于磁化等离子中的IB波，一般发生条件为入射波频率略小于电子回旋频率倍频，即 ω0≤nΩce，频移为离子回旋频率整数倍数，即ωIB≈nΩci,n=1,2,···.

HAARP实验：Bernhardt等人[13]首次利用HAARP二次倍频模式，观测到离子回旋多次谐波谱线SIBS，同时认为IB波的激发证明了存在EB波与电子发生共振产生回旋加速的机制. Fu等人[14]研究了二次倍频(n=2)时SIBS和SBS的转化关系，实验证明，当入射频率高于二次磁回旋频率时，SIBS消失但SBS依然存在，与理论保持一致(图8). 同时，在三次倍频(n=3)观测到了SIBS激发[19].

图8 磁回旋二倍频激发SBS和SIBS谱[14]Fig. 8 SBS and SIBS spectra excited by the second electron gyroharmonic heating[14]

EISCAT实验：Blagoveshchenskaya等人[17]在EISCAT的五倍频X模式实验中发现，当入射频率小于五倍频(n=5)时激发SIBS和SBS频谱.

理论方面：Bernhardt[12]和Samimi等人[25]理论推导了受激伯恩斯坦波的色散关系和增长率，Samimi等人[26]进行了粒子模拟仿真计算，证明了EB波对电子的加速机制.

3.3 SHG

SHG是非线性光学混频典型技术，在激光和非磁化等离子体中得到了广泛的研究(图9)[27].SHG产生新可调谐波频率，也提供等离子体参数诊断. 当入射电磁波频率为ω0时，可产生频率为2ω0的电磁辐射.

图9 SHGFig. 9 SHG

激发机制：等离子体中的SHG，一般认为有两种发生机制[27]：第一种，入射O模线性转化为朗缪尔振荡 ωo≈ωL，混频 O+L⇒ωo+ωL≈2ωo或L+L⇒ωL+ωL≈2ω0；第二种，入射O波衰变为朗缪尔波ωL和离子声波ωIA，满足 ωo=ωL+ωIA，混频O+L⇒ωo+ωL≈2ωo−ωIA或 L+L⇒ωL+ωL≈2ωo−2ωIA.

EISCAT实验：空间磁化电离层等离子体中SHG，最早于1986年被观测到[28]，SH附近有频移Δω～2 kHz的谱线，该谱线被认为源自等离子体朗缪尔共振区域. 在磁化等离子体中，SH可发生在朗 缪 尔 发 射 区 域 ωo≈ωpe或 者UH波 共 振 区 域ωo≈ωuh. Blagoveshchenskaya等人[29]观测到SH附近频移Δω约16～20 kHz的谱线，该谱线被认为源自ωo≈ωuh区域，UH波通过参量不稳定性生成新的UH波和LH波，其中LH波频率ωLH=8 kHz，频移2ωDM=2ωo−2ωLH=16 kHz.

HAARP实验：Yellu等人[15]利用三倍频实验，发现SH和SH附近频移为Δω≈ −16 Hz的窄带谱线，如图10所示. 同时，观测到泵波附近的SBS和SH附近的2SBS同时产生，认为其源自SBSSH，发生过程 L+L⇒ωL+ωL≈2ωo−2ωIA.

图10 HAARP SHG实验结果[15]Fig. 10 Experimental results of SHG at HAARP[15]

4 SEEs应用

SEEs是受激参量不稳定性产生的非线性现象.因此，SEEs可作为参量不稳定性的诊断工具. SEEs的应用包括APLs激发诊断，等离子体湍流激发，电子加速和加热诊断等.

4.1 APLs激发诊断

SEEs谱线，被用来直接诊断人工等离子层APLs的激发机制. 激发APLs的技术已经逐渐成熟，高纬度HAARP 采用电子回旋方式（n=2，3，4，6）持续产生APLs. Pedersen等人[1]也采用电子回旋多次谐波激发APLs，当入射电磁波频率略高于磁回旋倍频，满足双共振条件ω0=ωuh=Ωce时，APLs激发会更有效. Sergeev等人[30]通过四次电子回旋加热实验，观测到人工电离层的沉降特性，与BUM谱沉降保持一致，表明BUM激发机制可能为揭示APLs的产生机理提供依据.

