电离层物理与电波传播2

O N2 N NO NO e N O ， 前者反应很快，后者很慢，那么后一个反应控制整个过程的速率。反之， 前一个反应控制整个过程的速率。
时间常数
在复杂的问题中，估计和比较两种不同的过程的时间常数，可以判断哪 种过程起控制作用。 比如，在电离层中，化学过程和扩散过程都具有潜在的重要性。不过， 在某些高度上，化学过程比输运过程慢得多，对这样的区域，可以只考 虑输运过程而忽略化学过程，在顶部电离层，情况大致如此；反之，化 学过程输运过程的时间常数相比，化学过程的时间常数短得多，可以只 考虑化学过程而忽略程输运过程，在 E 层和 F1 层，情况大致是如此。 影响电离层中化学反应速率的因素有多种。一般地讲，参与反应的成分 和密度与反应速率直接有关。此外，参与反应的成分的运动速率和温度 或碰撞频率也影响反应速率。获得反应速率定量的信息相当困难。
z 是约化高度， z ( h hm,o ) / H 。 将 ne( z )对 z 求导数，忽略 的高度变化，可以得到，当
ez cos
时，电子密度取极大值 nm nm,o cos1 / 2 ，
可见，电子密度极大以 cos1 / 2 的形式随天顶角变化。一个具有 这样性质的层称作 -Chapman 层。 在电离层中，E 层和 F1 层的属性最接近 -Chapman 层。
q=(1+)eNeNe=(1+)eNe2 由此可见，存在负离子时，生成率平方根仍然正比于平衡态电子密度， 仅仅数量上有变化。因子(1+)(e+i)常常称为等效复合系数。=0 对应不存在负离子的情况。
E 层和 F1 层
E 层电子密度峰值大约出现在 105 到 110km 高度。
E 层的形成与穿透较深、吸收不是很强的那部分太阳辐射有关。在
O+ N2 NO+ +N
NO+ e N O
NO+ 是中间成分，两步过程的后一步称作离解性复合。
此外，电离层中还有一类化学反应，称作附着性复合，典型的反应式是，
e X X Y X X Y 。
总结上面的讨论，带电粒子可以通过下面几种不同类型的反应而消失。
1、辐射性复合。电子与原子态正离子复合并伴有光子辐射。化学反
在较低高度区域， 很大，前一方程反应很快，所有的 O+都很快转换为 NO+ 或 O2+；这样 [NO ] Ne ，整体反应速率由后一方程控制，所以是 型过程。
在较高高度上， 很小，第一个方程反应很慢并控制整体反应速率。这样 [O+]=N，整个反应表现为 型。
随高度增加，反应由 型向 型转化。
光学深度的定义改为，
(
h,

,

)

h


nj
(
h
)
j
(

)ds
。
j
显然，对于辐射强度恒定的单色辐射、具有单一成分且其分布是具有 恒定标高的指数分布，光学深度依然是， n H sec 。
接近实际电离层的条件下，作为高度、辐射能量和天顶角的函数的电离 生成率表达式为，
qe ( E ,h, )
对上式的积分，得到太阳辐射通量强度作为高度、波长和天顶角的函 数的表达式
h

I( h, , )
I ( )exp


j
nj ( z ) j ( )ds I ( ) ( h, , )

式中 I大气层之外的太阳辐射通量强度，积分沿光学路径进行。这样，
其次，Chapman 假定只有一种大气成分，且按指数分布，具有恒定的标 高。实际上，大气中同时存在多种气体成份，它们的高度变化（标高） 各不相同。
此外，吸收截面也不是恒定的，它随辐射波长变化而变化。
最后，精确地讲，地球大气也不是平面分层的。最后这一点对大的天顶 角(接近日出和日落)特别重要。
按照 Chapman 生成理论，太阳辐射所致电子-离子对的生成率为
nj( h)
jl 0
I
exp[ ( ,h,
)]
l j
(

