2016-研究生空间天气课件 电离层.pptx

在约80km以上的热层大气已经非常稀薄，在这里阳光中的紫外线和X射线可以使得空气分子电离，自由的电子在与正电荷的离子合并前可以短暂地自由活动，这样在这个高度造成一个等离子体区域（电离层）。在这里自由电子的数量足以影响电波的传播。;电离层处于部分电离的中高层大气区，含有相当多的自由电子，但中性大气仍很稠密，因而中性分子和带电粒子的碰撞频繁。在电离层中阳光电离大气分子与离子重新捕获自由电子的过程平衡。一般来说高度越高，大气越稀薄，则电离过程越占上风。不过电离层的特性还随许多其它因素影响。

电离过程的主力是太阳及其活动。电离层内电离度主要由获得的太阳辐射所影响。因此电离层随周、日和季节而变化（冬季半球远离太阳，因此受到的辐射比较少）。除此以外随地球表面纬度的不同当地受到的太阳辐射强度也不同。耀斑和太阳风中的带电粒子可以与地球磁场相互作用，导致对电离层的扰乱。;太阳辐射对不同高度不同成分的空气分子电离造成电离层不同的分层;D层-蔟离子和负离子

电离层最低的一层，离地球表面60至90km。主要成份为NO+,另外还有O2+及一些负离子。在白天，主要是波长为121.5nm的赖曼-α氢光谱线的光电离一氧化氮。在夜间，D层由于缺乏电离源而消失。这个层里离子对自由电子的捕获率比较高，因此电离效应比较低，因此高频无线电波在D区不会被反射，但这个区域对高频电波的吸收影响很大。D层最明显的效应是白天远处的中波电台收不到。

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E层-分子离子区

是中层，在地面上90至120km。主要成分为NO+和O2+的分子离子。这里的电离主要是软X射线和远紫外线对氧分子的电离。由于该高度处背景大气仍然稠密，等离子体未受地磁场的支配，因此这一层主要处于光化学平衡状态。夜间E层的升高，电波可以被反射到更加远的地方。在E层会出现一些其他的特色层，如偶发E层。

Es层即偶发E层。一种在时间上较常见、出现于E层区域的不均匀结构。它有时是一片密集的不均匀体，有时是强电离的薄层电离区。中纬地区的薄层Es，厚度约为几百米至二公里左右,水平方向延伸一般为0.1～10公里。偶发E层多出现在???季。;

F层-原子离子区

离地面120至400km以上，又分为F1层和F2层。在这里太阳辐射中的强紫外线（波长10至100nm）电离单原子氧。F层对于电波传播来说是最重要的层。夜间F层合并为一个层，白天分为F1和F2两个层。F2层的电离密度比其他各层都要高，在电波传播中最为重要。大多数无线电波天波传送是F层形成的。在白天F层是电离层反射率最高的层。在F层高度，电离成分受到磁场控制，光化学过程和输运过程同时影响F层中各种成分的分布和活动。;空间天气事件对高层大气层的影响可以主要表现在两个方面：

（1）是粒子沉降，粒子的沉降增强电离层等离子体的电导率；

（2）电离层中的等离子体对流，对流在地球磁场的作用下产生一个电场体系。

增强的电导率和电场的同时作用可以产生一个很强的电流，这一过程主要是在极光区域。电流的增强会导致电离层等离子体的焦耳加热，最终转换为中性大气温度和密度的上升，并且产生等离子体不稳定性以及地面观测到的磁场的变化。

等离子体沉降的另外一个结果就是会产生极光。此外，电离层中等离子体的对流会通过摩擦力的作用将部分的能量转化给中性大气层，从而影响全球中性大气的循环;太阳扰动;在磁暴期间由磁层沉降到电离层的粒子主要成分是几keV的电子。它们环绕磁力线运动的同时与中性成分和离子发生碰撞，中性成分在这个过程中会发生电离，因此离子的产生率可以看做是粒子能量和高度的函数。

左图所示为典型的离子电离率随海拔的变化。此图是假设单一能量的粒子，上图为电子，下图为质子。

在E区附近，只有几十keV的电子才可以到达。在高纬地区，粒子沉降造成的电离有时可以比太阳极紫外射线电离高几个数量级。

在太阳质子事件中，高能的质子可以沉降到电离层，由图所示，同样能量的质子可以到达的高度比电子还要低。;电离层中电流是由电子和离子的相对运动产生的，因此电流的表达式为;在扰动期间典型的电离层电导率的典型分布;考虑到实用性，引入一个新的参量称为导率。

导率是对电导率较大区域进行的高度积分。通过此量我们可以非常方便的画出其随时间的变化，从而表示出空间天气事件中电离层随时间的变化。

;在电离层E区极光电集流的能量耗散主要是由Pedersen电流通过焦耳加热引起的。

由于Hall电流垂直于背景电场，因此Hall电流并不具有焦耳加热的作用。从微观上看，焦耳加热可以由带电粒子与中性粒子之间相互碰撞而产生。

除了焦耳加热，粒子沉降过程中，电子与离子的复合过程也会将一些能量转化为化学能。但通常小于焦耳加热。

因此在一次磁暴过程中，估算焦耳加热的总能量以及电子和离子复合的总能量，将其与太阳风输入磁层的总能量相比是有意义的