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地球电离层

归档日期:06-29       文本归类:非电离层      文章编辑:爱尚语录

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  等离子体是宇宙空间物质构成的主要形态,99%以上的物质都以等离子态形式存在,离我们最近的等离子体就是地球电离层。

  电离层是地球大气的一个重要层区,它是由太阳电磁辐射、宇宙线和沉降粒子作用于地球高层大气,使之电离而生成的由电子、离子和中性粒子构成的能量很低的准中性等离子体区域。

  电离层处在50km至几千千米高度间,温度在180~3000K范围之间,其带电粒子(电子和离子)的运动受到地磁场的制约,因此在电波传播领域又称电离层介质为磁离子介质。

  描述电离层最基本的参量是电子密度,通常按照电子密度随高度的变化来划分电离层的结构。随着高度的变化,电离层电子密度出现几个极大值区域(又称为层),依次分为D层、E层和F层,如图所示。

  电离层电子密度的高度分布随昼夜、季节、纬度和太阳活动而变化。由于白天和晚上的电离源(太阳电磁辐射)不同,电离层结构也有所不同,在夜间D层消失,而E层和F层电子密度减小;太阳活动高年和低年中,太阳电磁辐射的差异也导致电离层电子密度有很大差别。但共同的特点是在200~400km高度之间电子密度有一个明显的峰值。

  D层是最低的电离层,一般处于高度为50~90km的区域,主要的电离源是太阳X射线。该层的电子密度随高度的变化而迅速变化,具有较大的日变化,地方时午后出现最大值,午夜具有最小值,典型的正午值为108~109m-3。同时该层还具有显著的季节变化,最大值出现在夏季,但最小值并非出现在冬季。

  E层处于高度为90~130km的区域,由正常E层和偶现(Sporadic)E层两部分构成。

  F层处于高度为130km直到几千千米的广大区域,有时可分出F1层和F2层两部分。

  a.电子密度,又称为电子浓度,即电离层中单位体积内电子的数量,单位为m-3。它是描述电离层的最基本参量。

  b.碰撞频率,指单位时间内电离层中电子与其他粒子的碰撞次数之和,单位为S-1。

  碰撞频率正比于中性粒子的数密度,因此电离层中D层的碰撞频率最高,总有效碰撞频率高达105~107S-1。

  c.中性成分,高层大气不是完全电离气体,所以还有未被电离的气体,即中性大气成分。

  在低高区以NO+和O2+为主要的离子成分,在F层顶以O+为主。1000km高度以上主要成分是H+,高于2800km则几乎为H+所独占。

  e.电离层温度,电离层温度取决于各种加热和制冷过程的平衡,以及它的周日变化和季节变化。

  F1层白天电子温度一般比周围气体大两倍。在低于250km的区域,引起热电子冷却的主要是中性成分的碰撞。离子的温度在600km以上与电子温度相当,并且两者都超过中性气体温度。

  电离层除了具有正常的结构背景以及不均匀结构以外,还有伴随着太阳耀斑、磁暴等全球性扰动过程而出现的电离层突然骚扰(SID,Sudden Ionosphere Disturbance)、电离层暴以及极区反常现象。

  :太阳耀斑爆发几分钟后,电离层的低层(主要是D层)经常出现电高度突然剧烈增强的现象,称为电离层突然骚扰。

  它造成日照半球上短波与中波信号立即衰落甚至完全中断,长波和超长波的天波相位发生突变(Sudden Phase Anomaly,简称SPA现象),地磁出现钩扰。

  :这是由太阳耀斑引起的一种电离层扰动。太阳耀斑爆发时,由于太阳局部发生扰动,抛射出大量带电粒子流或等离子体“云”,这些粒子流到达地球后,破坏了电离层的正常结构,引发电离层暴。

  极区电离层与中、低纬电离层的区别在于极区的太阳光照条件的日变化和季节变化均比较小而且缓慢,容易受到太阳带电粒子流的影响。在极区经常产生极光和磁扰,甚至在磁静时期极区电离层扰动也很大。在磁扰期间,极区电离层有复杂的结构和变化,随磁暴的增长,Es反射更高的频率,F层回波消失,磁暴最大时,“回波”中断,即出现极盖吸收事件(PCA,The Polar Cap Absorption Event),这是由于太阳耀斑喷发出的5~20MeV质子进入极盖区,使D层电离剧增而造成该区对电波的吸收剧烈增强。同时在夜间还出现极光带吸收事件。

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