高纬度激发的BUM和APLs密切相关，BUM特征可用作APLs激发诊断. 但是低纬度激发APL是否存在对应的SEE频谱，依然值得进一步的研究.

4.2 多尺度等离子体湍流激发

SEEs是等离子体湍流诱导产生的电磁信号，与多尺度等离子体不规则体激发相关. 一般而言，SEEs的DM频谱和高频雷达(SuperDARN，8～30 MHz)回波显著增强相关，说明场向不规则体结构(fieldaligned irregularity structures, FAIs)的存在. 同时，对于磁回旋加热而言，DM和FAIs在磁回旋附近存在极小值.

对于磁回旋加热，当入射泵波频率高于磁回旋频率时，会激发BUM谱线，此时存在多尺度等离子体不规则体，如可影响HF雷达散射的大尺度FAIs (～10 m)和影响L波段GPS的更小尺度FAIs(～10 cm). Frolov等人[31]认为BUM谱和FAIs (6～10 m) 波增长特征时间保持一致. Ponomarenko等人[32]实验中观测到四次电子回旋中的高频雷达回波散射增强，当满足ω0＞nΩce时存在两种不同尺度FAIs.Gurevich等人[33]提出在入射频率略高于电子回旋频率时，高频泵波会产生更小尺度FAIs（垂直尺度在10 cm量级），可影响1～2 GHz电磁波信号. 这一理论得到电离层实验的GPS观测数据的初步验证[4,34]. 图11给出了HAARP磁回旋三倍频时SEEs极化频谱和高频雷达测量FAIs关系[35]. 随着高频雷达回波强度增强，SEEs极化特征减弱，受激辐射极化非对称性特征表明多尺度FAIs存在.

图11 HAARP三次磁回旋SEEs和高频雷达回波关系[35]Fig. 11 Correlation between the third electron gyroharmonic SEEs and high frequency radar echo at HAARP[35]

受激BUM辐射激发多尺度等离子体湍流，理论认为是由四波参量不稳定性产生的[36]，但非线性动力机理依然不明确，尚需研究[37-39].

如何理解SEEs频谱激发机制，构建SEEs频谱和FAIs之间的关系，利用SEEs实现FAIs波动参数诊断，构建FAIs三维时空分布，依然充满挑战.

4.3 电子加速和加热机制诊断

SEEs和电子加速加热机制相关，可提供等离子体波场诊断. 电子加速，可通过入射电磁波场和等离子体波场两种方式实现. 其中，等离子体波场是电子加速的有效方式.

4.3.1 静电等离子波场激发机制

共振吸收(resonance absorption)：线性模态转换发生的条件，是入射电场沿着密度梯度方向存在分量. 通过模态转换，部分入射电磁波转化为静电波. 静电波向低密度传播的过程中，波矢增加，通过朗道阻尼加速电子，并通过共振吸收实现电磁波能量吸收和热电子产生. 对于非磁化非均匀等离子体，入射电磁波在满足朗缪尔共振区ωo≈ωpe时转化为朗缪尔波，电磁波能量通过共振被吸收. Wong等人[40]观测到电离层电磁波到静电波的模态转化在初始毫秒数量时间尺度. 对于磁化非均匀等离子体，电磁波在满足UH共振区ωo≈ωuh和 双共振区 ω≈ωuh≈nωH时发生模态转化，发生共振吸收. Mjølhus[41]研究了磁化等离子体中的线性模态转换，给出了磁化和非磁化模态的转变过程，以及小尺度密度不规则体条件下的线性转换过程.

4.3.2 等离子波场加速电子机制

等离子体波场和粒子相互作用，是电离层非线性中的重要问题. 等离子体静电波本质是电荷密度波动和电场，由于静电波无法离开等离子体，只能通过线性或非线性阻尼机制转化到等离子体.等离子体波场能量衰减，转为粒子能量，和波相互作用的粒子是电子或离子.

碰撞阻尼：电子与其他粒子发生碰撞，使得EW中电子的相干振荡转化为随机热运动，波能量消耗的速率和碰撞频率有关，一般认为这是非共振欧姆加热方式.

