关于电离层的形成介绍

[拼音]：dianliceng de xingcheng

[外文]：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

式中V是电子的漂移速度。在一般情况下，除F2层上部以外，输运项墷·(NV)引起的损失是可以忽略的，所以电子密度达到平衡的条件主要决定于电子生成率和电子消失率。

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。

由于n和τ都是高度h的函数，故Q也随高度变化。在较高的高度上，辐射通量虽强，但粒子密度却小；辐射深入大气层后，虽然能遇到更多的可电离粒子，但辐射通量因沿途被吸收而大大衰减。这两种因素相互制约，使得电子生成率在中间某一高度 hm上达到最大值 Qm。求Q表达式的极值，可以证明hm即在τ＝1处，因此，可以很容易地求出Qm和hm的值，并进而求得Q值随高度而变化的关系。图1表示了不同天顶角情况下Q值的差别。图中横坐标为比值Q（x）/Qm0，Q（x）是天顶角x时的Q值， Qm0 是天顶角 x＝0 时电子生成率的最大值。纵坐标为约化高度ζ，ζ=(h-hm0)/H，hm0是电子生成率取Qm0时所对应的高度。由图可见，当x 增加时，Q的极大值变小，且其取极大值的高度向上移动。

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：

，

式中Nm0为x=0时最大电子密度。具有这种电子密度与高度关系的简单层称为查普曼层（图2）。这种描述叫查普曼模式。将上式对ζ取导数并令其等于零，即可求得电子密度最大值的高度hm。除x=0 的情况外，hm与出现电子生成率最大值的高度hm是不同的。图2虚线是将上式展开后略去高于二次的项所得的抛物线近似。符合这种关系的层次称为抛物线层，在处理实际问题中，这种近似常被采用。

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；

（2）AX++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

式中D是电子的扩散系数。于是

，

它表示在单位时间内单位体积中由于扩散引起的电子数的变化。在垂直运动中还必须考虑重力的影响，它使电子或离子向下运动，与扩散的方向相反。

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

，

电子密度随高度的增加而呈指数下降。HP为等离子体的标高，比中性大气标高要大。

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

1. 赵九章等编著：《高空大气物理学》上册，科学出版社，北京，1965。