电离层物理与电波传播1

H = κ T / mg 。标高 H
是常数。 是常数。
3、辐射是单色的，具有恒定的波长，因此， 3、辐射是单色的，具有恒定的波长，因此，吸收
辐射吸收与电离
辐射强度 的衰减等于单位时间和 辐射强度 I 的衰减等于单位时间和单位体 积内大气吸收的总能量， 积内大气吸收的总能量， 大气吸收的总能量
电离层垂直结构示意图
电离密度的时间变化* 电离密度的时间变化*连续性方程
在太阳辐射作用下， 气层的部分中性气体发生电离，生成大 发生电离 在太阳辐射作用下，大气层的部分中性气体发生电离，生成大 量自由电子-离子对，从而形成电离层 形成电离层。 量自由电子-离子对，从而形成电离层。 电子 电离过程所涉及的主要中性气体成分是 电离过程所涉及的主要中性气体成分是 O2、N2、O 和 H。 在中低纬，电离所需要的能量主要来自太阳的远紫外和 X 射线 在中低纬， 辐射。 辐射。 光电离产生的电子-离子对， 电离产生的电子-离子对，既可能通过复合消失， 电子 既可能通过复合消失，也可能与其 它气体成分重新反应产生新的离子，还可以通过扩散或漂移从 它气体成分重新反应产生新的离子，还可以通过扩散或漂移从 或漂移 一处运动到另一处。这样，就存在一个动态平衡， 部区域内， 一处运动到另一处。这样，就存在一个动态平衡，局部区域内， 带电粒子密度的时间变化依赖于生成、 带电粒子密度的时间变化依赖于生成、 密度的时间变化依赖于生成 消失和输运过程的平衡。 消失和输运过程的平衡。 的平衡
∂ne / ∂t = −∇ ⋅ ( neV )
这是扩散平衡区域。 这是扩散平衡区域。
Chapman 电离生成理论
太阳辐射与电离
太阳远紫外辐射和 射线辐射作用于地球中性大气 使中性大气粒子电离，生成电子辐射作用于地球中性大气， 太阳远紫外辐射和 X 射线辐射作用于地球中性大气，使中性大气粒子电离，生成电子远紫外辐射 离子对。设 X 是某种大气成分的分子或原子，按照质量作用定律， 离子对。 是某种大气成分的分子或原子，按照质量作用定律，
q = ησ nI ，
表示电离生成率 电离生成率， 的中性成分的吸收截面， 式中 q 表示电离生成率， σ 是密度为 n 的中性成分的吸收截面， I 是 太阳辐射强度， 表示单位时间和单位体积内中性大气粒子吸收的 中性大气 太阳辐射强度， nI 表示单位时间和单位体积内中性大气粒子吸收的 辐射强度 σ 总能量， 电离效率，即被吸收的辐射能量的多大部分有效 有效用于 总能量，η 是电离效率，即被吸收的辐射能量的多大部分有效用于 电离过程。 电离过程。
沿垂直方向，电离层分为四个特征区域，在垂测的电离图上， 沿垂直方向，电离层分为四个特征区域，在垂测的电离图上，它们有 不同的特征。不同的层之间并没有明显的边界或极小。 不同的特征。不同的层之间并没有明显的边界或极小。主要的四个区 域是 D 区、E 区、F1 区和 F2 区。F1 区和 F2 区有时也统称为 F 区。 在白天，四个层区的大致高度范围和电子密度为： 在白天，四个层区的大致高度范围和电子密度为： 60-90km， D 区 60-90km， E 区 105-160km， 105-160km， 160-180km， F1 区 160-180km， 以上， F2 区 200km 以上，
X + hν ⇔ X + + e
+ 例如： 例如： O + 和自由电子。反应是可逆的。 这样就产生了这种大气成分的正离子和自由电子。反应是可逆的。 辐射强度和中性大气成分的数密度是控制电离速率的两种基本因素。 辐射强度和中性大气成分的数密度是控制电离速率的两种基本因素。 控制电离速率的两种基本因素 在白天，引起电离的太阳辐射强度随太阳的天顶角变化，中午最强， 在白天，引起电离的太阳辐射强度随太阳的天顶角变化，中午最强，电子密度的大小 太阳辐射强度随太阳的天顶角变化 也大致随太阳的天顶角变化。在夜间，来自太阳的辐射源不存在，电子密度逐渐减小。 也大致随太阳的天顶角变化。在夜间，来自太阳的辐射源不存在，电子密度逐渐减小。 这样，在给定地点 太阳辐射存在日变化，电离层电子密度也有明显的日变化。 地点， 这样，在给定地点，太阳辐射存在日变化，电离层电子密度也有明显的日变化。 因为辐射强度随高度降低而减弱，引起电离的能力也随高度降低而减弱；另一方面， 因为辐射强度随高度降低而减弱，引起电离的能力也随高度降低而减弱；另一方面， 辐射强度随高度降低 中性大气密度随高度降低而增大， 中性大气密度随高度降低而增大， 降低而增大 吸收的辐射能量产生电子-离子对的数量随高度降低 吸收的辐射能量产生电子而增加。可见，上述两种因素随高度变化的倾向相反。 随高度变化 而增加。可见，上述两种因素随高度变化的倾向相反。 由此可以推断，电离密度还应该随高度变化，并且电离密度可能在某个高度上存在一 由此可以推断，电离密度还应该随高度变化，并且电离密度可能在某个高度上存在一 个极值 个极值。
8 10 -3 10 -10 m 8 10 -3
1010-1011m-3 1011-1012m-3 上下， 最大电子密度高度在 300km 上下，
12 13 -3 对应的最大电子密度为 10 -10 m 12 13 -3
