電離層結(jié)構(gòu)

正文

研究電離層結(jié)構(gòu)主要是研究電子密度隨高度的分布。電子密度，也稱電子濃度，是指單位體積的自由電子數(shù)。電子密度隨高度的變化與各個(gè)高度上大氣的成分、密度、太陽輻射通量等因素有關(guān)。

電離層分層結(jié)構(gòu) 　觀測(cè)表明，電離層電子密度在垂直方向上呈分層結(jié)構(gòu)。在離地球表面約60～1000公里高度范圍內(nèi)，主要有 3層：D層、E層和F（F1與F2）層。大約在 300公里處電子密度達(dá)到最大值，再往上電子密度緩慢下降，在約1000公里處同磁層銜接。D 層　電離層的底部，電離度較低（包括多種原子離子團(tuán)）的大氣所構(gòu)成的一層，約位于60～90公里的區(qū)域。在這一范圍內(nèi)，層狀結(jié)構(gòu)不如E層和F層明顯，所以有時(shí)稱之為E層的“緣”。在D層中，由于中性大氣成分密度很大，電子和中性粒子之間的碰撞頻繁，并與分子結(jié)合形成負(fù)離子，因此D層離子密度大于電子密度,這是D層的一個(gè)特點(diǎn)。

在D層區(qū)域，電離過程主要是太陽的氫賴曼α（Lα）譜線對(duì)NO的光電離，發(fā)生的高度在80公里左右。其次是1027～1118埃的太陽輻射對(duì)O2的電離。最低處 60公里左右是銀河宇宙線和太陽X射線產(chǎn)生的N娚和O娚。D層電子密度在103厘米-3以下。在夜間電子大量消失，以致可以認(rèn)為D層不復(fù)存在。

E層約在90～140公里的區(qū)域,其位置比較穩(wěn)定。E層電子密度介于103～105厘米-3之間。在中緯度地區(qū),E層電子密度峰值的高度通常位于110～120公里，而在低緯地區(qū)約低10公里。火箭探測(cè)表明,從這一高度到F層之間的區(qū)域，電子密度不像早期認(rèn)為的那樣存在著一個(gè)深的“谷”區(qū)。日落后，E層電子密度峰值下降到夜間值,典型數(shù)據(jù)為5×103厘米-3。

太陽紫外線（1000～1020埃）和軟X射線（10～170埃）是E層光致電離的主要源，主要離子成分是O娚和NO 。由于E層的形成同多種波長(zhǎng)的輻射有關(guān),故其垂直結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

F層　在E層之上一直到數(shù)百甚至上千公里統(tǒng)稱為F層，是電離層的主要區(qū)域。白天F層分為F1層和F2層，F(xiàn)2層處于F1層之上，夜間F1層消失。F1層和F2層在化學(xué)結(jié)構(gòu)（離子成分）、熱結(jié)構(gòu)和受地磁場(chǎng)控制等方面各具特點(diǎn)。

①F1層　高度一般在140～200公里之間。電子密度為104～105厘米-3。它與F2層經(jīng)常無明顯分界而表現(xiàn)為F2層底部的一個(gè)“緣”。同E層一樣,F1層電子密度分布也比較接近查普曼層。

F1層是被大氣強(qiáng)烈吸收的那部分遠(yuǎn)紫外輻射所產(chǎn)生的。500～600埃的輻射在大約 160公里高度達(dá)到單位光學(xué)深度（見電離層的形成），因而200～910埃范圍內(nèi)的輻射可能都對(duì)F1層的電離有貢獻(xiàn)。這些輻射產(chǎn)生離子O娚、N娚、O 、H媇和N 。由于隨后的一系列反應(yīng)，最終產(chǎn)物以NO 和O娚為主。隨著高度上升,主要離子成分由分子逐漸過渡為原子離子。

②F2層　F層主要是指F2層。它有明顯的電子密度峰值,峰值高度約在300公里，峰值密度可達(dá)106厘米-3。在這一峰值高度以上，電子密度隨著高度的增加而緩慢減少。在1000公里處，電子密度約為105～104厘米-3; 而在2000～3000公里，電子密度約為103～102厘米-3。F2層電離源與F1層相同。主要離子成分為原子離子，有O 和N ，其中 O 是主要的。負(fù)離子和雙電荷正離子很少，正離子密度與電子密度相等。

電離層不均勻結(jié)構(gòu) 　除了上述正規(guī)層次外，電離層區(qū)域還存在不均勻結(jié)構(gòu)。它們是由電離層的不均勻體構(gòu)成的，或由電離密度匯聚引起的，如Es層和擴(kuò)展F。

