词条 | 电离层的形成 |
释义 | dianliceng de xingcheng 电离层的形成(卷名:固体地球物理学 测绘学 空间科学) formation of the ionosphere 地球高层大气的分子和原子在太阳的紫外线、X射线和高能粒子的作用下电离,产生自由电子和正负离子,形成从宏观上说仍然是中性的等离子体区域,即电离层。带电粒子通过碰撞等过程又产生复合,使电子和离子的数目减少;带电粒子的漂移和其他运动也可使电子或离子密度发生变化。电子密度N随时间t的变化дN/дt,是电子生成率Q、电子消失率L和电子因漂移而离开单位体积的速率的代数和。即 ![]() 电离过程 中性大气的电离主要是吸收太阳 X射线和远紫外线(波长小于 0.175微米)辐射的结果。中性大气分子吸收太阳辐射光子的几率用吸收截面 σa表示,其定义是吸收能量率与单位面积上入射能量率之比,它与波长有关,而被吸收的光子能产生电离的几率则由电离效率η表示,乘积ησa=σ1称为电离截面。在远紫外区,σa的最大值可达10-17~10-18厘米2;而在X射线范围则小得多。对于原子型气体,η=1,即所吸收的能量全部用于产生电子-离子对。对于分子型气体,则η<1。 最早提出电离层形成理论的是英国S.查普曼。20世纪30年代初,他假设:①进入大气层的太阳辐射为单色波,②大气成分单一、温度恒定、密度水平分层且随高度按指数律减小。在这两个条件下,对电子密度随高度的分布进行计算,得到了第一个理论模式,后人称为查普曼模式。 如果辐射进入的方向与天顶成角x(称为天顶角),则由于沿途受到气体的吸收,到达高度为 h的辐射通量φ(λ)将比进入大气之前的通量φ∞(λ)减弱e-τ倍,而τ = nσaHsecx,其中n 为气体中性粒子的密度,是高度的函数,H为标高。由此可见,τ 是度量吸收程度的指标,称为光学深度,它是高度的函数。将τ =1定义为单位光学深度,在它所对应的高度以下,入射辐射通量很快地趋近于零,即接近被完全吸收。 如果去掉温度恒定的假设,则标高也将随高度而变,密度 n也不再是高度的简单函数。此外,当天顶角x 相当大时,由于地球的曲率不能忽略而使大气平面分层的假设不再成立,于是τ 值必须修正。 电子生成率 中性气体吸收太阳辐射能量后发生电离。单位体积内每秒产生的电子数,即电子生成率Q,同太阳辐射通量═、中性粒子的密度 n和它的电离截面σ1成正比: Q=nσ1φ∞(λ)e-τ。 ![]() 电子的消失 当不考虑电子的漂移运动时,单位体积每秒消失的电子数,称为电子消失率L。电子的消失主要有两种类型,一种是电子和正离子的复合,另一种是电子附着到中性粒子上,变成负离子。 电子和正离子的复合有时伴随着光子的辐射,其反应式为: X++e-─→X+(hv),其中X代表中性粒子。因复合引起的电子消失率同电子密度N和正离子密度[X+]的乘积成正比, 如[X+]和N相等,则L=α[X+]N=α N2,α 称为复合(或辐射复合)系数,是高度的函数。电离与复合达到平衡时,Q=L,因而Q=αN2,或N =(Q/α)┩。将图1所表示的Q/Qm0与ζ的关系代入,可得: ![]() ![]() 电子附着到中性粒子M上,变成负离子的电子消失过程,反应式为: M+e-──→M-。 由于中性粒子的密度[M]远大于电子密度N,所以附着引起的电子消失率主要由N决定,即L=βN,β称为附着系数,也是高度的函数。当电离和消失相平衡时,Q=βN。 在大部分电离层中,电子的消失不是单纯的复合或附着过程,而是下列两步过程的联合,即①X++A2→A X++A;②AX++e-→A+X。这里A2代表一种分子,例如O2或N2。上述反应称为离解复合。反应①也是一种附着反应,它的速率为β[X+],而反应②的速率为α[AX+]N 。在电离层较低部分β的值大,因此所有的X+迅速变成 AX+,故总的反应率是由反应②所控制,即整个说来过程是α型的。在电离层较高部分β的值小,因而反应①相当慢并控制总反应率;由于[X+]=N ,所以整个说来过程是β型的。这样,当高度增加时,反应将逐渐从α 型转变成β型。 电子的扩散 由于只是研究电子运动引起的电子密度随高度的变化,所以,只涉及电子在垂直方向的漂移运动,这种漂移可以假定主要是由垂直扩散作用引起的,即 ![]() ![]() 在电离层中,由于电子和正离子的质量不同,在向上扩散的过程中电子群和正离子群将分开一段距离,使两者之间产生一电场。该电场同重力场保持平衡,从而使正负电荷保持一定距离而一同扩散(相对于中性气体)。这种扩散称为双极扩散。双极扩散的扩散系数DP与电子的扩散系数D不同。计算表明,当电离达到平衡态时,在扩散情况下等离子体按高度有指数型的分布 ![]() 和其他电子消失过程比较,电离层中垂直扩散的重要性决定于等离子体扩散系数DP与复合系数的相对大小。 以上只是分析了单色辐射进入成分单一、温度恒定的大气而产生简单电离层的经过。实际上电离辐射有多种波段;大气在不同高度上温度和气体组成都是不同的,对辐射的吸收截面也都不同,因而辐射的单位光学深度也不同;各种气体的分子原子还有不同的电离电位。在这些复杂因素的支配下,电离层从下向上,形成D、E、F1及F2等层次(见电离层结构)。 参考书目 赵九章等编著:《高空大气物理学》上册,科学出版社,北京,1965。 |
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