電離層的形成

帶電粒子通過碰撞等過程又產(chǎn)生復(fù)合，使電子和離子的數(shù)目減少；帶電粒子的漂移和其他運(yùn)動(dòng)也可使電子或離子密度發(fā)生變化。電子密度N隨時(shí)間t的變化дN/дt，是電子生成率Q、電子消失率L和電子因漂移而離開單位體積的速率的代數(shù)和。即式中V是電子的漂移速度。在一般情況下，除F2層上部以外，輸運(yùn)項(xiàng)?·(NV)引起的損失是可以忽略的，所以電子密度達(dá)到平衡的條件主要決定于電子生成率和電子消失率。電離過程　中性大氣的電離主要是吸收太陽X射線和遠(yuǎn)紫外線（波長小于0.175微米）輻射的結(jié)果。中性大氣分子吸收太陽輻射光子的幾率用吸收截面σa表示，其定義是吸收能量率與單位面積上入射能量率之比，它與波長有關(guān)，而被吸收的光子能產(chǎn)生電離的幾率則由電離效率η表示，乘積ησa=σ1稱為電離截面。在遠(yuǎn)紫外區(qū)，σa的最大值可達(dá)10-17～10-18厘米2；而在X射線范圍則小得多。對于原子型氣體，η=1，即所吸收的能量全部用于產(chǎn)生電子-離子對。對于分子型氣體，則η＜1。最早提出電離層形成理論的是英國S.查普曼。20世紀(jì)30年代初，他假設(shè)：①進(jìn)入大氣層的太陽輻射為單色波，②大氣成分單一、溫度恒定、密度水平分層且隨高度按指數(shù)律減小。在這兩個(gè)條件下，對電子密度隨高度的分布進(jìn)行計(jì)算，得到了第一個(gè)理論模式，后人稱為查普曼模式。如果輻射進(jìn)入的方向與天頂成角χ（稱為天頂角），則由于沿途受到氣體的吸收，到達(dá)高度為h的輻射通量?(λ)將比進(jìn)入大氣之前的通量?∞(λ)減弱e-τ倍，而τ=nσaHsecχ，其中n為氣體中性粒子的密度，是高度的函數(shù)，H為標(biāo)高。由此可見，τ是度量吸收程度的指標(biāo)，稱為光學(xué)深度，它是高度的函數(shù)。將τ=1定義為單位光學(xué)深度，在它所對應(yīng)的高度以下，入射輻射通量很快地趨近于零，即接近被完全吸收。如果去掉溫度恒定的假設(shè)，則標(biāo)高也將隨高度而變，密度n也不再是高度的簡單函數(shù)。此外，當(dāng)天頂角χ相當(dāng)大時(shí)，由于地球的曲率不能忽略而使大氣平面分層的假設(shè)不再成立，于是τ值必須修正。電子生成率　中性氣體吸收太陽輻射能量后發(fā)生電離。單位體積內(nèi)每秒產(chǎn)生的電子數(shù)，即電子生成率Q，同太陽輻射通量?、中性粒子的密度n和它的電離截面σ1成正比：Q=nσ1?∞（λ）e-τ。由于n和τ都是高度h的函數(shù)，故Q也隨高度變化。在較高的高度上，輻射通量雖強(qiáng)，但粒子密度卻小；輻射深入大氣層后，雖然能遇到更多的可電離粒子，但輻射通量因沿途被吸收而大大衰減。這兩種因素相互制約，使得電子生成率在中間某一高度hm上達(dá)到最大值Qm。求Q表達(dá)式的極值，可以證明hm即在τ＝1處，因此，可以很容易地求出Qm和hm的值，并進(jìn)而求得Q值隨高度而變化的關(guān)系。圖1表示了不同天頂角情況下Q值的差別。圖中橫坐標(biāo)為比值Q（χ）/Qm0，Q（χ）是天頂角χ時(shí)的Q值，Qm0是天頂角χ＝0時(shí)電子生成率的最大值。縱坐標(biāo)為約化高度ζ，ζ=(h-hm0)/H，hm0是電子生成率取Qm0時(shí)所對應(yīng)的高度。由圖可見，當(dāng)χ增加時(shí)，Q的極大值變小，且其取極大值的高度向上移動(dòng)。