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電離層形態指電離層參量的時間、空間變化特徵,主要是電子密度N的時空變化。

1 電離層形態 -電離層形態

 

2 電離層形態 -正文

  電離層參量的時間、空間變化特徵,主要是電子密度N的時空變化。
  地球大氣的電離源主要是太陽。太陽上發生的各種過程、地球和太陽相對運動、地球磁場等因素都會對電離層產生影響,使其形態非常複雜,具有晝夜的、季節的、太陽黑子周的、緯度的和受地磁場制約的多種變化。由於電離層各層的化學結構、熱結構不同,各層的變化情況也不盡相同。
  D層形態  圖1是由交叉調製法(見低電離層探測)得到的一組白天不同時間 D層電子密度隨高度的變化曲線,它反映了電子密度隨太陽天頂角的變化和對正午的不對稱性。

  白天D層電子密度分佈的一個最顯著特徵是,在中低緯度地區約80~90公里高度存在很陡的梯度,或稱為「緣」。它的高度受太陽天頂角、季節、太陽活動性和地磁場的制約。
  D層電離有季節變化。夏季,中緯地區D層電子密度逐日變化甚小,且極有規律;但在冬季,逐日有相當大的變化,且比較複雜。冬季的某些天,在80公里左右電子密度的增加,造成中波和短波的異常吸收,這就是D層「冬季異常」。一般,電子密度正午值夏季高於春秋季,春秋季又高於冬季,只是在「冬季異常」時例外。
  D層變化同太陽黑子數相關。一般可用電離層吸收的變化近似代表D層電子密度的變化,太陽黑子極大年和極小年的吸收比大約為2:1。在80公里附近,黑子高年電子密度N的平均值顯著大於低年的平均值。此外,當天頂角為常數時,在黑子低年期間,65~85公里夏季N值大於冬季N值,在更高的高度上沒有這種變化。但在黑子高年期間情況正相反,在82~95公里冬季N值大於夏季N值,而在較低的高度上沒有這種變化。
  D層電子密度隨緯度而變。由於觀測數據不足(尤其是在中緯地區),其規律還不十分清楚。在70~90公里高度範圍內,電子密度有一異常的緯度變化,即在中緯度地區和磁赤道附近的電子密度數值大約是這兩地區之間(約在磁傾角±20°處)電子密度數值的一半。D層冬季異常主要發生在中緯地區,在低緯未見此種現象。而在高緯地區,磁暴引起的嚴重吸收較為普遍,加上D層處於漫長的黑暗期,難以判斷是否存在冬季異常。
  E層形態  E層是電離層中最有規律的一層,其日變化、季節變化和全球變化受太陽天頂角和太陽活動的控制,但也存在某些異常。
  E層最大電子密度NmE對應的臨界頻率f0E,在一級近似下有關係式:

f0E=0.9【(180+1.44R)cosx1/4

其中R為太陽黑子數,x為太陽天頂角。這一公式既反映了中緯地區f0E隨太陽黑子數的變化,又可表達日變化和季節變化;但在單獨表徵日變化時,冪指數將在 0.1~0.4之間變動。
  在春分和夏至時,f0E的全球形態如圖2。在緯度變化上,秋分同於春分,而冬至和夏至則恰恰相反,即將夏季圖形繞赤道線轉180°就成冬季圖形。從圖2可以看出,無論在什麼季節,f0E近似以正午時刻為對稱點。

  E層高度也存在著規律變化。一般在日出后隨著電子密度的增大而逐漸下降,中午時下降到最低高度,此後又逐漸升高,日落時恢復到日出時的高度,但這一高度變化只有數公里。高度的季節變化主要是由太陽高度的變化引起的,約為5~10公里,最大值在冬季。
  Es層形態  由於它的偶發性,所以常用統計方法來研究它的變化規律,即計算其臨界頻率fEs超過某一參考值的時間和頻次,以及在頻高圖上呈現的不同類型Es的發生率。
  Es層在全球具有赤道、中緯和極區3個地區特徵。赤道區Es基本上是白天現象,無季節變化;它的分佈寬度為磁傾角±7°,即約400~500公里,並具有最高的fEs值。在中緯地區,fEs的季節變化是主要的,它基本上屬於夏季現象,在北半球出現於5~9月,在南半球出現於11月至第二年的2月;且fEs的值較小,日變化也不明顯。在極區,Es層的出現和極光相聯繫,並多見於夜間,無季節變化。Es層出現頻次的日變化和季節變化至今尚未得到明確的解釋。
  Es層高度的變化範圍約為105~125公里。Es層高度的全球表現有 4個特點:①小的日變化,②無季節變化,③與黑子數無關,④太陽半日變化約為0.5公里。
  F1層形態  像E層一樣緊密地受太陽控制。它在黎明時出現,在正午過後幾分鐘電子密度達到當天的最大值,黃昏時消失。臨界頻率近似由下式描述:

