哈罗CQ火腿社区 - DX通信 - K9LA关于传播的纯理论文章----电离层的构成

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只看楼主倒序阅读 0楼发表于: 2014-04-15

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本文关注电离层自身-主要讨论的是电离层的构成。请注意，电离层是个复杂的系统，关于这个课题已经出版了好几本书，因此本文里我们有必要通过几个主要的特性来大致讨论下这个话题。不过文章中会有一些涉及到很基础、却又很重要的理论概念，希望这些理论能改澄清一些在业余无线电文献中不时出现的误解。

电离层的电子浓度值依赖于两个互逆过程：电子生成和电子损耗。电子生成与大气成分的数量密度 X 电离辐射强度 X 大气成分的横断面吸收 X电离效率，这四个因素有关。电子损耗则与其它三个因素有关（随后讨论）。

大气由占比为78.1%的氮气、20.9%的氧气和其它1%的气体构成。更深入的话，我们会发现构成电离层的大气成分是由氧原子和氧分子，氮分子和一氧化氮构成。前三者是电离层的主要构成成分，而最后的一氧化氮的含量则非常少。氮原子不在讨论中是因为氮分子不会直接分离为原子形式。图一表示的是随着高度的变化三种主要构成成分的数量密度。

氧原子的主要分布高度约为200Km，氮分子的主要分布高度略低于200Km，而氧分子的主要分布高度则略低于氮分子。现在我们知道了3种主要成分的数量密度，下面再说说电离辐射强度。

图二表示的是波长介于200到1600埃的太阳辐射的电离辐射强度（选取太阳平静时的典型值）

从图中可以看出，电离辐射强度不是一个平滑函数，而是在不连续的波长内具有多个峰值。上图是太阳色球层和日冕的光谱线（图中仅仅列出了几个强度大于0.01 ergs cm^-2 sec^{-1 的}主要值）。200-1600埃之间强度最大的光谱线是1215埃波长的氢原子莱曼-a光谱，这一强度比200-1600埃波长的其它辐射强度高出最少一个量级。

那么图二中所有波长的辐射都可以电离氧原子，氧分子，氮分子和一氧化氮么？答案是否定的。我们来看下大气四种主要成分的电离能量，并计算出辐射量大于电离能量的最大辐射波长（需要用到普朗克常数）。表一列出了能够电离四种主要成分的最大波长。

只有波长小于1340埃的辐射可以电离一氧化氮（图二中1215埃的光谱线是电离一氧化氮的重要因素，后面会多说点），只有波长小于1027埃的辐射能够电离氧分子以及另外两个大气成分。波长大于最大波长的辐射则无法电离任何成分，而这与它们自身的强度没有任何关系（比如，波长在4000-7000埃的可以见光无法电离任何成分，虽然可见光的强度很高）。现在我们知道了大气四种成分的电离辐射强度和最大辐射波长，下面我们会说一说四种成分中一种的横断面吸收。
横断面吸收可以告诉我们大气成分吸收的辐射量。大气成分必须吸收辐射才能完成电离过程，正是由于辐射被吸收，辐射强度才会随着高度降低而降低。再回过头看看图一，大气成分的数量密度则是随着高度降低而增加。因此，某个高度的电子生成率会有个最大值，因为决定生成率四个条件中的两个，一个是增函数（数量密度），另一个一个是减函数（辐射强度）。这一表述可以应用于多数情况下，也可以用于表述简单的电离层，尽管事实上还有其它因素需要考虑。
图三表示的是50-2400埃的氧分子的横断面吸收。

从表一我们可以得知，只有波长小于1027埃的辐射才能电离氧分子。图三表示的是被氧分子完全吸收的连续波长图，波长范围从100埃到700埃。从700到1027埃的波长范围内，有很多增加了的吸收的不连续线。上面我们说了下大气四种成分中一种的横断面吸收，我们还可以看看其它三种成分的横断面吸收。在讨论电离效率前，注意下图三种右上角嵌入的放大图。
这张嵌入图表示的是1160埃到1280埃波长之间的氧分子的横断面吸收放大图，重点需要关注的是在1215埃波长附近，横断面吸收突然减小（也就是大图中位于点线下方的一个峰值）。从图二得知，氢莱曼-a光谱线的辐射强度波长为1215埃，也就是说1215埃波长的辐射不会被氧分子吸收（有趣的是，这个波长的辐射其它大气成分也不会吸收）。因此1215埃波长的辐射会抵达低海拔区域电离一氧化氮，并产生白天的D区域。下面我们再来说说电离效率。
电离效率要考虑到所吸收能量有多少被用于产生电离作用。举例来说，氧原子的电离效率就是所有被吸收的能量都用于生成离子，且每个离子-电子对需要34 eV的能量。从表一可以知道，能够电离氧原子的最大辐射波长是911埃。而从图二可以看出，小于911埃波长，且具有最大辐射强度的是304埃波长的光谱线，该强度值约为0.163 ergs cm^-2 s^-1等于1.0 X 10¹¹ eV。对于只需要34 eV的离子-电子对来说，304埃波长的辐射可以被氧原子很好的吸收，产生很多的电离。
前面说到的影响电子生成的四个因素（大气成分的数量密度、电离辐射强度、大气成分的横断面吸收、电离效率）只是用于计算电离层电子浓度的一部分，电子损耗也是我们整个计算的另一部分。
影响电子损耗的三个因素是：电子与正离子的重组（这对E区域和F1区域很重要）、中性大气组分用于形成负离子所携带的电子数（这对D区域很重要）、以及等离子体整体运动导致的电子浓度变化（这对F2区域很重要）。
至此，你应该对决定电离层状况的大致过程（当然不是很详尽）有所了解。想要详尽的了解的话，就必须对每个大气成分在每个波长的电子生成率进行计算，然后对每个成分在每个波长上的结果求和计算出总的生成率。接下来还要算出电子损耗率，这样我们就能得到一个随着高度变化的电子浓度平衡式。考虑到每天不同的时间点、季节的不同、太阳周期的变化以及所处的地理位置不同，这是一个复杂的计算过程。好在有许多物理模型可以用于这个计算，这些物理模型被不断的改进，为我们提供了一个较为完善的电离层模型。
我们可以用个表格，分别列出前面讨论过的所有影响到电离层不同区域的大气成分、辐射波长。表二就列出了这些数据。

在结束本文前，我们来看看电离层的另一个有趣的特征。图四对图一增加了典型白天电离浓度（从中可以看出大气主要成分的数量浓度）

图四可以看出典型白天电子浓度比大气成分（N₂ + O + O₂以及其它未列出成分）总浓度值要小几个量级。在F区域高度，电子浓度值比总浓度值要小4个量级，E区域高度则要小8个量级。换句话说就是平均只有百万份之一的大气成分被电离，幸运的是这些已经足够支持我们的短波天波传播了。这一有趣的事实可能也是电离层每天的变化都和中性大气有关的原因（这个论述曾在2004年8月刊上讨论过）。如上所述，中性成分（短期内中性）比电子和正离子在数量上要多出一百万倍。由于正离子与中性物质具有相同的质量，并以很高的速度撞击中性物质，正离子被中性物质带着一起运动。电子随后则跟着正离子运动以维持电荷中性，这也是电离层可以跟着未电离的中性物质“悬浮”于大气层中的原因。对流层、平流层、中间层中间的活动会作用并影响到电离层，可是目前来说我们还无法很好的处置这些影响。

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