电离层物理与电波传播1

为了得到电离生成函数， 为了得到电离生成函数，Chapman 首先作如下四个简化 电离生成函数 假设： 假设： 1、大气层是平面分层的， 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 2、大气由单一成分构成， 恒定的标高， 恒定的标高， n = noe − h / H , 截面也是常数。 截面也是常数。 也是常数 4、被吸收的太阳辐射正比于气体粒子的密度。 4、被吸收的太阳辐射正比于气体粒子的密度。
参考书目： 源自文库考书目：
拉特克利夫，电离层与磁层引论，科学出版社，吴雷， 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。 笑亭译，1980。 叶公节，刘兆汉，电离层波理论，科学出版社，王椿年， 2、 叶公节，刘兆汉，电离层波理论，科学出版社，王椿年，尹元昭 译，1983。 1983。 3、 电磁波传播原理，侯杰昌著，武汉大学出版社，1991。 电磁波传播原理，侯杰昌著，武汉大学出版社， 991。 Earth′ 4、 Kelley, M.C., The Earth′s Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynomics, ACADEMIC PRESS, INC., 1989. 5、 Schunk, R.W., Ionospheres: Physics, Plasma Physics, and Cambridge Chemistry, Cambridge University Press, 2000.
∂ne = q − L − ∇ （ neVe ) , ⋅ ∂t
顶部电离层和等离子层 电离层和等离子层， 电离密度随时间的 随时间的变化 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， 由输运过程起支配性的作用。连续性方程近似为， 起支配性的作用 近似为
在电离层发现的初期， 最早研究了电离层生成理论 电离层生成理论。 在电离层发现的初期，Chapman 最早研究了电离层生成理论。研究结 电离生成函数 生成函数。 可以在理论上预测具有单一层状 具有单一层 果得到 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如何随天顶角变化。 结构的电离层高度剖面的形状及其在一天里如何随天顶角变化。 的电离层高度剖面 生成理论，电子-离子对的生成率与电离辐射强度 电离辐射强度、 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 以及电离效率 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。 因素有关。 这样得到电子这样得到电子-离子对的生成率为
电子密度时间的变化服从连续性方程， 电子密度时间的变化服从连续性方程， 变化服从连续性方程
∂ne = q − L − ∇ （ neVe ) , ⋅ ∂t
单位时间和单位体积内的电子生 方程中 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、 代表在给定区域内、 成率和消失率， ⋅
H = κ T / mg 。标高 H
是常数。 是常数。
3、辐射是单色的，具有恒定的波长，因此， 3、辐射是单色的，具有恒定的波长，因此，吸收
辐射吸收与电离
辐射强度 的衰减等于单位时间和 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， 积内大气吸收的总能量， 大气吸收的总能量
∂ne / ∂t = −∇ ⋅ ( neV )
这是扩散平衡区域。 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 射线辐射作用于地球中性大气 使中性大气粒子电离，生成电子辐射作用于地球中性大气， 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，生成电子远紫外辐射 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， 离子对。 是某种大气成分的分子或原子，按照质量作用定律，
8 10 -3 10 -10 m 8 10 -3
1010-1011m-3 1011-1012m-3 上下， 最大电子密度高度在 300km 上下，
12 13 -3 对应的最大电子密度为 10 -10 m 12 13 -3
10
11 -3
区在夜间消失。 区在夜间变得很弱。 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。 存在，不过，在夜间电子密度数值比白天小。
V 随时间的变化， 由输运过程引起的电子密度 ne 随时间的变化， e 是电子 输运过程引起的电子 引起的电
表示电子数通量密度 电子数通量密度。 的宏观运动速度。 neVe 表示电子数通量密度。 宏观运动速度。 运动速度 对电离密度时间变化率，在不同的高度区域， 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。 右端各项的相对重要性是变化的。 的相对重要性是变化的
在较低的高度， 起支配作用的是生成和消失过程， 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， 运动的影响是次要的，可以忽略。连续性方程近似为， 近似为
∂ne / ∂t = q − L ,
这是光化学平衡区域， 这是光化学平衡区域，主要在 E 区和 F1 区。 层峰区，光化学过程和电离输 过程同等地重要，情况最复杂。 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 层峰区，必须同时考虑连续性方程右端三项的贡献 同时考虑
沿垂直方向，电离层分为四个特征区域，在垂测的电离图上， 沿垂直方向，电离层分为四个特征区域，在垂测的电离图上，它们有 不同的特征。不同的层之间并没有明显的边界或极小。 不同的特征。不同的层之间并没有明显的边界或极小。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，四个层区的大致高度范围和电子密度为： 在白天，四个层区的大致高度范围和电子密度为： 60-90km， D 区 60-90km， E 区 105-160km， 105-160km， 160-180km， F1 区 160-180km， 以上， F2 区 200km 以上，
