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地球電離層
地球電離層(ionosphere)
等離子體是宇宙空間物質構成的主要形態99%以上的物質都以等離子態形式存在,離我們最近的等離子體就是地球電離層。電離層是地球大氣的一個重要層區,它是由太陽電磁輻射、宇宙線和沉降粒子作用於地球高層大氣,使之電離而生成的由電子、離子和中性粒子構成的能量很低的准中性等離子體區域。處在50km至幾千千米高度間,溫度在180~3000K範圍之間,其帶電粒子(電子和離子)的運動受到地磁場的制約,因此在電波傳播領域又稱電離層介質為磁離子介質。
電離層結構及參數
1、電離層正常結構:描述電離層最基本的參量是電子密度,通常按照電子密度隨高度的變化來劃分電離層的結構。隨著高度的變化,電離層電子密度出現幾個極大值區域(又稱為層),依次分為D層、E層和F層,如圖所示。
電離層電子密度的高度分佈隨晝夜、季節、緯度和太陽活動而變化。由於白天和晚上的電離源(太陽電磁輻射)不同,電離層結構也有所不同,在夜間D層消失,而E層和F層電子密度減小;太陽活動高年和低年中,太陽電磁輻射的差異也導致電離層電子密度有很大差別。但共同的特點是在200~400km高度之間電子密度有一個明顯的峰值。
D層是最低的電離層,一般處於高度為50~90km的區域,主要的電離源是太陽X射線。該層的電子密度隨高度的變化而迅速變化,具有較大的日變化,地方時午後出現最大值,午夜具有最小值,典型的正午值為108~109m-3。同時該層還具有顯著的季節變化,最大值出現在夏季,但最小值並非出現在冬季。
E層處於高度為90~130km的區域,由正常E層和偶現(Sporadic)E層兩部分構成。
F層處於高度為130km直到幾千千米的廣大區域,有時可分出F1層和F2層兩部分。
2、電離層參數a.電子密度,又稱為電子濃度,即電離層中單位體積內電子的數量,單位為m-3。它是描述電離層的最基本參量。
b.碰撞頻率,指單位時間內電離層中電子與其他粒子的碰撞次數之和,單位為S-1。
300km以上,電子與中性成分的碰撞決定了電子的碰撞頻率。
碰撞頻率正比於中性粒子的數密度,因此電離層中D層的碰撞頻率最高,總有效碰撞頻率高達105~107S-1。
c.中性成分,高層大氣不是完全電離氣體,所以還有未被電離的氣體,即中性大氣成分。
d.離子成分,電離層的冷等離子體內和電子呈電中性的部分就是離子成分。
在低高區以NO+和O2+為主要的離子成分,在F層頂以O+為主。1000km高度以上主要成分是H+,高於2800km則幾乎為H+所獨佔。
e.電離層溫度,電離層溫度取決於各種加熱和製冷過程的平衡,以及它的周日變化和季節變化。
F1層白天電子溫度一般比周圍氣體大兩倍。在低於250km的區域,引起熱電子冷卻的主要是中性成分的碰撞。離子的溫度在600km以上與電子溫度相當,並且兩者都超過中性氣體溫度。
3、電離層反常現象電離層除了具有正常的結構背景以及不均勻結構以外,還有伴隨著太陽耀斑、磁暴等全球性擾動過程而出現的電離層突然騷擾(SID,Sudden Ionosphere Disturbance)、電離層暴以及極區反常現象。
電離層突然騷擾,太陽耀斑爆發幾分鐘后,電離層的低層(主要是D層)經常出現電高度突然劇烈增強的現象,稱為電離層突然騷擾。
它造成日照半球上短波與中波信號立即衰落甚至完全中斷,長波和超長波的天波相位發生突變(Sudden Phase Anomaly,簡稱SPA現象),地磁出現鉤擾。
電離層暴,這是由太陽耀斑引起的一種電離層擾動。太陽耀斑爆發時,由於太陽局部發生擾動,拋射出大量帶電粒子流或等離子體「雲」,這些粒子流到達地球后,破壞了電離層的正常結構,引發電離層暴。
極區反常現象,極區電離層與中、低緯電離層的區別在於極區的太陽光照條件的日變化和季節變化均比較小而且緩慢,容易受到太陽帶電粒子流的影響。在極區經常產生極光和磁擾,甚至在磁靜時期極區電離層擾動也很大。在磁擾期間,極區電離層有複雜的結構和變化,隨磁暴的增長,Es反射更高的頻率,F層回波消失,磁暴最大時,「回波」中斷,即出現極蓋吸收事件(PCA,The Polar Cap Absorption Event),這是由於太陽耀斑噴發出的5~20MeV質子進入極蓋區,使D層電離劇增而造成該區對電波的吸收劇烈增強。同時在夜間還出現極光帶吸收事件。
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