電離層結(jié)構(gòu)

電離層結(jié)構(gòu),可以利用電離層中電子密度、離子密度、電子溫度、離子溫度等參量的空間分布來表示,但其中最重要的是電子密度的空間分布。

電離層結(jié)構(gòu)基本信息

中文名 電離層結(jié)構(gòu) 表????示 電子密度、離子密度、電子溫度
重????要 電子密度的空間分布 距????離 地球表面約60~1000公里

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)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)合形成負離子,因此D層離子密度大于電子密度,這是D層的一個特點。

在D層區(qū)域,電離過程主要是太陽的氫賴曼α(Lα)譜線對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,以致可以認為D層不復存在。

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?;鸺綔y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為的那樣存在著一個深的“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的輻射有關(guān),故其垂直結(jié)構(gòu)比較復雜。

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層在化學結(jié)構(gòu)(離子成分)、熱結(jié)構(gòu)和受地磁場控制等方面各具特點。

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“緣”。同E層一樣,F1層電子密度分布也比較接近查普曼層。

F1層是被大氣強烈吸收的那部分遠紫外輻射所產(chǎn)生的。500~600埃的輻射在大約 160公里高度達到單位光學深度(見電離層的形成),因而200~910埃范圍內(nèi)的輻射可能都對F1層的電離有貢獻。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,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層和擴展F。

Es層 即偶發(fā)E層。一種在時間上較常見、出現(xiàn)于E層區(qū)域的不均勻結(jié)構(gòu)。它有時是一片密集的不均勻體,有時是強電離的薄層電離區(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,但也有擴展到數(shù)百公里的;高度大致在 110公里,最大電子密度可達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層描跡逐漸擴展,它是F層電子密度不均勻體對電波散射的結(jié)果,擴展F由此得名。在赤道區(qū),這種不均勻體常沿地磁場方向拉長,并且分布在較寬的高度范圍,從250公里直至1000公里以上?!‰婋x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)。由于光電子將動量傳給電子比傳給離子來得快;而離子將動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》,上冊,科學出版社,北京,1965。2100433B

電離層結(jié)構(gòu)造價信息

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電離層結(jié)構(gòu)常見問題

  • 隔離層

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  • 屋面隔離層

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電離層結(jié)構(gòu)文獻

大功率無線電波加熱低電離層 大功率無線電波加熱低電離層

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等離子體對大功率電波的歐姆耗散會使電子溫度升高,進而導致電子密度和其他等離子體參數(shù)改變,實現(xiàn)電離層的地面人工變態(tài).本文基于大功率無線電波與低電離層相互作用的自洽模型,分析了不同入射條件下電離層參數(shù)的變化,主要結(jié)論如下:電離層D區(qū)是電波的主要吸收區(qū),并且其吸收強度隨入射頻率的升高而降低,當入射頻率為6 MHz(有效入射功率為200 MW)時電子溫度的最大增幅約為520 K,電子密度最大增幅為7300 cm~(-3)左右;電子溫度達到飽和所需時間小于電子密度的飽和時間,前者具有μs量級,后者具有ms量級;停止加熱后,電子溫度和密度迅速恢復到初始狀態(tài),恢復時間均小于各自的飽和時間,但量級相當;入射功率越高,電子溫度和密度的增幅越大,并且飽和時間也越長,在相同入射條件下,夜晚的飽和時間要大于白天.

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基于VLBI和GPS測量2009年7月22日日全食期間電離層TEC變化 基于VLBI和GPS測量2009年7月22日日全食期間電離層TEC變化

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2009年7月22日上午發(fā)生的日全食是21世紀全食持續(xù)時間最長的日全食,跨越了中國北緯約30°的廣大地區(qū),為研究太陽對地球電離層的影響提供了一次難得的機會。上海位于此次日全食帶中心線附近,為此,上海佘山站、烏魯木齊南山站和日本鹿島站開展了VLBI聯(lián)合觀測實驗。與此同時,TEC測量還配合使用了GPS觀測站。本文介紹了此次日全食觀測實驗的背景、測量方案、觀測實驗詳情和數(shù)據(jù)處理流程。根據(jù)相關(guān)處理結(jié)果,利用二維條紋搜索方法在上海-烏魯木齊基線獲得了優(yōu)質(zhì)干涉條紋,預示著VLBI測量取得成功。對單站GPS數(shù)據(jù)的初步分析表明,日全食食甚時刻TEC值存在快速下降。此次觀測實驗預期將首次獲得電離層TEC變化的VLBI實測結(jié)果,并開展VLBI與GPS測量結(jié)果的比較研究。

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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10厘米。擴展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,實際上電離層總是隨緯度、經(jīng)度呈現(xiàn)復雜的空間變化,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結(jié)構(gòu)、熱結(jié)構(gòu)不同,各層的形態(tài)變化也不盡相同。

TEC(Total Electron Content)及其變化不但是電離層形態(tài)學研究的重要資料,也是精密定位、導航和電波科學中電離層修正的重要參數(shù)。它是描述電離層形態(tài)和結(jié)構(gòu)的重要參量,有助于研究電離層對電磁波傳播的影響. TEC是每平方米上從電離層底部(約90公里高度)的到電離層的頂部(大約1000公里高度)的電子數(shù)量總和。許多的TEC的測量是由GPS衛(wèi)監(jiān)測得到。目前,GPS的TEC監(jiān)測已經(jīng)被分布在很多國家的超過360個臺站所實時監(jiān)測。

電離層電子總含量TEC及其變化不但是電離層形態(tài)學研究的重要資料,也是精密定位、導航和電波科學中電離層修正的重要參數(shù)。它是描述電離層形態(tài)和結(jié)構(gòu)的重要參量,有助于研究電離層對電磁波傳播的影響。電離層的預報目前有Klobuchar模型、Bent模型、IRI模型、ICED模型、FAIM模型等,GPS是主要的測量工具。在實際應用中,電離層預報是對未來時刻地面上空一定高度的網(wǎng)格點的電子含量預報。目前國際上通常是每兩小時給出經(jīng)度方向間隔5°、緯度方向間隔2.5°的電子含量,這樣每兩小時全球共有5184 (72×72)個網(wǎng)格點,使用最小二乘法擬合得出網(wǎng)格的TEC及GPS測量的硬件誤差。

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。

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