线性朗道阻尼：在无碰撞的情况下，静电波通过朗道阻尼转化为粒子的能量，当粒子速度接近静电波传播相速度时，粒子会被波加速或减速，静电波能量被消耗.

非线性朗道阻尼：当电场幅度较大时，等离子体波变为湍流，其中，捕获Trapping(Caviton)和Wave Collapse (Cascade)是非线性阻尼机制，属于非线性波粒相互作用的范畴.

等离子体波场线性加速电子主要包括电子朗缪尔波、UH波、和EB波三种方式. 电子加速机制，与波矢量和磁场之间的角度、入射频率和磁回旋频率相关，该机制是不同纬度装置和频率选择的重要依据. 泵波频率的选择主要有两种：第一种泵波频率不满足磁回旋方式，如中低纬度设备，主要波加热机制是朗缪尔波，朗缪尔波电场沿着磁力线方向加速电子，朗缪尔波机制是非常重要的机制，得到了广泛研究[42]；第二种泵波频率接近磁回旋方式，UH波和EB波加速机制变得重要，UH波和EB波电场垂直于磁力线方向来加速电子. 实验方面，Kosch等人[43]利用HAARP二次电子回旋实验发现朗缪尔波、UH波和EB波以及热参量不稳定性(产生Striations)可能同时存在. Pedersen等人[1]利用电子回旋双共振方式激发APLs，利用磁回旋实现了电子的有效加速，同时UH波/EB波场等被激发，进一步实现了电子加速.

电离层电子加速物理过程中，可能存在多种等离子体波系结构. SEEs频谱和等离子体波的激发密切相关，然而如何建立SEEs特征与等离子体波系加速电子的对应关系，依然需要进一步的工作. 同时，电子的加速机制，包括电场(磁回旋电场)和等离子体朗道加速两种机制，依然需要进一步研究.

另外，电子加热过程时间尺度相对较长，电子温度提高，需要进一步研究碰撞加热、非碰撞湍流和非线性捕获等加热过程的影响. 因此，如何利用SEEs特征区分电子加速和加热机制也是很重要的问题.

4.3.3 等离子体波波相互作用

参量不稳定性是非线性波波相互作用的重要机制. Stubbe等人[44]提出将SEEs作为诊断电离层参量不稳定性的新技术. 参量不稳定性的发生，满足能量和动量守恒即 ω0=ω2±ω1，k0=k1±k2. 其机制可以体现为以下几种方式：

1)激励电子波(ω0，k0)，激发后向传播电子波(ω1，k1) 和离子波(ω2，k2). 电离层受激DM谱线.

2)激励电磁波(ω0，k0) ，激发电子波(ω1，k1)和离子波(ω2，k2) . 其中，相速度 ω0/k0≈c，k0很小，得到|k1|=−|k2|，ω0=ω1+ω2.

3)激励电磁波(ω0，k0)，激发离子波或电子波(ω2，k2) ，散射电磁波(ω1，k1). 其中，离子波为SBS和受激拉曼散射. SBS被电离层观测到，用来诊断电子温度和离子种类.

4)激励电磁波(ω0，k0)，激发两EPW，发生双等离子体衰变不稳定性过程. 发生条件为 ω0≃2ωpe，发生在非均匀等离子体的临界密度处，n≃nc/4.

振荡双束流不稳定性(oscillating two stream instability)：有质动力在入射波和等离子体频率相等时效应最强，即 ω0≃ωp，离子密度波动通过有质动力增长，同时EPW被激发，形成不稳定性，详见参考文献[45-47].

PDI：激励波产生EPW和IA. 最早在Platteville和Arecibo实验中观测到[48].

4.4 低频波激发机制

SEEs也可看作低频波的一种激发方式，区别于传统调制等方式[4]. SEEs产生的频率范围覆盖Hz～100 kHz，再到入射频率的SH. SEEs频率与等离子体特征频率相关. 受激电磁波(如whistler wave，alfven wave)可以在自由空间传播，静电波需要波模转换为电磁波在自由空间传播. 其中，Blagoveshchenskaya等人[17]采用X模式观测到来自SBS的IA波和EIC的谱线. 然而，如何将受激电磁等离子体波、静电等离子体波转化为电磁波的模态，以及被激发的新的电磁辐射频率、带宽、极化和传播距离等问题需要进一步研究.

