中低纬电离层现象2014
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• 1924年Appleton和Barnet利用无线电波实验 ，证明电离层的存在，并确定了电离层的高度。 1925年Breit和Tuve确认了Appleton的实验， 并研制出最早的电离层无线电探测设备：垂测仪 ，一直沿用至今。
• 电离层的发现成为空间物理学发端的标 志。在电离层的发现和无线电波传播理 论的发展中，Appleton的贡献最为突 出。
❖ 电离层的一般特征
电离层是离地表最近的大气电离区域，也是对人类生活有最直接影响的大气 电离区域。 电离层中有充分多的自由电子和正离子。在任意给定的宏观区域都有相同数 量的正、负带电粒子。从整体上看，电离层呈电中性。 尽管中性气体相比，等离子体在数量上所占比例非常小的，约 1%或更小， 但它们的存在非常显著地改变了大气的电性质，使这部分大气可以承载电 流，并且强烈影响从 VLF 波到微波的各个波段的无线电波的传播。对短波的 传播影响最为显著。 按照国际无线电工程师协会（IRE）标准，电离层的定义是：“地球大气层的 一部分，其中存在的离子和电子在数量上多到足以影响无线电波的传播。”
•极尖极Hale Waihona Puke Baidu区
电离层的生成理论 简介
❖ 太阳辐射与电离
太阳远紫外辐射和 X 射线辐射作用于地球中性大气，使中性大气粒子电离，生成电子-
离子对。设 X 是某种大气成分的分子或原子，按照质量作用定律，
X h X e
例如： O h O e
这样就产生了这种大气成分的正离子和自由电子。反应是可逆的。
❖ 中纬和低纬赤道区电离层的规则变化和异常； ❖ 随机出现的扰动和不规则结构。
电离层的发现 电离层的定义
电离层探测 都与电波传播有非常密切的联系
电离层的发现
• 自从1901年Marconi成功进行了跨越大西洋的 无线电传输试验，科学工作者就开始解释电波传 播的方式。
• 1902年，Kennely与Heaviside独立提出，存在 一个由自由电荷组成的、能反射电磁波的导电层 。对于这种导电层的理论，存在了近20年的争议 。
中低纬电离层环境
电离层环境及其变化的理论基础是等离子体电动力学和光化学。 电离层在很大程度上是以规则的可预测的方式变化的。不过，即便是规 则变化有时也与理论的预期不一致（电离层异常现象）。而且，由于地 球空间环境的复杂和多变性，在现实中，有许多偶发因素起作用，使电 离层环境更为复杂化。比如： 电离层的时空结构，除了规则变化，还经常包含随机出现的扰动和不规 则结构，电离层暴这种重要的扰动现象随时可能发生。 这一章将讨论两个主题：
辐射强度和中性大气成分的数密度是控制电离速率的两种基本因素。
在白天，引起电离的太阳辐射强度随太阳的天顶角变化，中午最强，电子密度的大小
也大致随太阳的天顶角变化。在夜间，来自太阳的辐射源不存在，电子密度逐渐减小。
这样，在给定地点，太阳辐射存在日变化，电离层电子密度也有明显的日变化。
因为辐射强度随高度降低而减弱，引起电离的能力也随高度降低而减弱；另一方面，
对应的最大电子密度为 1012-1013m-3 D 区和 F1 区在夜间消失。E 区在夜间变得很弱。F2 区在白天和夜间都 存在，不过，在夜间电子密度数值比白天小。
• 电离层垂直结构示意图
沿南北方向，习惯上电离层也可以分为几个特征区。不同的区域之间没有明 显的边界，并且还会随地磁扰动情况移动。它们分别是： 低纬赤道电离层：
中性大气密度随高度降低而增大，吸收的辐射能量产生电子-离子对的数量随高度降低
而增加。可见，上述两种因素随高度变化的倾向相反。
由此可以推断，电离密度还应该随高度变化，并且电离密度可能在某个高度上存在一
个极值。
❖ 电离密度的时间变化*连续性方程
