中低纬电离层现象2015.

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：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。•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。•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。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。”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-3E区100-160km，1010-1011m-3F1区160-200km，1011-1012m-3F2区200km以上，最大电子密度高度在350km上下，对应的最大电子密度为1012-1013m-3D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：大致在磁纬20N至磁纬20S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。•极尖极隙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，XhXe例如：OhOe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。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，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。电子密度时间的变化服从连续性方程，eeenqLnV)t（,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eenV)（代表在给定区域内、由输运过程引起的电子密度en随时间的变化，eV是电子的宏观运动速度。eenV表示电子数通量密度。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，,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eeenqLnV)t（,在顶部电离层和等离子层，可以近似认为qL0，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，这是扩散平衡区域。en/tqLeen/t(nV)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。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。这样得到电子-离子对的生成率为qnI，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，Chapman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的标高，h/Honne,HT/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。Chapman生成函数电离生成主要由于太阳远紫外和X射线对大气的作用，按照Chapman生成理论，电离生成率可以用Chapman生成函数表示：mmmqqexp{1(hh)/Hexp[(hh)/H]}这就是Chapman生成函数。H是标高，qm和hm分别是最大生成率和最大生成率高度，它们是天顶角的函数。Chapman生成函数的意义Chapman生成函数的重要性在于，它给出了任何指数分布的大气层中辐射吸收和电离层生成的理论基础。尽管真实的电离层要复杂得多，并且当今技术的发展，高速计算机已经普遍使用，这个简单表达式没有很大的实际应用的价值。不过，对于物理上的理解，它还是非常有用处的。首先，Chapman生成理论清楚地表明，生成率正比于生成电离的太阳辐射强度和大气密度。辐射强度随高度增高而增大，而中性气体密度随高度增高而减小。因此Chapman生成理论预示，一定存在一个最大生成率的高度。其次，随天顶角增大，最大生成率高度也增高。约化高度表达的Chapman生成函数定义约化高度my(hh)/H,可以得到用约化高度y表达的Chapman生成函数，)]exp(1exp[yyqqm利用关系式secqqmo和)H/hexp(sec)H/hexp(om，用天顶角等于零时的量oq和oh代替具有任意天顶角时的量mq和mh，并定义另一个约化高度oz(hh)/H，则得到Chapman生成函数的另一种表达形式，1oqqexp{zsecexp(z)}式中omqqsec下面进一步分析Chapman生成函数1oqqexp{zsecexp(z)}oz(hh)/H在远高于oh的高度上，约化高度z1，Chapman生成函数指数中的第三项secexp(z)z，可以忽略，得到近似oqqexp(z)，因此，远高于oh的高度，生成率曲线的形状基本上与天顶角无关，仅随z指数下降。按z的定义，它与天顶角无关。可见，生成率主要受可电离的气体数量限制，与大气密度随高度变化近似相同。在远离最大生成率高度的较低高度，z0并且绝对值很大，生成率曲线的形状主要受指数的最后一项控制，得到近似oqqexp{secexp(z)}，生成率与大气密度随高度的变化很不相同，它与天顶角有关，主要受电离辐射强度的控制,衰减很快，有一个迅速的截止。因此电离层有明显的下边界。对不同天顶角，归一化的Chapman生成函数随约化高度的变化。光化学平衡按照连续性方程，电离密度随时间的变化决定于电离生成率、消失率和输运过程。研究电子生成率仅仅是研究电离层电子密度变化的第一步。第二步是研究在给定体积内电子的消失率。电子和离子复合重新形成中性粒子。同时，还要考虑等离子体进出给定体积的运动，即输运过程。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。输运过程在连续性方程een/tqL(nV)中，除生成和消失项外，还有一项代表等离子体输运过程，即等离子体团块运动引起的电离密度随时间的变化。在F1层以上，随高度增高，大气密度越来越低，输运过程的重要性逐步赶上并最终超过复合消失过程，成为起控制作用的过程。等离子体团块运动有多种起因：双极扩散；热层风感应的沿磁力线的漂移；EB电动力学漂移。一般情况，运动既可以出现在水平方向，也可以出现在垂直方向。由于电离层基本上是水平分层的，电离层电离密度和温度的梯度主要出现在垂直方向上。这里仅讨论运动的垂直分量，并且先不考虑热层风感应的沿磁力线的漂移以及EB电动力学漂移。F2层及其峰的形成对于所有太阳辐射波段和所有大气成分，最大电离生成率高度都在200km高度以下，而对实际的电离层，F2层电子密度比E层和F1层都更大，绝大多数情况下，F2峰高度在200到400km高度之间。因此,F2层的出现很难仅用电离生成率随高度的变化来解释。这里有两个问题：1、F1层之上，电子密度更大的F2层是如何形成的？2、F2层峰又是如何产生的？前一个问题的关键