电离层的构成.docx

电离层的构成作者：K9LA,翻译：BH4SRC本文关注电离层自身-主要讨论的是电离层的形成。请注意，电离层是个复杂的系统，关于这个话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：电子生成和电子吸收。电子生成率与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和电离效率有关。电子吸收率则与三个因素有关（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、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。图一-大气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）图二-电离辐射强度从图中可以看出，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0.01ergs cm-2 sec-1 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-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。成分电离能量, eV最大波长, 埃NO9.251340O212.081027O13.61911N215.58796表1 – 电离能量和最大电离波长只有波长小于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，因为决定生成率的两个条件一个是增函数一个是减函数。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。图 3 – 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。再讨论电离效率前，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-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34eV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，具有最大辐射强度的是304埃波长的光谱线，该强度值约为0.163ergs cm-2 s-1等于1.0 X 1011eV。对于只需要34eV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率的四个因素（大气成分的数量密度、电离辐射