q = ησ nI ，
表示电离生成率 电离生成率， 的中性成分的吸收截面， 式中 q 表示电离生成率， σ 是密度为 n 的中性成分的吸收截面， I 是 太阳辐射强度， 表示单位时间和单位体积内中性大气粒子吸收的 中性大气 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 辐射强度 σ 总能量， 电离效率，即被吸收的辐射能量的多大部分有效 有效用于 总能量，η 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。 电离过程。
X + hν ⇔ X + + e
+ 例如： 例如： O + hν ⇔ 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。 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。 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。 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。 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， 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 太阳辐射强度随太阳的天顶角变化 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。 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。 地点， 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， 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， 辐射强度随高度降低 中性大气密度随高度降低而增大， 中性大气密度随高度降低而增大， 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 吸收的辐射能量产生电子而增加。可见，上述两种因素随高度变化的倾向相反。 随高度变化 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 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 个极值。
电离层垂直结构示意图
电离密度的时间变化* 电离密度的时间变化*连续性方程
在太阳辐射作用下， 气层的部分中性气体发生电离，生成大 发生电离 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 形成电离层。 量自由电子-离子对，从而形成电离层。 电子 电离过程所涉及的主要中性气体成分是 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 在中低纬， 辐射。 辐射。 光电离产生的电子-离子对， 电离产生的电子-离子对，既可能通过复合消失， 电子 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 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 或漂移 一处运动到另一处。这样，就存在一个动态平衡， 部区域内， 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、 带电粒子密度的时间变化依赖于生成、 密度的时间变化依赖于生成 消失和输运过程的平衡。 消失和输运过程的平衡。 的平衡
电离层物理与 电离层物理与电波传播
电离层物理与电波传播》 《电离层物理与电波传播》 课 程 内 容 题 纲
电离层及其分层结构 及其分层结构形成的原理过程 1. 电离层及其分层结构形成的原理过程 2. 中低纬电离层电动力学 3. 赤道扩展 F 和 E 层电集流中的不规则结构 4. 高纬电离层电动力学 5. 磁离子理论 6. 电磁波在色散介质中的传播 7. 射线理论和射线追踪 8. 垂测与斜向传播
电离层的一般性质
电离层是离地表最近的大气电离区域， 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大影响的大气电 离区域。 离区域。 电离层中有充分多的自由电子和正离子， 电离层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。 在任意给定的宏观区域内 都有相同数量的正、负带电粒子。从整体上看， 在任意给定的宏观区域内，都有相同数量的正、负带电粒子。从整体上看， 电离层介质呈电中性。 电离层介质呈电中性。 尽管在数量上带电粒子仅仅是中性气体粒子的非常小的一部分(1%或更小) 尽管在数量上带电粒子仅仅是中性气体粒子的非常小的一部分(1%或更小)， 在数量上带电粒子仅 非常小的一部分(1%或更小 但它们的存在非常明显地改变了大气的电性质，使这部分大气成为等离子体 它们的存在非常明显地改变了大气的电性质， 存在非常明显地改变了大气的电性质 状态。主要的效应是：对各种波段的无线电波的传播都有显著的影响。 状态。主要的效应是：对各种波段的无线电波的传播都有显著的影响。 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， 在大的几何尺度上具有水平分层结构 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， 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 的变化 为初级近似，可以合理地假定电离层是水平分层的。 级近似，可以合理地假定电离层是水平分层的。