电离层结构

浏览

电离层结构可以利用电离层中电子密度、离子密度、电子温度、离子温度等参量的空间分布来表示,但其中最重要的是电子密度的空间分布。研究电离层结构主要是研究电子密度随高度的分布。电子密度,也称电子浓度,是指单位体积的自由电子数。电子密度随高度的变化与各个高度上大气的成分、密度、太阳辐射通量等因素有关。

电离层分层结构

观测表明,电离层电子密度在垂直方向上呈分层结构。在离地球表面约60~1000公里高度范围内,主要有 3层:D层、E层和F(F1与F2)层。大约在 300公里处电子密度达到最大值,再往上电子密度缓慢下降,在约1000公里处同磁层衔接。在中纬度地区,太阳活动高年和低年、白天和夜间的典型电子密度与高度的关系如图1。

图1

D 层

电离层的底部,电离度较低(包括多种原子离子团)的大气所构成的一层,约位于60~90公里的区域。在这一范围内,层状结构不如E层和F层明显,所以有时称之为E层的“缘”。在D层中,由于中性大气成分密度很大,电子和中性粒子之间的碰撞频繁,并与分子结合形成负离子,因此D层离子密度大于电子密度,这是D层的一个特点。

在D层区域,电离过程主要是太阳的氢赖曼α(Lα)谱线对NO的光电离,发生的高度在80公里左右。其次是1027~1118埃的太阳辐射对O2的电离。最低处 60公里左右是银河宇宙线和太阳X射线产生的N娚和O娚。D层电子密度在103厘米-3以下。在夜间电子大量消失,以致可以认为D层不复存在。

E层

约在90~140公里的区域,其位置比较稳定。E层电子密度介于103~105厘米-3之间。在中纬度地区,E层电子密度峰值的高度通常位于110~120公里,而在低纬地区约低10公里。火箭探测表明,从这一高度到F层之间的区域,电子密度不像早期认为的那样存在着一个深的“谷”区。日落后,E层电子密度峰值下降到夜间值,典型数据为5×103厘米-3

太阳紫外线(1000~1020埃)和软X射线(10~170埃)是E层光致电离的主要源,主要离子成分是O娚和NO+。由于E层的形成同多种波长的辐射有关,故其垂直结构比较复杂。

F层

在E层之上一直到数百甚至上千公里统称为F层,是电离层的主要区域。白天F层分为F1层和F2层,F2层处于F1层之上,夜间F1层消失。F1层和F2层在化学结构(离子成分)、热结构和受地磁场控制等方面各具特点。

(1)F1层 高度一般在140~200公里之间。电子密度为104~105厘米-3。它与F2层经常无明显分界而表现为F2层底部的一个“缘”。同E层一样,F1层电子密度分布也比较接近查普曼层。

F1层是被大气强烈吸收的那部分远紫外辐射所产生的。500~600埃的辐射在大约 160公里高度达到单位光学深度(见电离层的形成),因而200~910埃范围内的辐射可能都对F1层的电离有贡献。这些辐射产生离子O娚、N娚、O+、H媇和N+。由于随后的一系列反应,最终产物以NO+和O娚为主。随着高度上升,主要离子成分由分子逐渐过渡为原子离子。

(2)F2层 F层主要是指F2层。它有明显的电子密度峰值,峰值高度约在300公里,峰值密度可达106厘米-3。在这一峰值高度以上,电子密度随着高度的增加而缓慢减少。在1000公里处,电子密度约为105~104厘米-3; 而在2000~3000公里,电子密度约为103~102厘米-3。F2层电离源与F1层相同。主要离子成分为原子离子,有O+和N+,其中 O+是主要的。负离子和双电荷正离子很少,正离子密度与电子密度相等。

电离层不均匀结构

除了上述正规层次外,电离层区域还存在不均匀结构。它们是由电离层的不均匀体构成的,或由电离密度汇聚引起的,如Es层和扩展F。

Es层

即偶发E层。一种在时间上较常见、出现于E层区域的不均匀结构。它有时是一片密集的不均匀体,有时是强电离的薄层电离区。中纬地区的薄层Es,厚度约为几百米至二公里左右,水平方向延伸一般为0.1~10公里,但也有扩展到数百公里的;高度大致在 110公里,最大电子密度可达106厘米-3;底部的电子密度梯度大约为105~106厘米-3·公里-1

扩展F

是一种发生在F区域的不均匀结构,它在频高图(亦称电离图)上的表现如图2。图中正常的F层描迹逐渐扩展,它是F层电子密度不均匀体对电波散射的结果,扩展F由此得名。在赤道区,这种不均匀体常沿地磁场方向拉长,并且分布在较宽的高度范围,从250公里直至1000公里以上。

图2 扩展F频高图

电离层的热结构

电子温度、离子温度随高度的分布称为电离层的热结构。由于光电子将动量传给电子比传给离子来得快;而离子将动量传给中性粒子又比电子要快,于是3种粒子温度常满足关系Te>Ti>Tn,其中Te为电子温度,Ti为离子温度,Tn为中性粒子温度(又称中性气体温度)。在120公里以下碰撞频率很大,3种温度接近相等。而在这一高度之上到200公里,地球向阳面的Te急剧上升,达到中性粒子温度的3倍。在200公里以上,电子温度同电子密度的高度分布关系极为密切,通常二者变化相反。离子温度在 350公里以下接近中性粒子温度;但在这一高度之上Ti开始增加,直到最后Ti=Te。在1000公里以上,这两种温度可能比中性粒子温度高几千开。在夜间由于光电离停止,3种气体温度趋向相等。

参考书目
  1. H. Rishbeth and O.K. Garriott, Introduction to Ionospheric Physics,Academic Press,New York,1969.
  2. 九章等编著:《高空大气物理学》,上册,科学出版社,北京,1965。