电离层形态

电子密度N的时空变化

电离层形态指电离层参量的时间、空间变化特征，主要是电子密度N的时空变化。

基本介绍

电离层参量的时间、空间变化特征，主要是电子密度N的时空变化。

地球大气的电离源主要是太阳。太阳上发生的各种过程、地球和太阳相对运动、地球磁场等因素都会对电离层产生影响，使其形态非常复杂，具有昼夜的、季节的、太阳黑子周的、纬度的和受地磁场制约的多种变化。由于电离层各层的化学结构、热结构不同，各层的变化情况也不尽相同。

D层形态　交叉调制法(见低电离层探测)得到的一组白天不同时间 D层电子密度随高度的变化曲线，它反映了电子密度随太阳天顶角的变化和对正午的不对称性。　白天D层电子密度分布的一个最显著特征是，在中低纬度地区约80～90公里高度存在很陡的梯度，或称为“缘”。它的高度受太阳天顶角、季节、太阳活动性和地磁场的制约。

D层电离有季节变化。夏季，中纬地区D层电子密度逐日变化甚小，且极有规律；但在冬季，逐日有相当大的变化，且比较复杂。冬季的某些天，在80公里左右电子密度的增加，造成中波和短波的异常吸收,这就是D层“冬季异常”。一般，电子密度正午值夏季高于春秋季，春秋季又高于冬季，只是在“冬季异常”时例外。

D层变化同太阳黑子数相关。一般可用电离层吸收的变化近似代表D层电子密度的变化,太阳黑子极大年和极小年的吸收比大约为2:1。在80公里附近,黑子高年电子密度N的平均值显著大于低年的平均值。此外,当天顶角为常数时，在黑子低年期间,65～85公里夏季N值大于冬季N值,在更高的高度上没有这种变化。但在黑子高年期间情况正相反，在82～95公里冬季N值大于夏季N值，而在较低的高度上没有这种变化。

D层电子密度随纬度而变。由于观测数据不足(尤其是在中纬地区),其规律还不十分清楚。在70～90公里高度范围内，电子密度有一异常的纬度变化，即在中纬度地区和磁赤道附近的电子密度数值大约是这两地区之间（约在磁倾角±20°处）电子密度数值的一半。D层冬季异常主要发生在中纬地区，在低纬未见此种现象。而在高纬地区，磁暴引起的严重吸收较为普遍,加上D层处于漫长的黑暗期，难以判断是否存在冬季异常。

E层形态　E层是电离层中最有规律的一层，其日变化、季节变化和全球变化受太阳天顶角和太阳活动的控制，但也存在某些异常。

E层最大电子密度NmE对应的临界频率f0E，在一级近似下有关系式：

f0E=0.9【(180+1.44R)cosx】1/4，

其中R为太阳黑子数,x为太阳天顶角。这一公式既反映了中纬地区f0E随太阳黑子数的变化,又可表达日变化和季节变化；但在单独表征日变化时，幂指数将在 0.1～0.4之间变动。

在春分和夏至时,f0E的全球形态。在纬度变化上,秋分同于春分，而冬至和夏至则恰恰相反,即将夏季图形绕赤道线转180°就成冬季图形。可以看出,无论在什么季节，f0E近似以正午时刻为对称点。　E层高度也存在着规律变化。一般在日出后随着电子密度的增大而逐渐下降，中午时下降到最低高度，此后又逐渐升高，日落时恢复到日出时的高度，但这一高度变化只有数公里。高度的季节变化主要是由太阳高度的变化引起的，约为5～10公里，最大值在冬季。

Es层形态　由于它的偶发性，所以常用统计方法来研究它的变化规律，即计算其临界频率fEs超过某一参考值的时间和频次，以及在频高图上呈现的不同类型Es的发生率。

Es层在全球具有赤道、中纬和极区3个地区特征。赤道区Es基本上是白天现象，无季节变化；它的分布宽度为磁倾角±7°，即约400～500公里,并具有最高的fEs值。在中纬地区,fEs的季节变化是主要的,它基本上属于夏季现象，在北半球出现于5～9月，在南半球出现于11月至第二年的2月；且fEs的值较小,日变化也不明显。在极区，Es层的出现和极光相联系，并多见于夜间，无季节变化。Es层出现频次的日变化和季节变化至今尚未得到明确的解释。