)pj( ,El
)d
lj
式中
l j
(

)
是波长依赖的总电离截面，pj (

,
El
) 是给定最终离子状态的
分支比，对应的能量水平为 El ，E E El ，E 是对应波长为的辐射
能量， jl 是第j种大气中性成份的电离阈值波长。

N
2
e
O e O
N e N
NO e O N
O2 e O O
N
2

e

N

N
N
2

O

NO

N
O N2 NO N
e O O
O O O O
N
2

O

O

N2
N
2

O2
O2

N
O O2 O2 O
电离层化学反应速率
了解电离层电离密度随时间的变化，需要知道各种化学反应速率的信息。 如果比较两种不同化学反应的时间常数或反应速率，一种反应比另一种反 应慢得多，反应比较快的过程，其作用更大。比如，离解复合反应的反应 系数约 10-13m3/s，比辐射性复合反应要快 105 倍，离解复合反应更有效。 如果复合分前后关联的两步过程实现，那么，反应速率较慢的过程对复合 起控制作用。比如以下前后关联的两步过程,
应式是：
e X X * h 。
2、离解性复合。电子与分子态正离子复合。化学反应式是：
e XY X Y 或者
e

X
2

X

X
。
在很多情况下，反应是分两步实现的，比如，
Y2 X XY Y
e XY X Y
3、附着性复合。电子附着在中性原子上形成负离子。化学反应式是：
因为生成物由反应物直接产生，电荷交换反应也称作初级反应。
在地球电离层， O+ 直接与电子复合，
e O O* h ，
称作辐射性复合。辐射性复合过程非常慢,反应速的要求不容易满足，因此，在大多
数情况下， O+ 通过多步过程复合，多步过程涉及中间成分。例如，
电离层物理与电波传播
电离层生成理论 2
接近真实电离层的光电离生成
Chapman 生成理论采用了一些简化假设，这些简化假设，与真实的电离 层条件差别很大，只能在原理上反映电离层的生成过程。接近真实的电 离层建模，需要掌握接近真实的光电离过程。
首先，Chapman 假定太阳辐射是单色的，强度恒定。实际上，太阳辐射 不是单色的，含有对光电离有效的各种波长的辐射，并且不同波长的辐 射，其强度也不同。
aA bB cC dD
式中 A 和 B 代表反应物，C 和 D 代表生成物，a,b,c 和 d 代表反应中 涉及的各种成分的粒子数目。
这类化学反应的一个典型例子是 O2 与电子的离解复合反应
O2 e O+O
反应可以双向进行，称作可逆反应，代表性的例子是电荷交换反应
O+ H H + +O
q nI ，
辐射强度 I 的衰减等于单位时间和单位体积内大气吸收的总能量，
dI / ds I n dI I nds ，
如果考虑多种大气成分，对第 j 种大气成分
qj nj I j
dI j I j njds ，
如果不仅考虑多种大气成分，还考虑强度各不相同的多种波长的辐射， 则对波长 l 的辐射和第 j 种大气成分
kf
H O H O kr
k f 2.51011 [Tn T( O ) / 16 1.2108( u( O ) un )2 ]1/ 2 kr 2.2 1011 [T ( H ) Tn / 16 1.2 108( u( H ) un )2 ]1/ 2
当输运过程可以忽略时，电子密度随时间的变化仅取决于电离 生成和复合两者的平衡。这种平衡称作光化学平衡。
在电离层 D 层、E 层和 F1 层，光化学过程起支配性的作用，与 光化学过程比较，可以忽略输运过程。电离生成和复合两者的 平衡决定电子密度随时间的变化。
按光化学过程和输运过程相对重要性，F 层大致可以 分三个子区域。最低的区域，约 200km 以下，光化 学过程起支配性的作用，可以忽略输运过程，电离层 处于光化学平衡状态；在 F2 层峰区附近，控制作用 从光化学过程向输运过程过渡，光化学过程和输运过 程同时起作用，两者都不能忽略；在最高的部分，即 顶部电离层，输运过程起支配性的作用，可以忽略光 化学过程，即可以有近似， q L 0 。
e X X
Y X X Y 。
4、电荷交换反应。化学反应式是：
X Y X Y
在电离层中，化学过程包括光电离、离子-分子反应和电子-离子复合。除最
低的区域(比如 D 层)外，主要的化学反应如下：
O h O e
O2 h O2 e
N2

h
q jl ( l ) ( l )nj I jl ( l ) dI jl I jl ( l ) ( l )njdsl
对辐射强度恒定的单色辐射，多种大气成分引起的辐射强度衰减总量 应该改写为
dI( h, , ) I( h, )nj ( z ) j ( )ds j
-Chapman 层
假定不存在负离子，电子与正离子直接复合，
X++eX 或 X2++eX+X 用 N+表示正离子密度，用 Ne 表示电子密度，此时，电离