电离层

电离层

dianliceng

电离层

ionosphere

从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域，其中存在相当多的自由电子和离子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收。

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。太阳辐射使部分中性分子和原子电离为自由电子和正离子，它在大气中穿透越深，强度（产生电离的能力）越趋减弱，而大气密度逐渐增加,于是,在某一高度上出现电离的极大值。大气不同成分，如分子氧、原子氧和分子氮等，在空间的分布是不均匀的。它们为不同波段的辐射所电离,形成各自的极值区,从而导致电离层的层状结构。在电离作用产生自由电子的同时，电子和正离子之间碰撞复合，以及电子附着在中性分子和原子上，会引起自由电子的消失。大气各风系的运动、极化电场的存在、外来带电粒子不时入侵，以及气体本身的扩散等因素，引起自由电子的迁移。电离层内任一点上的电子密度，决定于上述自由电子的产生、消失和迁移三种效应。在不同区域，三者的相对作用和各自的具体作用方式也大有差异。

在55公里高度以下的区域中，大气相对稠密，碰撞频繁，自由电子消失很快，气体保持不导电性质。在电离层顶部，大气异常稀薄，电离的迁移运动主要受地球磁场的控制，称为磁层。

电离层的主要特性，由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等基本参数来表示。

研究概况 1902年，O.亥维赛和A.E.肯内利为了解释无线电信号跨越大西洋传播这一实验事实，提出了高空存在能反射无线电波的“导电层”的假设，当时称为肯内利-亥维赛层。1925年，和M.A.F.巴尼特用地波和天波干涉法最先证明了电离层的存在。次年，和M.A.图夫用一部雏型雷达测量了无线电脉冲从电离层垂直反射的时间，验证了上述结论。随着对电离层及其对电波传播影响的深入了解，30年代初，S.查普曼提出电离层形成的简单理论（查普曼层理论）。阿普顿和 D.R.哈特里提出在电离层中传播的色散公式（阿普顿－哈特里公式）为解决预报天波传播最佳频率等应用问题奠定了理论基础。电离层形态电离层中电子密度等基本参量的空间结构（高度和经纬度分布）及其随时间（昼夜、季节和太阳活动周期）变化的情况。电离层可从低到高依次分为D层、E层和F层等,其中F层还可分为F层和F层。E层和F层中，电子迁移作用较小，具有查普曼层的主要特性。层的临界频率（其平方正比于峰值电子密度）与太阳天

顶角近似地满足由简单层理论所导出的关系式=cos(兆赫)，式中和为常数。这个关系式反映了电离层电子密度随时间和地区变化的基本趋势。在较高的F层，电离输运起着重要作用；在地球磁极，

存在着外来带电粒子的轰击，形态更为复杂。

图1[电离层电子密度的典型高度分布(中纬度地

区)]为电离层电子密度的典型高度分布D层和F层的峰形一般并不很凸出。

D层离地面约50～90公里。白天，峰值密度和相应高度[kg2]

[kg2]的典型值分别为[kg2]10[kg2]厘米[kg2]和85公里左右。无

线电波中的短波在该层受到较大的吸收。太阳活动最高年的吸收几乎Array

是最低年的两倍。一年之中,的夏季值大于冬季值，但在中纬地区，

冬季有时会出现异常吸收。夜间，电离基本消失。

E层离地面约90～130公里[kg2]白天,峰值密度及其相应高度

[kg2]的典型值分别为10[kg2]厘米[kg2]和115公里。的昼夜

[kg2]季节和太阳活动周期三种变化,大致符合简单层理论公式，分别

于中午、夏季和活动高年达到最大值；这时，公式中常量≈0.9(180+1.44)，≈0.25，为12个月内太阳黑子数流动平均值。夜

间，下降，上升；≈5×10厘米,的变化幅度一般不超过

20公里。

F层离地面约130公里以上，可再分为F和F层。

① F层（离地面约130～210公里）：白天，峰值密度及其相

应高度的典型值分别为2×10厘米[kg2]和180公里。F层峰形夜间消失,中纬度F层只出现于夏季，在太阳活动高年和电离层暴时，F层变得明显。和的变化与E层类似，大致符合简单层的理

论公式,这时≈4.3+0.01，≈0.2。

② F层（离地面约210公里以上）:反射无线电信号或影响无线电

波传播条件的主要区域，其上边界与磁层相接。白天,峰值密度及

其相应高度的典型值分别为10厘米；夜间，一般仍达5×10

厘米。在任何季节，[kg2][kg2]的正午值都与太阳活动性正相关。

与太阳活动性一般也有正相关关系,除赤道地区外，夜间值高于白天值。在F层，地球磁场大气各风系、扩散和其他动力学因素起着重要的作用，其形态变化不能用查普曼的简单层理论来描述，于是F层比起E层和F层便有种种“异常”。所谓日变化异常是指F层电子密度的最大值不是出现在正午(通常是在本地时间13时至15

时),[kg2]同时还具有半日变化分量,其最大值分别在本地时间上午10～11时和下午22～23时。季节异常是指F层正午的电子密度在冬季要比夏季高。赤道异常是指F层电子密度并不在赤道上空最大，它明显地受地磁场控制，其地理变化呈“双峰”现象，在磁纬±20度附近达到最大值。在高纬度地区，可观测到许多与带电粒子沉降有

关的异常现象。其中,最为重要的是F层“槽”，这是地球背阳面上从极光圈开始朝向低纬宽约5～10度的低电子密度的带区。

峰上固定高度的电子密度和电离层电子总含量的时间变化,与

有类似之处[kg2]图2[电离层各层峰值密度]

[及相应高度的平均昼夜变化(中纬度地区)]

及相应高度的平均昼夜变化(中纬度地区)" class=image>[kg2]为

电离层各层的峰值密度[kg2]和相应高度在中纬度地区的平均昼夜变化。

除上述各均匀厚层外，电离层还存在着两种较常见的不均匀结构：Es层即偶发E层（见）和扩展F层（见）。

电离层模式电离层诸参量随高度变化的数学描述。这种变化与地

理位置、季节、地方时，以及太阳和地磁活动性有关。复杂的电离层