Es層　即偶發(fā)E層。一種在時(shí)間上較常見、出現(xiàn)于E層區(qū)域的不均勻結(jié)構(gòu)。它有時(shí)是一片密集的不均勻體，有時(shí)是強(qiáng)電離的薄層電離區(qū)。中緯地區(qū)的薄層Es，厚度約為幾百米至二公里左右,水平方向延伸一般為0.1～10公里，但也有擴(kuò)展到數(shù)百公里的；高度大致在 110公里，最大電子密度可達(dá)106厘米-3；底部的電子密度梯度大約為105～106厘米-3·公里-1。

擴(kuò)展F　是一種發(fā)生在F區(qū)域的不均勻結(jié)構(gòu)，它在頻高圖（亦稱電離圖）上的表現(xiàn)如下：正常的F層描跡逐漸擴(kuò)展，它是F層電子密度不均勻體對(duì)電波散射的結(jié)果，擴(kuò)展F由此得名。在赤道區(qū),這種不均勻體常沿地磁場(chǎng)方向拉長(zhǎng)，并且分布在較寬的高度范圍，從250公里直至1000公里以上。　電離層的熱結(jié)構(gòu) 　電子溫度、離子溫度隨高度的分布稱為電離層的熱結(jié)構(gòu)。由于光電子將動(dòng)量傳給電子比傳給離子來得快；而離子將動(dòng)量傳給中性粒子又比電子要快，于是3種粒子溫度常滿足關(guān)系Te>Ti>Tn，其中Te為電子溫度，Ti為離子溫度,Tn為中性粒子溫度（又稱中性氣體溫度）。在120公里以下碰撞頻率很大，3種溫度接近相等。而在這一高度之上到200公里,地球向陽面的Te急劇上升,達(dá)到中性粒子溫度的3倍。在200公里以上,電子溫度同電子密度的高度分布關(guān)系極為密切，通常二者變化相反。離子溫度在 350公里以下接近中性粒子溫度；但在這一高度之上Ti開始增加，直到最后Ti=Te。在1000公里以上，這兩種溫度可能比中性粒子溫度高幾千開。在夜間由于光電離停止，3種氣體溫度趨向相等。

參考書目

H. Rishbeth and O.K. Garriott,Introduction to Ionospheric Physics,Academic Press,New York,1969.

趙九章等編著：《高空大氣物理學(xué)》，上冊(cè)，科學(xué)出版社，北京，1965。2100433B

太陽輻射使部分中性分子和原子電離為自由電子和正離子，它在大氣中穿透越深，強(qiáng)度（產(chǎn)生電離的能力）越趨減弱，而大氣密度逐漸增加，于是，在某一高度上出現(xiàn)電離的極大值。大氣不同成分，如分子氧、原子氧和分子氮等，在空間的分布是不均勻的。它們?yōu)椴煌ǘ蔚妮椛渌婋x，形成各自的極值區(qū)，從而導(dǎo)致電離層的層狀結(jié)構(gòu)。電離層在垂直方向上呈分層結(jié)構(gòu)，一般劃分為D層、E層和F層，F(xiàn)層又分為F1層和F2層。最大電子密度約為10厘米，大約位于300千米高度附近。除正規(guī)層次外，電離層區(qū)域還存在不均勻結(jié)構(gòu)，如偶發(fā)E層（Es）和擴(kuò)展F。偶發(fā)E層較常見，是出現(xiàn)于E層區(qū)域的不均勻結(jié)構(gòu)。厚度從幾百米至一二千米，水平延伸一般為0.1～10千米，高度大約在110千米處，最大電子密度可達(dá)10厘米。擴(kuò)展F是一種出現(xiàn)于F層的不均勻結(jié)構(gòu)，在赤道地區(qū)，常沿地磁方向延伸，分布于250～1000千米或更高的電離層區(qū)域。

電離層分層結(jié)構(gòu)只是電離層狀態(tài)的理想描述，實(shí)際上電離層總是隨緯度、經(jīng)度呈現(xiàn)復(fù)雜的空間變化，并且具有晝夜、季節(jié)、年、太陽黑子周等變化。由于電離層各層的化學(xué)結(jié)構(gòu)、熱結(jié)構(gòu)不同，各層的形態(tài)變化也不盡相同。

電離層不規(guī)則體是指漂浮在正常電離層結(jié)構(gòu)中的各種尺度的電離“云塊”或“波狀”結(jié)構(gòu)，又稱電離層不均勻性。