10
11 -3
区在夜间消失。 区在夜间变得很弱。 D 区和 F1 区在夜间消失。E 区在夜间变得很弱。F2 区在白天和夜间都 存在，不过，在夜间电子密度数值比白天小。 存在，不过，在夜间电子密度数值比白天小。
电子密度时间的变化服从连续性方程， 电子密度时间的变化服从连续性方程， 变化服从连续性方程
∂ne = q − L − ∇ （ neVe ) , ⋅ ∂t
单位时间和单位体积内的电子生 方程中 方程 中 q 和 L 分别 是 单位时间和单位体积内的电子 生 成率和消失率， 右端第三项 ∇（ neVe ) 代表在给定区域内、 代表在给定区域内、 成率和消失率， ⋅
在电离层发现的初期， 最早研究了电离层生成理论 电离层生成理论。 在电离层发现的初期，Chapman 最早研究了电离层生成理论。研究结 电离生成函数 生成函数。 可以在理论上预测具有单一层状 具有单一层 果得到 Chapman 电离生成函数。它可以在理论上预测具有单一层状 结构的电离层高度剖面的形状及其在一天里如何随天顶角变化。 结构的电离层高度剖面的形状及其在一天里如何随天顶角变化。 的电离层高度剖面 生成理论，电子-离子对的生成率与电离辐射强度 电离辐射强度、 按照 Chapman 生成理论，电子-离子对的生成率与电离辐射强度、中 性气体成分的密度、中性气体的辐射吸收截面以及电离效率这 以及电离效率 性气体成分的密度、中性气体的辐射吸收截面以及电离效率这四个 因素有关。 因素有关。 这样得到电子这样得到电子-离子对的生成率为
电离层的一般性质
电离层是离地表最近的大气电离区域， 电离层是离地表最近的大气电离区域，也是对人类生活有最大影响的大气电 离区域。 离区域。 电离层中有充分多的自由电子和正离子， 电离层中有充分多的自由电子和正离子 ，足以对无线电波传播产生重要影 响。 在任意给定的宏观区域内 都有相同数量的正、负带电粒子。从整体上看， 在任意给定的宏观区域内，都有相同数量的正、负带电粒子。从整体上看， 电离层介质呈电中性。 电离层介质呈电中性。 尽管在数量上带电粒子仅仅是中性气体粒子的非常小的一部分(1%或更小) 尽管在数量上带电粒子仅仅是中性气体粒子的非常小的一部分(1%或更小)， 在数量上带电粒子仅 非常小的一部分(1%或更小 但它们的存在非常明显地改变了大气的电性质，使这部分大气成为等离子体 它们的存在非常明显地改变了大气的电性质， 存在非常明显地改变了大气的电性质 状态。主要的效应是：对各种波段的无线电波的传播都有显著的影响。 状态。主要的效应是：对各种波段的无线电波的传播都有显著的影响。 电离层的主要特性之一是在大的几何尺度上具有水平分层结构。也就是说， 电离层的主要特性之一是在大的几何尺度上具有水平分层结构。也就是说， 在大的几何尺度上具有水平分层结构 电离层各种物理参数的变化，在垂直方向上远比在水平方向上大。因此， 电离层各种物理参数的变化，在垂直方向上远比在水平方向上大。因此，作 的变化 为初级近似，可以合理地假定电离层是水平分层的。 级近似，可以合理地假定电离层是水平分层的。
电离层物理与 电离层物理与电波传播
电离层物理与电波传播》 《电离层物理与电波传播》 课 程 内 容 题 纲
电离层及其分层结构 及其分层结构形成的原理过程 1. 电离层及其分层结构形成的原理过程 2. 中低纬电离层电动力学 3. 赤道扩展 F 和 E 层电集流中的不规则结构 4. 高纬电离层电动力学 5. 磁离子理论 6. 电磁波在色散介质中的传播 7. 射线理论和射线追踪 8. 垂测与斜向传播
V 随时间的变化， 由输运过程引起的电子密度 ne 随时间的变化， e 是电子 输运过程引起的电子 引起的电
表示电子数通量密度 电子数通量密度。 的宏观运动速度。 neVe 表示电子数通量密度。 宏观运动速度。 运动速度 对电离密度时间变化率，在不同的高度区域， 对电离密度时间变化率，在不同的高度区域，连续性方 程右端各项的相对重要性是变化的。 右端各项的相对重要性是变化的。 的相对重要性是变化的
参考书目： 参考书目：
拉特克利夫，电离层与磁层引论，科学出版社，吴雷， 1、 J.A. 拉特克利夫，电离层与磁层引论，科学出版社，吴雷，宋 笑亭译，1980。 笑亭译，1980。 叶公节，刘兆汉，电离层波理论，科学出版社，王椿年， 2、 叶公节，刘兆汉，电离层波理论，科学出版社，王椿年，尹元昭 译，1983。 1983。 3、 电磁波传播原理，侯杰昌著，武汉大学出版社，1991。 电磁波传播原理，侯杰昌著，武汉大学出版社， 991。 Earth′ 4、 Kelley, M.C., The Earth′s Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynomics, ACADEMIC PRESS, INC., 1989. 5、 Schunk, R.W., Ionospheres: Physics, Plasma Physics, and Cambridge Chemistry, Cambridge University Press, 2000.