在太阳辐射作用下，大气层的部分中性气体发生电离，生成大 量自由电子-离子对，从而形成电离层。 电离过程所涉及的主要中性气体成分是 O2、N2、O 和 H。 在中低纬，电离所需要的能量主要来自太阳的远紫外和 X 射线 辐射。 光电离产生的电子-离子对，既可能通过复合消失，也可能与其 它气体成分重新反应产生新的离子，还可以通过扩散或漂移从 一处运动到另一处。这样，就存在一个动态平衡，局部区域内， 带电粒子密度的时间变化依赖于生成、消失和输运过程的平衡。
• 因为他的“对于外层大气物理现象的探 索，特别是阿普尔顿层的发现”， Appleton于1947年荣获诺贝尔物理学 奖
• 空间物理学研究领域的唯一诺贝尔奖获 得者
电离层和磁层
• 地球电离层指地球高层大气中被部分电离的区 域，通常指地面以上60-1000公里的高度范围 。按照国际无线电工程师协会(IRE)的定义， 电离层是地面60km以上到磁层顶之间的整个 空间，在那里“存在着大量的自由电子，足以 影响无线电波的传播”；而磁层则是“地磁场 对电子运动有决定性影响的那部分电离层”。 电离层与磁层没有明确的分界，通常把1000 公里作为电离层上边界。
大致在磁纬 20N 至磁纬 20S 之间。低纬赤道电离层中重要的现象有电离 层赤道异常、赤道扩展 F、赤道电集流和电集流中的不规则结构或赤道 Es。 中纬电离层：
大致从南北半球磁纬 20至 60。 中纬槽区或亚极光区：
等离子体层顶沿磁力线向下投影到电离层高度所在的纬度至极光带的朝 赤道一侧的边界之间的区域，极光带的朝赤道一侧的边界对应等离子体片内 边界沿磁力线向下投影到电离层高度所在的纬度。 极光带或极光卵：大致在磁纬 67至 77之间，纬度范围有很大可变性。 极盖区：电离层高度上，开放磁力线所包围的区域。
沿垂直方向，电离层可以分为几个特征区域，在垂测的电离图上，它 们的特征不同。不过，不同的层区之间并没有明显的边界。 主要的四个区域是 D 区、E 区、F1 区和 F2 区。F1 区和 F2 区有时也统称 为 F 区。 在白天，四个区的大致高度范围和电子密度分别为：
D 区 60-100km， 108 -1010m-3 E 区 100-160km， 1010-1011m-3 F1 区 160-200km， 1011-1012m-3 F2 区 200km 以上， 最大电子密度高度在 350km 上下，
• 电离层的发现成为空间物理学发端的标 志。在电离层的发现和无线电波传播理 论的发展中，Appleton的贡献最为突 出。
❖ 电离层的一般特征
电离层是离地表最近的大气电离区域，也是对人类生活有最直接影响的大气 电离区域。 电离层中有充分多的自由电子和正离子。在任意给定的宏观区域都有相同数 量的正、负带电粒子。从整体上看，电离层呈电中性。 尽管中性气体相比，等离子体在数量上所占比例非常小的，约 1%或更小， 但它们的存在非常显著地改变了大气的电性质，使这部分大气可以承载电 流，并且强烈影响从 VLF 波到微波的各个波段的无线电波的传播。对短波的 传播影响最为显著。 按照国际无线电工程师协会（IRE）标准，电离层的定义是：“地球大气层的 一部分，其中存在的离子和电子在数量上多到足以影响无线电波的传播。”
•极尖极Hale Waihona Puke Baidu区
电离层的生成理论 简介
❖ 太阳辐射与电离
太阳远紫外辐射和 X 射线辐射作用于地球中性大气，使中性大气粒子电离，生成电子-
离子对。设 X 是某种大气成分的分子或原子，按照质量作用定律，
X h X e
例如： O h O e
这样就产生了这种大气成分的正离子和自由电子。反应是可逆的。
❖ 中纬和低纬赤道区电离层的规则变化和异常； ❖ 随机出现的扰动和不规则结构。
电离层的发现 电离层的定义
电离层探测 都与电波传播有非常密切的联系
电离层的发现
• 自从1901年Marconi成功进行了跨越大西洋的 无线电传输试验，科学工作者就开始解释电波传 播的方式。
• 1902年，Kennely与Heaviside独立提出，存在 一个由自由电荷组成的、能反射电磁波的导电层 。对于这种导电层的理论，存在了近20年的争议 。
中低纬电离层环境
