电离层结构

正文

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。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。

①F1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。

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）上的表现如下：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

H. Rishbeth and O.K. Garriott,Introduction to Ionospheric Physics,Academic Press,New York,1969.

赵九章等编著：《高空大气物理学》，上册，科学出版社，北京，1965。2100433B

太阳辐射使部分中性分子和原子电离为自由电子和正离子，它在大气中穿透越深，强度（产生电离的能力）越趋减弱，而大气密度逐渐增加，于是，在某一高度上出现电离的极大值。大气不同成分，如分子氧、原子氧和分子氮等，在空间的分布是不均匀的。它们为不同波段的辐射所电离，形成各自的极值区，从而导致电离层的层状结构。电离层在垂直方向上呈分层结构，一般划分为D层、E层和F层，F层又分为F1层和F2层。最大电子密度约为10厘米，大约位于300千米高度附近。除正规层次外，电离层区域还存在不均匀结构，如偶发E层（Es）和扩展F。偶发E层较常见，是出现于E层区域的不均匀结构。厚度从几百米至一二千米，水平延伸一般为0.1～10千米，高度大约在110千米处，最大电子密度可达10厘米。扩展F是一种出现于F层的不均匀结构，在赤道地区，常沿地磁方向延伸，分布于250～1000千米或更高的电离层区域。

电离层分层结构只是电离层状态的理想描述，实际上电离层总是随纬度、经度呈现复杂的空间变化，并且具有昼夜、季节、年、太阳黑子周等变化。由于电离层各层的化学结构、热结构不同，各层的形态变化也不尽相同。

电离层不规则体是指漂浮在正常电离层结构中的各种尺度的电离“云块”或“波状”结构，又称电离层不均匀性。