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电离层结构_百度文库

归档日期:07-07       文本归类:非电离层      文章编辑:爱尚语录

  电离层结构 dianliceng jiegou 电离层结构 ionospheric structure 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[ 太阳活动高年和低年的典型电子密度分米至二公里 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 10(厘米(;底部 的电子密度梯度大约为 10(~10(厘米(·公里(。 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[扩展 F 频高图] 。 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。 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 TeTiTn,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。 布] 。 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 (L )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 和 O 。D 层电子密度在 10(厘米(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 10(~10(厘米(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 5×10(厘米(。 太阳紫外线 埃)和软 X 射线 埃)是 E 层 光致电离的主要源,主要离子成分是 O 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。 ①F1 层 高度一般在 140~200 公里之间。电子密度为 10(~10(厘 米(。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 、N 、O(、H 和 N(。由于随后的一系列反应, 最终产物以 NO(和 O 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。 ②F2 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 10(厘米(。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 10(~10(厘米(; 而在 2000~3000 公里,电子密度约为 10(~10(厘米(。 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

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