電子的消失　當(dāng)不考慮電子的漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)，單位體積每秒消失的電子數(shù)，稱為電子消失率L。電子的消失主要有兩種類型，一種是電子和正離子的復(fù)合，另一種是電子附著到中性粒子上，變成負(fù)離子。電子和正離子的復(fù)合有時(shí)伴隨著光子的輻射，其反應(yīng)式為：X e-─→X (hv)，其中X代表中性粒子。因復(fù)合引起的電子消失率同電子密度N和正離子密度[X ]的乘積成正比，如[X ]和N相等，則L=α[X ]N=αN2，α稱為復(fù)合（或輻射復(fù)合）系數(shù)，是高度的函數(shù)。電離與復(fù)合達(dá)到平衡時(shí)，Q=L，因而Q=αN2，或N=(Q/α)?。將圖1所表示的Q/Qm0與ζ的關(guān)系代入，可得：，式中Nm0為χ=0時(shí)最大電子密度。具有這種電子密度與高度關(guān)系的簡單層稱為查普曼層（圖2）。這種描述叫查普曼模式。將上式對ζ取導(dǎo)數(shù)并令其等于零，即可求得電子密度最大值的高度hm。除χ=0的情況外，hm與出現(xiàn)電子生成率最大值的高度hm是不同的。圖2虛線是將上式展開后略去高于二次的項(xiàng)所得的拋物線近似。符合這種關(guān)系的層次稱為拋物線層，在處理實(shí)際問題中，這種近似常被采用。電子附著到中性粒子M上，變成負(fù)離子的電子消失過程，反應(yīng)式為：M e-──→M-。由于中性粒子的密度[M]遠(yuǎn)大于電子密度N，所以附著引起的電子消失率主要由N決定，即L=βN，β稱為附著系數(shù)，也是高度的函數(shù)。當(dāng)電離和消失相平衡時(shí)，Q=βN。在大部分電離層中，電子的消失不是單純的復(fù)合或附著過程，而是下列兩步過程的聯(lián)合，即①X A2→AX A；②AX e-→A X。這里A2代表一種分子，例如O2或N2。上述反應(yīng)稱為離解復(fù)合。反應(yīng)①也是一種附著反應(yīng)，它的速率為β[X ]，而反應(yīng)②的速率為α[AX ]N。在電離層較低部分β的值大，因此所有的X 迅速變成AX ，故總的反應(yīng)率是由反應(yīng)②所控制，即整個(gè)說來過程是α型的。在電離層較高部分β的值小，因而反應(yīng)①相當(dāng)慢并控制總反應(yīng)率；由于[X ]=N，所以整個(gè)說來過程是β型的。這樣，當(dāng)高度增加時(shí)，反應(yīng)將逐漸從α型轉(zhuǎn)變成β型。電子的擴(kuò)散　由于只是研究電子運(yùn)動(dòng)引起的電子密度隨高度的變化，所以，只涉及電子在垂直方向的漂移運(yùn)動(dòng)，這種漂移可以假定主要是由垂直擴(kuò)散作用引起的，即式中D是電子的擴(kuò)散系數(shù)。于是，它表示在單位時(shí)間內(nèi)單位體積中由于擴(kuò)散引起的電子數(shù)的變化。在垂直運(yùn)動(dòng)中還必須考慮重力的影響，它使電子或離子向下運(yùn)動(dòng)，與擴(kuò)散的方向相反。在電離層中，由于電子和正離子的質(zhì)量不同，在向上擴(kuò)散的過程中電子群和正離子群將分開一段距離，使兩者之間產(chǎn)生一電場。該電場同重力場保持平衡，從而使正負(fù)電荷保持一定距離而一同擴(kuò)散(相對于中性氣體)。這種擴(kuò)散稱為雙極擴(kuò)散。雙極擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)DP與電子的擴(kuò)散系數(shù)D不同。