Es层高度的变化范围约为105～125公里。Es层高度的全球表现有 4个特点：①小的日变化，②无季节变化，③与黑子数无关，④太阳半日变化约为0.5公里。

F1层形态　像E层一样紧密地受太阳控制。它在黎明时出现，在正午过后几分钟电子密度达到当天的最大值，黄昏时消失。临界频率近似由下式描述：

f0F1=(4.3+0.01R)cos(0.2x)，

它反映了F1层电子密度随时间和地区的变化规律。f0F1的昼夜、季节和纬度变化类似于E层形态。

F1层最大电子密度所在高度hmF1，在近傍晚时增高，夏季值大于冬季值，低纬值大于高纬值。

F2层形态　变化最为复杂，在太阳和地磁场的影响下，存在许多“异常”，很难用简单的理论来解释。测定F2层临界频率f0F2要比测定F2层最大电子密度出现的高度方便得多,同时f0F2的变化也能提供F2层发生的一些主要过程的信息，因此F2层的形态常用f0F2（或NmF2）的变化来描述。

在太阳活动最高和最低(黑子数表示)时分季的NmF2等值线分布，它反映了F2层的时空变化。　随着太阳升起，F2层电离加剧(在低纬度尤为明显)，但很少在正午达到最大值。在地球的某些部分，午前达到最大值；而在另一些部分，午后才达到最大值。夜间的下降常是缓慢的。有时可在夜间观测到第二个峰值。

在春秋分时节NmF2对地理赤道的对称性并不明显,但可见到较肯定的磁倾角对称性。

白天f0F2的最大值不在地理赤道上，也不在磁赤道上，而是位于沿磁赤道两侧10°或15°的两条带上。于是存在一赤道压缩，这就是赤道槽。赤道两侧的最大值称为双驼峰现象。1947年中国桂质廷、梁百先曾指出这种现象是受地磁控制的。双峰的幅度随太阳活动增强而增强；而且随着高度的增加,双峰向着磁赤道逼近。卫星观测表明，双峰在最大电离值高度之上最终会合在一处。　F2层的季节变化还存在一些现象至今未得到满意的解释。一种现象被称为“十二月异常”,即在地球上50°N和35°S之间的部分地区,在11、12、1月每天正午测到的f0F2具有很大的数值。另一种现象称为“季节异常”，即从中纬到高纬，冬季白天的f0F2值不小于对应的夏季值，特别是在太阳活动极大年，冬季值显著地大于夏季值。在北半球，十二月属于冬季，于是上述两种异常叠加起来，使得f0F2的数值比这一年的其他季节大得多。

f0F2随太阳黑子活动周期而变化,表示两个黑子周期内f0F2与黑子相对数R的相关曲线。　扩展 F形态　常用统计方法研究它出现的规律。扩展 F的出现有季节、纬度以及随太阳活动和地磁活动的变化。

扩展 F的最大出现率只在两个地区存在：一个是只在夜间才出现的赤道区;一个是极区。在磁纬20°～40°地区较少观测到扩展F。

赤道扩展 F常出现于午夜之前。在低磁纬区,扩展F最大出现率是在21时到01时（地方时），黑子数最高时提早1小时，夏季出现率大于冬季。中纬地区的扩展F不是一种常有现象，主要发生在午夜之后。在较高纬度处，扩展 F常出现在冬季午夜和日出之间的时间。近磁极处，冬季的白天和夜间扩展F经常存在；夏季里,它的出现率在晚上仍保持很高频次，而在正午只有50～60%。赤道扩展F的出现率在黑子低年要大于高年;而在磁纬60°以上地区，扩展F出现率随黑子数的增加而上升。

扩展F与地磁活动有以下的关系：赤道区扩展F出现于磁静日，并在磁暴开始时消失，这一区域包括以磁赤道为中心的整个60°纬度带；在中纬区扩展 F基本上在磁暴时出现，而在磁纬60°以上的区域，当有磁暴时就不存在扩展F了。

F2层以上区域电子生成率和消失率（见电离层的形成）都很小，电离层等离子体的行为完全受输运过程的控制。人造卫星对这一广大范围内的电子密度进行了许多探测，基本上得到了其时空分布的平均结果。

参考书目

H. Rishbeth and O.K. Garriott,Introduction toionospherePhysics,Academic Press,New York,1969.

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