電離層的形成，地球高層大氣的分子和原子在太陽的紫外線、X射線和高能粒子的作用下電離，產生自由電子和正負離子，形成從巨觀上說仍然是中性的電漿區域，即電離層。
基本介紹
- 中文名：電離層的形成
- 所屬學科：大氣物理學
帶電粒子通過碰撞等過程又產生複合，使電子和離子的數目減少；帶電粒子的漂移和其他運動也可使電子或離子密度發生變化。電子密度N隨時間t的變化дN/дt，是電子生成率Q、電子消失率L和電子因漂移而離開單位體積的速率的代數和。即式中V是電子的漂移速度。在一般情況下，除F2層上部以外，輸運項∇·(NV)引起的損失是可以忽略的，所以電子密度達到平衡的條件主要決定於電子生成率和電子消失率。電離過程 中性大氣的電離主要是吸收太陽X射線和遠紫外線（波長小於0.175微米）輻射的結果。中性大氣分子吸收太陽輻射光子的幾率用吸收截面σa表示，其定義是吸收能量率與單位面積上入射能量率之比，它與波長有關，而被吸收的光子能產生電離的幾率則由電離效率η表示，乘積ησa=σ1稱為電離截面。在遠紫外區，σa的最大值可達10-17～10-18厘米2；而在X射線範圍則小得多。對於原子型氣體，η=1，即所吸收的能量全部用於產生電子-離子對。對於分子型氣體，則η＜1。最早提出電離層形成理論的是英國S.查普曼。20世紀30年代初，他假設：①進入大氣層的太陽輻射為單色波，②大氣成分單一、溫度恆定、密度水平分層且隨高度按指數律減小。在這兩個條件下，對電子密度隨高度的分布進行計算，得到了第一個理論模式，後人稱為查普曼模式。如果輻射進入的方向與天頂成角χ（稱為天頂角），則由於沿途受到氣體的吸收，到達高度為h的輻射通量ϕ(λ)將比進入大氣之前的通量ϕ∞(λ)減弱e-τ倍，而τ=nσaHsecχ，其中n為氣體中性粒子的密度，是高度的函式，H為標高。由此可見，τ是度量吸收程度的指標，稱為光學深度，它是高度的函式。將τ=1定義為單位光學深度，在它所對應的高度以下，入射輻射通量很快地趨近於零，即接近被完全吸收。如果去掉溫度恆定的假設，則標高也將隨高度而變，密度n也不再是高度的簡單函式。此外，當天頂角χ相當大時，由於地球的曲率不能忽略而使大氣平面分層的假設不再成立，於是τ值必須修正。電子生成率 中性氣體吸收太陽輻射能量後發生電離。單位體積內每秒產生的電子數，即電子生成率Q，同太陽輻射通量ø、中性粒子的密度n和它的電離截面σ1成正比：Q=nσ1ϕ∞（λ）e-τ。由於n和τ都是高度h的函式，故Q也隨高度變化。在較高的高度上，輻射通量雖強，但粒子密度卻小；輻射深入大氣層後，雖然能遇到更多的可電離粒子，但輻射通量因沿途被吸收而大大衰減。這兩種因素相互制約，使得電子生成率在中間某一高度hm上達到最大值Qm。求Q表達式的極值，可以證明hm即在τ＝1處，因此，可以很容易地求出Qm和hm的值，並進而求得Q值隨高度而變化的關係。圖1表示了不同天頂角情況下Q值的差別。圖中橫坐標為比值Q（χ）/Qm0，Q（χ）是天頂角χ時的Q值，Qm0是天頂角χ＝0時電子生成率的最大值。縱坐標為約化高度ζ，ζ=(h-hm0)/H，hm0是電子生成率取Qm0時所對應的高度。由圖可見，當χ增加時，Q的極大值變小，且其取極大值的高度向上移動。電子的消失 當不考慮電子的漂移運動時，單位體積每秒消失的電子數，稱為電子消失率L。電子的消失主要有兩種類型，一種是電子和正離子的複合，另一種是電子附著到中性粒子上，變成負離子。電子和正離子的複合有時伴隨著光子的輻射，其反應式為：X++e-─→X+(hv)，其中X代表中性粒子。因複合引起的電子消失率同電子密度N和正離子密度[X+]的乘積成正比，如[X+]和N相等，則L=α[X+]N=αN2，α稱為複合（或輻射複合）係數，是高度的函式。電離與複合達到平衡時，Q=L，因而Q=αN2，或N=(Q/α)½。將圖1所表示的Q/Qm0與ζ的關係代入，可得：，式中Nm0為χ=0時最大電子密度。具有這種電子密度與高度關係的簡單層稱為查普曼層（圖2）。這種描述叫查普曼模式。將上式對ζ取導數並令其等於零，即可求得電子密度最大值的高度hm。除χ=0的情況外，hm與出現電子生成率最大值的高度hm是不同的。圖2虛線是將上式展開後略去高於二次的項所得的拋物線近似。符合這種關係的層次稱為拋物線層，在處理實際問題中，這種近似常被採用。電子附著到中性粒子M上，變成負離子的電子消失過程，反應式為：M+e-──→M-。由於中性粒子的密度[M]遠大於電子密度N，所以附著引起的電子消失率主要由N決定，即L=βN，β稱為附著係數，也是高度的函式。當電離和消失相平衡時，Q=βN。在大部分電離層中，電子的消失不是單純的複合或附著過程，而是下列兩步過程的聯合，即①X++A2→AX++A；②AX++e-→A+X。這裡A2代表一種分子，例如O2或N2。上述反應稱為離解複合。反應①也是一種附著反應，它的速率為β[X+]，而反應②的速率為α[AX+]N。在電離層較低部分β的值大，因此所有的X+迅速變成AX+，故總的反應率是由反應②所控制，即整個說來過程是α型的。在電離層較高部分β的值小，因而反應①相當慢並控制總反應率；由於[X+]=N，所以整個說來過程是β型的。這樣，當高度增加時，反應將逐漸從α型轉變成β型。電子的擴散 由於只是研究電子運動引起的電子密度隨高度的變化，所以，只涉及電子在垂直方向的漂移運動，這種漂移可以假定主要是由垂直擴散作用引起的，即式中D是電子的擴散係數。於是，它表示在單位時間內單位體積中由於擴散引起的電子數的變化。在垂直運動中還必須考慮重力的影響，它使電子或離子向下運動，與擴散的方向相反。在電離層中，由於電子和正離子的質量不同，在向上擴散的過程中電子群和正離子群將分開一段距離，使兩者之間產生一電場。該電場同重力場保持平衡，從而使正負電荷保持一定距離而一同擴散(相對於中性氣體)。這種擴散稱為雙極擴散。雙極擴散的擴散係數DP與電子的擴散係數D不同。計算表明，當電離達到平衡態時，在擴散情況下電漿按高度有指數型的分布 ，電子密度隨高度的增加而呈指數下降。HP為電漿的標高，比中性大氣標高要大。和其他電子消失過程比較，電離層中垂直擴散的重要性決定於電漿擴散係數DP與複合係數的相對大小。以上只是分析了單色輻射進入成分單一、溫度恆定的大氣而產生簡單電離層的經過。實際上電離輻射有多種波段；大氣在不同高度上溫度和氣體組成都是不同的，對輻射的吸收截面也都不同，因而輻射的單位光學深度也不同；各種氣體的分子原子還有不同的電離電位。在這些複雜因素的支配下，電離層從下向上，形成D、E、F1及F2等層次（見電離層結構）。參考書目 趙九章等編著：《高空大氣物理學》上冊，科學出版社，北京，1965。
