电离层的形成

带电粒子通过碰撞等过程又产生复合，使电子和离子的数目减少；带电粒子的漂移和其他运动也可使电子或离子密度发生变化。电子密度N随时间t的变化дN/дt，是电子生成率Q、电子消失率L和电子因漂移而离开单位体积的速率的代数和。即式中V是电子的漂移速度。在一般情况下，除F2层上部以外，输运项∇·(NV)引起的损失是可以忽略的，所以电子密度达到平衡的条件主要决定于电子生成率和电子消失率。电离过程　中性大气的电离主要是吸收太阳X射线和远紫外线（波长小于0.175微米）辐射的结果。中性大气分子吸收太阳辐射光子的几率用吸收截面σa表示，其定义是吸收能量率与单位面积上入射能量率之比，它与波长有关，而被吸收的光子能产生电离的几率则由电离效率η表示，乘积ησa=σ1称为电离截面。在远紫外区，σa的最大值可达10-17～10-18厘米2；而在X射线范围则小得多。对于原子型气体，η=1，即所吸收的能量全部用于产生电子-离子对。对于分子型气体，则η＜1。最早提出电离层形成理论的是英国S.查普曼。20世纪30年代初，他假设：①进入大气层的太阳辐射为单色波，②大气成分单一、温度恒定、密度水平分层且随高度按指数律减小。在这两个条件下，对电子密度随高度的分布进行计算，得到了第一个理论模式，后人称为查普曼模式。如果辐射进入的方向与天顶成角χ（称为天顶角），则由于沿途受到气体的吸收，到达高度为h的辐射通量ϕ(λ)将比进入大气之前的通量ϕ∞(λ)减弱e-τ倍，而τ=nσaHsecχ，其中n为气体中性粒子的密度，是高度的函数，H为标高。由此可见，τ是度量吸收程度的指标，称为光学深度，它是高度的函数。将τ=1定义为单位光学深度，在它所对应的高度以下，入射辐射通量很快地趋近于零，即接近被完全吸收。如果去掉温度恒定的假设，则标高也将随高度而变，密度n也不再是高度的简单函数。此外，当天顶角χ相当大时，由于地球的曲率不能忽略而使大气平面分层的假设不再成立，于是τ值必须修正。电子生成率　中性气体吸收太阳辐射能量后发生电离。单位体积内每秒产生的电子数，即电子生成率Q，同太阳辐射通量ø、中性粒子的密度n和它的电离截面σ1成正比：Q=nσ1ϕ∞（λ）e-τ。由于n和τ都是高度h的函数，故Q也随高度变化。在较高的高度上，辐射通量虽强，但粒子密度却小；辐射深入大气层后，虽然能遇到更多的可电离粒子，但辐射通量因沿途被吸收而大大衰减。这两种因素相互制约，使得电子生成率在中间某一高度hm上达到最大值Qm。求Q表达式的极值，可以证明hm即在τ＝1处，因此，可以很容易地求出Qm和hm的值，并进而求得Q值随高度而变化的关系。图1表示了不同天顶角情况下Q值的差别。图中横坐标为比值Q（χ）/Qm0，Q（χ）是天顶角χ时的Q值，Qm0是天顶角χ＝0时电子生成率的最大值。纵坐标为约化高度ζ，ζ=(h-hm0)/H，hm0是电子生成率取Qm0时所对应的高度。由图可见，当χ增加时，Q的极大值变小，且其取极大值的高度向上移动。电子的消失　当不考虑电子的漂移运动时，单位体积每秒消失的电子数，称为电子消失率L。电子的消失主要有两种类型，一种是电子和正离子的复合，另一种是电子附着到中性粒子上，变成负离子。电子和正离子的复合有时伴随着光子的辐射，其反应式为：X e-─→X (hv)，其中X代表中性粒子。因复合引起的电子消失率同电子密度N和正离子密度[X ]的乘积成正比，如[X ]和N相等，则L=α[X ]N=αN2，α称为复合（或辐射复合）系数，是高度的函数。电离与复合达到平衡时，Q=L，因而Q=αN2，或N=(Q/α)½。将图1所表示的Q/Qm0与ζ的关系代入，可得：，式中Nm0为χ=0时最大电子密度。具有这种电子密度与高度关系的简单层称为查普曼层（图2）。这种描述叫查普曼模式。将上式对ζ取导数并令其等于零，即可求得电子密度最大值的高度hm。除χ=0的情况外，hm与出现电子生成率最大值的高度hm是不同的。图2虚线是将上式展开后略去高于二次的项所得的抛物线近似。符合这种关系的层次称为抛物线层，在处理实际问题中，这种近似常被采用。电子附着到中性粒子M上，变成负离子的电子消失过程，反应式为：M e-──→M-。由于中性粒子的密度[M]远大于电子密度N，所以附着引起的电子消失率主要由N决定，即L=βN，β称为附着系数，也是高度的函数。当电离和消失相平衡时，Q=βN。在大部分电离层中，电子的消失不是单纯的复合或附着过程，而是下列两步过程的联合，即①X A2→AX A；②AX e-→A X。这里A2代表一种分子，例如O2或N2。上述反应称为离解复合。反应①也是一种附着反应，它的速率为β[X ]，而反应②的速率为α[AX ]N。在电离层较低部分β的值大，因此所有的X 迅速变成AX ，故总的反应率是由反应②所控制，即整个说来过程是α型的。在电离层较高部分β的值小，因而反应①相当慢并控制总反应率；由于[X ]=N，所以整个说来过程是β型的。这样，当高度增加时，反应将逐渐从α型转变成β型。电子的扩散　由于只是研究电子运动引起的电子密度随高度的变化，所以，只涉及电子在垂直方向的漂移运动，这种漂移可以假定主要是由垂直扩散作用引起的，即式中D是电子的扩散系数。于是，它表示在单位时间内单位体积中由于扩散引起的电子数的变化。在垂直运动中还必须考虑重力的影响，它使电子或离子向下运动，与扩散的方向相反。在电离层中，由于电子和正离子的质量不同，在向上扩散的过程中电子群和正离子群将分开一段距离，使两者之间产生一电场。该电场同重力场保持平衡，从而使正负电荷保持一定距离而一同扩散(相对于中性气体)。这种扩散称为双极扩散。双极扩散的扩散系数DP与电子的扩散系数D不同。计算表明，当电离达到平衡态时，在扩散情况下等离子体按高度有指数型的分布　，电子密度随高度的增加而呈指数下降。HP为等离子体的标高，比中性大气标高要大。和其他电子消失过程比较，电离层中垂直扩散的重要性决定于等离子体扩散系数DP与复合系数的相对大小。以上只是分析了单色辐射进入成分单一、温度恒定的大气而产生简单电离层的经过。实际上电离辐射有多种波段；大气在不同高度上温度和气体组成都是不同的，对辐射的吸收截面也都不同，因而辐射的单位光学深度也不同；各种气体的分子原子还有不同的电离电位。在这些复杂因素的支配下，电离层从下向上，形成D、E、F1及F2等层次（见电离层结构）。参考书目　赵九章等编著：《高空大气物理学》上册，科学出版社，北京，1965。 2100433B