5 SEEs发展趋势

经过几十年研究，空间SEEs实验和理论取得了很多成果，促进了等离子体非线性物理的发展[33,49]，但依然面临一些问题：

1) 空间磁化SEEs频谱复杂，新的SEEs频谱不断出现却缺少解释[17]. 新受激窄带/宽带谱结构和磁等离子体波有极化等相关却无法得到解释，这涉及到电磁波与磁化等离子体非线性相互作用理论，目前缺少完善统一的磁化SEEs理论.

2) SEEs实验设备和非相干雷达诊断彼此独立，如HAARP缺少非相干散射雷达，低纬Arecibo受激辐射实验频率单一. 随机媒质等离子体参数反演理论一直是理论难点，特别是电磁波和随机媒质的相互作用. SEEs数据信息挖掘不充分，SEEs参数诊断方法和工具依然空白. 如何充分利用SEEs特征反演APLs等离子体参数、多尺度湍流和电子加速加热机制依然需要进一步研究.

3) SEEs仿真困难，磁化非均匀参量不稳定性理论复杂，利用高性能动力学湍流仿真非线性多物理多尺度问题、动力学粒子模拟等，还需要进一步的研究.

SEEs未来发展主要可从以下四方面进行深入研究：SEEs实验、SEEs机理、SEEs极化测量和SEEs诊断工具. 融合SEEs理论和实验观测数据建立空间磁化等离子体SEEs正向和反演理论，进一步揭示电磁波和磁化等离子体非线性相互作用的机理. 空间磁化SEEs的未来发展方向，主要包括：

1）SEEs正向模型

空间SEEs作为高功率电磁波和磁化等离子体相互作用的基本问题，是非线性等离子体的最前沿，丰富了传统磁化非均匀参量不稳定性理论. 目前尚未建立空间磁化SEEs理论，空间磁化SEEs的正向物理模型也需要建立.

构建空间SEEs物理模型，需要深入研究磁化等离子体和电磁波相互作用的理论，同时需要充分利用动力学粒子模拟等高性能仿真计算，来进一步揭示复杂空间SEEs频谱的激发机理，阐述电离层波调控湍流和波激发机制，以及波波和波粒非线性相互作用机理. 空间SEEs的正向物理模型，将为实现SEEs的逆向反演模型奠定基础.

2）SEEs反演模型

空间SEEs可以提供空间等离子体参数的诊断工具，空间SBS提供电子温度和离子种类的诊断，同时SEEs频谱源自共振区电磁波和磁化等离子体的相互作用，包含磁化等离子体波和湍流的复杂作用体系. SEEs的特征，和APLs激发、多尺度等离子体湍流、电子加速和加热机制诊断，以及低频波激发相关. 然而，SEEs特征与等离子体参数之间定量关系不明确，诊断工具开发缺少基础. SEEs诊断工具，一方面依赖大量的实验观测数据，另一方面需要可靠的理论仿真模型和数据.

由于实验和仿真本身存在的局限性，借助机器学习等方式建立数据驱动的SEEs诊断反演模型，融合SEEs的实验数据和理论仿真模型来形成可靠的SEEs诊断模型，依然需要进一步的工作[50-51].

6 结论和讨论

空间电离层非线性等离子体物理，可望揭开电磁波和磁化离子体非线性相互作用的神秘面纱.高功率电磁波等离子体非线性是共性基础问题，也是非线性等离子体前沿问题，对于激光物理、非线性光学、等离子体鞘套探测、空间太阳能电站、超材料等研究也具有参考意义.

构建空间SEEs理论体系，揭示电离层最优调控非线性湍流和波激发机理，丰富了传统磁化非均匀参量不稳定性理论，为SEEs频谱诊断应用提供了理论依据，实现了电离层最优调控的机制推理和现象表征.

电离层波调控湍流和波激发机制及诊断，一直是电离层非线性研究的难点，也制约着电离层最优调控方式的设置和应用. 空间SEEs提供了电离层湍流和波激发以及电子加热诊断的新手段，但空间SEEs的正向和反演模型依然需要进一步研究.

致谢：感谢中国电波传播研究所吴健研究员对本工作的启发式讨论.