計(jì)算表明，當(dāng)電離達(dá)到平衡態(tài)時(shí)，在擴(kuò)散情況下等離子體按高度有指數(shù)型的分布　，電子密度隨高度的增加而呈指數(shù)下降。HP為等離子體的標(biāo)高，比中性大氣標(biāo)高要大。和其他電子消失過程比較，電離層中垂直擴(kuò)散的重要性決定于等離子體擴(kuò)散系數(shù)DP與復(fù)合系數(shù)的相對大小。以上只是分析了單色輻射進(jìn)入成分單一、溫度恒定的大氣而產(chǎn)生簡單電離層的經(jīng)過。實(shí)際上電離輻射有多種波段；大氣在不同高度上溫度和氣體組成都是不同的，對輻射的吸收截面也都不同，因而輻射的單位光學(xué)深度也不同；各種氣體的分子原子還有不同的電離電位。在這些復(fù)雜因素的支配下，電離層從下向上，形成D、E、F1及F2等層次（見電離層結(jié)構(gòu)）。參考書目　趙九章等編著：《高空大氣物理學(xué)》上冊，科學(xué)出版社，北京，1965。 2100433B

大氣的電離主要是太陽輻射中紫外線和X射線所致。此外，太陽高能帶電粒子和銀河宇宙射線也起相當(dāng)重要的作用。地球高層大氣的分子和原子，在太陽紫外線、Χ射線和高能粒子的作用下電離，產(chǎn)生自由電子和正、負(fù)離子，形成等離子體區(qū)域即電離層。電離層從宏觀上呈現(xiàn)中性。電離層的變化，主要表現(xiàn)為電子密度隨時(shí)間的變化。而電子密度達(dá)到平衡的條件，主要取決于電子生成率和電子消失率。

電子生成率是指中性氣體吸收太陽輻射能發(fā)生電離，在單位體積內(nèi)每秒鐘所產(chǎn)生的電子數(shù)。電子消失率是指當(dāng)不考慮電子的漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)，單位體積內(nèi)每秒鐘所消失的電子數(shù)。帶電粒子通過碰撞等過程又產(chǎn)生復(fù)合，使電子和離子的數(shù)目減少；帶電粒子的漂移和其他運(yùn)動(dòng)也可使電子或離子密度發(fā)生變化。

電離層中的自由電子在電場的作用下，其運(yùn)動(dòng)方式是隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)與有規(guī)則的振動(dòng)相疊加。在與其它較重粒子碰撞時(shí)，其振動(dòng)動(dòng)能由被撞的粒子吸收，而這種動(dòng)能是由對電子施力的電磁場能流轉(zhuǎn)化而來，因此碰撞使電磁波受到吸收衰減。在D層，由于大氣密度高，碰撞頻率約有8×107次/秒。在F層，除在太陽爆發(fā)時(shí)（熱騷動(dòng)）以外，其碰撞幾乎可以忽略。電離層中自由電子的運(yùn)動(dòng)還受地磁場的影響。電子熱運(yùn)動(dòng)的軌跡并不是直折線。在電離層中有外電磁場作用時(shí)，由于電離程度弱，電荷之間的相互作用以及電磁波中的磁場對電子的作用都相對很弱，決定電子有規(guī)運(yùn)動(dòng)的力來自電磁波的電場和地磁場。地磁場力的方向正交于地磁場與電子速度所共的平面，使電子隨時(shí)得到橫向加速度，因而電子的有規(guī)振動(dòng)不與電場共直線，于是等效電極化強(qiáng)度矢量與電場強(qiáng)度矢量不平行。電離層在地磁場影響下成為磁旋各向異性媒質(zhì)。電離層的等效折射率具有雙值n1、n2，且與波的傳播方向和地磁方向的夾角有關(guān)，在n1、n2，都是實(shí)數(shù)的情況下，n1