大气的电离主要是太阳辐射中紫外线和X射线所致。此外，太阳高能带电粒子和银河宇宙射线也起相当重要的作用。地球高层大气的分子和原子，在太阳紫外线、Χ射线和高能粒子的作用下电离，产生自由电子和正、负离子，形成等离子体区域即电离层。电离层从宏观上呈现中性。电离层的变化，主要表现为电子密度随时间的变化。而电子密度达到平衡的条件，主要取决于电子生成率和电子消失率。

电子生成率是指中性气体吸收太阳辐射能发生电离，在单位体积内每秒钟所产生的电子数。电子消失率是指当不考虑电子的漂移运动时，单位体积内每秒钟所消失的电子数。带电粒子通过碰撞等过程又产生复合，使电子和离子的数目减少；带电粒子的漂移和其他运动也可使电子或离子密度发生变化。

电离层中的自由电子在电场的作用下，其运动方式是随机的热运动与有规则的振动相叠加。在与其它较重粒子碰撞时，其振动动能由被撞的粒子吸收，而这种动能是由对电子施力的电磁场能流转化而来，因此碰撞使电磁波受到吸收衰减。在D层，由于大气密度高，碰撞频率约有8×107次/秒。在F层，除在太阳爆发时（热骚动）以外，其碰撞几乎可以忽略。电离层中自由电子的运动还受地磁场的影响。电子热运动的轨迹并不是直折线。在电离层中有外电磁场作用时，由于电离程度弱，电荷之间的相互作用以及电磁波中的磁场对电子的作用都相对很弱，决定电子有规运动的力来自电磁波的电场和地磁场。地磁场力的方向正交于地磁场与电子速度所共的平面，使电子随时得到横向加速度，因而电子的有规振动不与电场共直线，于是等效电极化强度矢量与电场强度矢量不平行。电离层在地磁场影响下成为磁旋各向异性媒质。电离层的等效折射率具有双值n1、n2，且与波的传播方向和地磁方向的夹角有关，在n1、n2，都是实数的情况下，n1