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  • 电离层形态

    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。

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      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  图1是由交叉调制法(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)cos x1/4

    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的全球形态如图2。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。从图2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f Es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f Es值。在中纬地区,f Es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f Es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图2的E层形态。
      F1层最大电子密度所在高度hm F1,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。
      图3是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(图4)。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,图5表示两个黑子周期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 to ionosphere Physics,Academic Press,New York,1969.

     

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