f0F1=(4.3+0.01R)cos(0.2x),

它反映了F1層電子密度隨時間和地區的變化規律。f0F1的晝夜、季節和緯度變化類似於圖2的E層形態。
  F1層最大電子密度所在高度hmF1,在近傍晚時增高,夏季值大於冬季值,低緯值大於高緯值。
  F2層形態  變化最為複雜,在太陽和地磁場的影響下,存在許多「異常」,很難用簡單的理論來解釋。測定F2層臨界頻率f0F2要比測定F2層最大電子密度出現的高度方便得多,同時f0F2的變化也能提供F2層發生的一些主要過程的信息,因此F2層的形態常用f0F2(或NmF2)的變化來描述。
  圖3是在太陽活動最高和最低(黑子數表示)時分季的NmF2等值線分佈,它反映了F2層的時空變化。

  隨著太陽升起,F2層電離加劇(在低緯度尤為明顯),但很少在正午達到最大值。在地球的某些部分,午前達到最大值;而在另一些部分,午後才達到最大值。夜間的下降常是緩慢的。有時可在夜間觀測到第二個峰值。
  在春秋分時節NmF2對地理赤道的對稱性並不明顯,但可見到較肯定的磁傾角對稱性。
  白天f0F2的最大值不在地理赤道上,也不在磁赤道上,而是位於沿磁赤道兩側10°或15°的兩條帶上。於是存在一赤道壓縮,這就是赤道槽。赤道兩側的最大值稱為雙駝峰現象。1947年中國桂質廷、梁百先曾指出這種現象是受地磁控制的。雙峰的幅度隨太陽活動增強而增強;而且隨著高度的增加,雙峰向著磁赤道逼近(圖4)。衛星觀測表明,雙峰在最大電離值高度之上最終會合在一處。

  F2層的季節變化還存在一些現象至今未得到滿意的解釋。一種現象被稱為「十二月異常」,即在地球上50°N和35°S之間的部分地區,在11、12、1月每天正午測到的f0F2具有很大的數值。另一種現象稱為「季節異常」,即從中緯到高緯,冬季白天的f0F2值不小於對應的夏季值,特別是在太陽活動極大年,冬季值顯著地大於夏季值。在北半球,十二月屬於冬季,於是上述兩種異常疊加起來,使得f0F2的數值比這一年的其他季節大得多。
  f0F2隨太陽黑子活動周期而變化,圖5表示兩個黑子周期內f0F2與黑子相對數R的相關曲線。

  擴展 F形態  常用統計方法研究它出現的規律。擴展 F的出現有季節、緯度以及隨太陽活動和地磁活動的變化。
  擴展 F的最大出現率只在兩個地區存在:一個是只在夜間才出現的赤道區;一個是極區。在磁緯20°~40°地區較少觀測到擴展F。
  赤道擴展 F常出現於午夜之前。在低磁緯區,擴展F最大出現率是在21時到01時(地方時),黑子數最高時提早1小時,夏季出現率大於冬季。中緯地區的擴展F不是一種常有現象,主要發生在午夜之後。在較高緯度處,擴展 F常出現在冬季午夜和日出之間的時間。近磁極處,冬季的白天和夜間擴展F經常存在;夏季里,它的出現率在晚上仍保持很高頻次,而在正午只有50~60%。赤道擴展F的出現率在黑子低年要大於高年;而在磁緯60°以上地區,擴展F出現率隨黑子數的增加而上升。
  擴展F與地磁活動有以下的關係:赤道區擴展F出現於磁靜日,並在磁暴開始時消失,這一區域包括以磁赤道為中心的整個60°緯度帶;在中緯區擴展 F基本上在磁暴時出現,而在磁緯60°以上的區域,當有磁暴時就不存在擴展F了。
  F2層以上區域電子生成率和消失率(見電離層的形成)都很小,電離層等離子體的行為完全受輸運過程的控制。人造衛星對這一廣大範圍內的電子密度進行了許多探測,基本上得到了其時空分佈的平均結果。
  參考書目
 H. Rishbeth and O.K. Garriott, Introduction to ionosphere Physics,Academic Press,New York,1969.

 

3 電離層形態 -配圖

 

4 電離層形態 -相關連接

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