电离层物理与电波传播1

这样得到电子-离子对的生成率为 q nI ，
式中 q 表示电离生成率， 是密度为 n 的中性成分的吸收截面，
I 是太阳辐射强度， nI 表示单位时间和单位体积内中性大气粒子 吸收的总能量， 是电离效率，即被吸收的辐射能量的多大部分 有效用于电离过程。
为了得到电离生成函数，ຫໍສະໝຸດ hapman 首先作如下四个简化 假设： 1、 大气层是平面分层的，在水平面内没有任何变化。 2、 大气由单一成分构成，随高度指数分布且具有恒定
和 qo I eH
qo 是天顶角 0 时的最大生成率。显然， qo 与 qm 的关系为
qm qo cos
Chapman 生成函数
如果气体密度分布满足 n no exp( h / H )，则 nm no exp( hm / H )
代入 Hnm sec 1，则
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
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 和 O。
参考书目：
1、 J.A. 拉特克利夫，电离层与磁层引论，科学出版社，吴雷， 宋笑亭译，1980。
2、 Kelley, M.C., The Earths Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynomics, ACADEMIC PRESS, INC., 1989.
• 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。
• 由于他的“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。
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；在高纬地区，粒子沉降是附加电离源。
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。
ne t

q L （ neVe
),
在顶部电离层和等离子层，可以近似认为 q L 0 ，电离密度随时间 的变化由输运过程起支配性的作用。连续性方程近似为，
ne / t ( neV ) ，这是扩散平衡区域。
Chapman 电离生成理论
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， 光化学反应可表示为：
生成率 q 出现极大值的条件为： dq / ds 0 ，依据 q nI ，则有，
[ d ln( n ) / ds ]max [ d ln( I ) / ds ]max 0
（ 和 是常数）
按照假设，大气由单一成分构成，且随高度指数分布，标高 H 恒定，则
n noeh / H ，其对路径微分得到， dn / ds cos dn / dh=ncos / H ，即， d ln n / ds= cos / H
电离层的主要特性之一是在大的几何尺度上具有水平分层结构。也 就是说，电离层各种物理参数的变化，在垂直方向上远比在水平方向上 大。因此，作为初级近似，可以合理地假定电离层是水平分层的。
地球高层大气的垂直分层结构
沿垂直方向，电离层分为四个特征区域，分别是 D 区、E 区、 F1 区和 F2 区，F1 区和 F2 区有时也统称为 F 区。不同的层之间 并没有明确的边界和极小。
的标高， n noeh / H , H T / mg ，标高 H 是常数。 3、 辐射是单色的，具有恒定的波长，因此，吸收截面
也是常数。 4、 被吸收的太阳辐射正比于气体粒子的密度。
辐射吸收与电离
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 ds dh sec
在白天，四个层区的大致高度范围和电子密度为： D 区 60-90km， 108 -1010m-3 E 区 105-160km， 1010-1011m-3 F1 区 160-180km， 1011-1012m-3 F2 区 200km 以上，最大电子密度高度在 300km 上下， 对应的最大电子密度为 1012-1013m-3
• 在1925到1935年之间有许多版本的磁离子 理 论 发 表 ， 其 中 最 著 名 的 是 Edward V. Appleton以摘要形式发表于1928年7月， 以完整形式发表于1932年的理论。该理论 包含复折射指数和极化电波在离化介质和 磁场中传播的公式。
• 传播方程以Appleton-Hartree命名。
电离层的高度范围
• 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。
• 一些数学物理学家试图用光学中的衍射理论解释电波 沿地球表面传播 — 问题是物理实验表明衍射理论 并不能解释电波从英国到新大陆传播所需的弯曲量。
• 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。 这种导电层的理论存在了近20年的争议。
• 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。
电离层的一般特征
电离层是离地表最近的大气电离区域，其中有充分多的自由电子和 正离子，足以对无线电波传播产生重要影响。对任意给定的宏观区域， 都有相同数量的正、负带电粒子。因此整体上电离层介质呈电中性。
尽管与中性气体相比，带电粒子在数量上所占比例非常小，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 到微波的各个波段无线电波的传播， 对短波传播的影响最为显著。
Hno exp( hm / H ) sec 1
或
exp( ho / H ) Hno
式中 ho 是 0 时的最大生成率高度，hm 是天顶角 为任意值时的最大生成
率高度。比较上面两个表达式，两个高度 ho 与 hm 满足关系，
exp( hm / H ) sec exp( ho / H )
对电离密度时间变化率，在不同的高度区域，连续性 方程右端各项的相对重要性是变化的。
在较低的高度，比如 E 层和 F1 层，起支配作用的是生成和消失过 程，电离运动的影响是次要的，可以忽略。连续性方程近似为，
ne / t q L , 这是光化学平衡区域，主要在 E 区和 F1 区。 在 F2 层峰区，光化学过程和电离输运过程同等地重要，情况最复 杂。在 F2 层峰区，必须同时考虑连续性方程右端三项的贡献
利用 dI / ds= nI 和 s h sec ，并把 n no exp( h / H ) 代入，则
dI / dh Ino exp( h / H ) sec
积分上面的方程得到， I I exp{ noH exp( h / H ) sec }
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。
Chapman 最早研究了电离层生成理论，得到 Chapman 电离生成 函数。它可以在理论上预测具有单一层状结构的电离层高度剖面 的形状及其在一天里随天顶角的变化。
按照 Chapman 生成理论，电子-离子对的生成率与电离辐射强度、 中性气体成分的密度、中性气体的辐射吸收截面以及电离效率 这四个因素有关。
电子密度随时间的变化服从连续性方程，
ne t

q L （ neVe
),
方程中 q 和 L 分别是单位时间和单位体积内的电子
生成率和消失率，右端第三项 （ neVe )代表在给定区
域内、由输运过程引起的电子密度 ne 随时间的变化，
Ve 是电子的宏观运动速度。neVe 表示电子数通量密度。
定义光学深度 Hn sec ，则 q=max 1。
由此得出一个结论，最大电离生成率出现在光学深度 等于 1 的高度。
最大生成率
若用 I 表示达到大气层之前的辐射强度，对 dI / ds nI 积分得到
ln( I / I ) nds Nmax ( )
X h X e 例如： O h O e （反应是可逆的）
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。 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，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。
式中 I 是辐射强度，是吸收截面，n 是大气成分的数密度。h 是高度，向上 为正，ds 是长度元，s 是平行于辐射向
下入射方向的斜路径， 是天顶角。
若单位能量产生 个电子-离子对，那 么单位体积内生成率 q 为，
q dI / ds nI
辐射强度衰减示意图
光学深度与最大生成率高度
前面已经证明，在生成率极大高度上， Nmax ( ) 1 ， 因此， Im / I e1 把 nm ( H sec )1 和 Im Ie1 代入 q nI ，可以得到天顶角为 时和天顶角 0 时的最大生成率为，