電離層結構
正文
電離層結構可以利用電離層中電子密度、離子密度、電子溫度、離子溫度等參量的空間分布來表示，但其中最重要的是電子密度的空間分布。研究電離層結構主要是研究電子密度隨高度的分布。電子密度，也稱電子濃度，是指單位體積的自由電子數。電子密度隨高度的變化與各個高度上大氣的成分、密度、太陽輻射通量等因素有關。電離層分層結構 觀測表明，電離層電子密度在垂直方向上呈分層結構。在離地球表面約60～1000公里高度範圍內，主要有 3層：D層、E層和F（F1與F2）層。大約在 300公里處電子密度達到最大值，再往上電子密度緩慢下降，在約1000公里處同磁層銜接。在中緯度地區，太陽活動高年和低年、白天和夜間的典型電子密度與高度的關係如圖1。 D 層 電離層的底部，電離度較低（包括多種原子離子團）的大氣所構成的一層，約位於60～90公里的區域。在這一範圍內，層狀結構不如E層和F層明顯，所以有時稱之為E層的“緣”。在D層中，由於中性大氣成分密度很大，電子和中性粒子之間的碰撞頻繁，並與分子結合形成負離子，因此D層離子密度大於電子密度,這是D層的一個特點。
在D層區域，電離過程主要是太陽的氫賴曼α（Lα）譜線對NO的光電離，發生的高度在80公里左右。其次是1027～1118埃的太陽輻射對O2的電離。最低處 60公里左右是銀河宇宙線和太陽X射線產生的N娚和O娚。D層電子密度在103厘米-3以下。在夜間電子大量消失，以致可以認為D層不復存在。
E層 約在90～140公里的區域,其位置比較穩定。E層電子密度介於103～105厘米-3之間。在中緯度地區,E層電子密度峰值的高度通常位於110～120公里，而在低緯地區約低10公里。火箭探測表明,從這一高度到F層之間的區域，電子密度不像早期認為的那樣存在著一個深的“谷”區。日落後，E層電子密度峰值下降到夜間值,典型數據為5×103厘米-3。
太陽紫外線（1000～1020埃）和軟X射線（10～170埃）是E層光致電離的主要源，主要離子成分是O娚和NO+。由於E層的形成同多種波長的輻射有關,故其垂直結構比較複雜。
F層 在E層之上一直到數百甚至上千公里統稱為F層，是電離層的主要區域。白天F層分為F1層和F2層，F2層處於F1層之上，夜間F1層消失。F1層和F2層在化學結構（離子成分）、熱結構和受地磁場控制等方面各具特點。
①F1層 高度一般在140～200公里之間。電子密度為104～105厘米-3。它與F2層經常無明顯分界而表現為F2層底部的一個“緣”。同E層一樣,F1層電子密度分布也比較接近查普曼層。
F1層是被大氣強烈吸收的那部分遠紫外輻射所產生的。500～600埃的輻射在大約 160公里高度達到單位光學深度（見電離層的形成），因而200～910埃範圍內的輻射可能都對F1層的電離有貢獻。這些輻射產生離子O娚、N娚、O+、H媇和N+。由於隨後的一系列反應，最終產物以NO+和O娚為主。隨著高度上升,主要離子成分由分子逐漸過渡為原子離子。
②F2層 F層主要是指F2層。它有明顯的電子密度峰值,峰值高度約在300公里，峰值密度可達106厘米-3。在這一峰值高度以上，電子密度隨著高度的增加而緩慢減少。在1000公里處，電子密度約為105～104厘米-3; 而在2000～3000公里，電子密度約為103～102厘米-3。F2層電離源與F1層相同。主要離子成分為原子離子，有O+和N+，其中 O+是主要的。負離子和雙電荷正離子很少，正離子密度與電子密度相等。
電離層不均勻結構 除了上述正規層次外，電離層區域還存在不均勻結構。它們是由電離層的不均勻體構成的，或由電離密度匯聚引起的，如Es層和擴展F。
Es層 即偶發E層。一種在時間上較常見、出現於E層區域的不均勻結構。它有時是一片密集的不均勻體，有時是強電離的薄層電離區。中緯地區的薄層Es，厚度約為幾百米至二公里左右,水平方向延伸一般為0.1～10公里，但也有擴展到數百公里的；高度大致在 110公里，最大電子密度可達106厘米-3；底部的電子密度梯度大約為105～106厘米-3·公里-1。
擴展F 是一種發生在F區域的不均勻結構，它在頻高圖（亦稱電離圖）上的表現如圖2。圖中正常的F層描跡逐漸擴展，它是F層電子密度不均勻體對電波散射的結果，擴展F由此得名。在赤道區,這種不均勻體常沿地磁場方向拉長，並且分布在較寬的高度範圍，從250公里直至1000公里以上。 電離層的熱結構 電子溫度、離子溫度隨高度的分布稱為電離層的熱結構。由於光電子將動量傳給電子比傳給離子來得快；而離子將動量傳給中性粒子又比電子要快，於是3種粒子溫度常滿足關係Te>Ti>Tn，其中Te為電子溫度，Ti為離子溫度,Tn為中性粒子溫度（又稱中性氣體溫度）。在120公里以下碰撞頻率很大，3種溫度接近相等。而在這一高度之上到200公里,地球向陽面的Te急劇上升,達到中性粒子溫度的3倍。在200公里以上,電子溫度同電子密度的高度分布關係極為密切，通常二者變化相反。離子溫度在 350公里以下接近中性粒子溫度；但在這一高度之上Ti開始增加，直到最後Ti=Te。在1000公里以上，這兩種溫度可能比中性粒子溫度高几千開。在夜間由於光電離停止，3種氣體溫度趨向相等。
參考書目
H. Rishbeth and O.K. Garriott, Introduction to Ionospheric Physics,Academic Press,New York,1969.
趙九章等編著：《高空大氣物理學》，上冊，科學出版社，北京，1965。