电离层环境及其变化的理论基础是等离子体电动力学和光化学。 电离层在很大程度上是以规则的可预测的方式变化的。不过，即便是规 则变化有时也与理论的预期不一致（电离层异常现象）。而且，由于地 球空间环境的复杂和多变性，在现实中，有许多偶发因素起作用，使电 离层环境更为复杂化。比如： 电离层的时空结构，除了规则变化，还经常包含随机出现的扰动和不规 则结构，电离层暴这种重要的扰动现象随时可能发生。 这一章将讨论两个主题：
辐射强度和中性大气成分的数密度是控制电离速率的两种基本因素。
在白天，引起电离的太阳辐射强度随太阳的天顶角变化，中午最强，电子密度的大小
也大致随太阳的天顶角变化。在夜间，来自太阳的辐射源不存在，电子密度逐渐减小。
这样，在给定地点，太阳辐射存在日变化，电离层电子密度也有明显的日变化。
因为辐射强度随高度降低而减弱，引起电离的能力也随高度降低而减弱；另一方面，
对应的最大电子密度为 1012-1013m-3 D 区和 F1 区在夜间消失。E 区在夜间变得很弱。F2 区在白天和夜间都 存在，不过，在夜间电子密度数值比白天小。
• 电离层垂直结构示意图
沿南北方向，习惯上电离层也可以分为几个特征区。不同的区域之间没有明 显的边界，并且还会随地磁扰动情况移动。它们分别是： 低纬赤道电离层：
中性大气密度随高度降低而增大，吸收的辐射能量产生电子-离子对的数量随高度降低
而增加。可见，上述两种因素随高度变化的倾向相反。
由此可以推断，电离密度还应该随高度变化，并且电离密度可能在某个高度上存在一
个极值。
❖ 电离密度的时间变化*连续性方程
在太阳辐射作用下，大气层的部分中性气体发生电离，生成大 量自由电子-离子对，从而形成电离层。 电离过程所涉及的主要中性气体成分是 O2、N2、O 和 H。 在中低纬，电离所需要的能量主要来自太阳的远紫外和 X 射线 辐射。 光电离产生的电子-离子对，既可能通过复合消失，也可能与其 它气体成分重新反应产生新的离子，还可以通过扩散或漂移从 一处运动到另一处。这样，就存在一个动态平衡，局部区域内， 带电粒子密度的时间变化依赖于生成、消失和输运过程的平衡。
• 因为他的“对于外层大气物理现象的探 索，特别是阿普尔顿层的发现”， Appleton于1947年荣获诺贝尔物理学 奖
• 空间物理学研究领域的唯一诺贝尔奖获 得者
电离层和磁层
• 地球电离层指地球高层大气中被部分电离的区 域，通常指地面以上60-1000公里的高度范围 。按照国际无线电工程师协会(IRE)的定义， 电离层是地面60km以上到磁层顶之间的整个 空间，在那里“存在着大量的自由电子，足以 影响无线电波的传播”；而磁层则是“地磁场 对电子运动有决定性影响的那部分电离层”。 电离层与磁层没有明确的分界，通常把1000 公里作为电离层上边界。
大致在磁纬 20N 至磁纬 20S 之间。低纬赤道电离层中重要的现象有电离 层赤道异常、赤道扩展 F、赤道电集流和电集流中的不规则结构或赤道 Es。 中纬电离层：
大致从南北半球磁纬 20至 60。 中纬槽区或亚极光区：
等离子体层顶沿磁力线向下投影到电离层高度所在的纬度至极光带的朝 赤道一侧的边界之间的区域，极光带的朝赤道一侧的边界对应等离子体片内 边界沿磁力线向下投影到电离层高度所在的纬度。 极光带或极光卵：大致在磁纬 67至 77之间，纬度范围有很大可变性。 极盖区：电离层高度上，开放磁力线所包围的区域。
沿垂直方向，电离层可以分为几个特征区域，在垂测的电离图上，它 们的特征不同。不过，不同的层区之间并没有明显的边界。 主要的四个区域是 D 区、E 区、F1 区和 F2 区。F1 区和 F2 区有时也统称 为 F 区。 在白天，四个区的大致高度范围和电子密度分别为：
D 区 60-100km， 108 -1010m-3 E 区 100-160km， 1010-1011m-3 F1 区 160-200km， 1011-1012m-3 F2 区 200km 以上， 最大电子密度高度在 350km 上下，