電離層形態指電離層參量的時間、空間變化特徵，主要是電子密度N的時空變化。
基本介紹
- 中文名：電離層形態
- 定義：電子密度N的時空變化
- 電離源：主要是太陽
- 形態：具有晝夜的、季節的等多種變化
正文,
正文
電離層參量的時間、空間變化特徵，主要是電子密度N的時空變化。
地球大氣的電離源主要是太陽。太陽上發生的各種過程、地球和太陽相對運動、地球磁場等因素都會對電離層產生影響，使其形態非常複雜，具有晝夜的、季節的、太陽黑子周的、緯度的和受地磁場制約的多種變化。由於電離層各層的化學結構、熱結構不同，各層的變化情況也不盡相同。
地球大氣的電離源主要是太陽。太陽上發生的各種過程、地球和太陽相對運動、地球磁場等因素都會對電離層產生影響，使其形態非常複雜，具有晝夜的、季節的、太陽黑子周的、緯度的和受地磁場制約的多種變化。由於電離層各層的化學結構、熱結構不同，各層的變化情況也不盡相同。
D層形態 圖1是由交叉調製法(見低電離層探測)得到的一組白天不同時間 D層電子密度隨高度的變化曲線，它反映了電子密度隨太陽天頂角的變化和對正午的不對稱性。 白天D層電子密度分布的一個最顯著特徵是，在中低緯度地區約80～90公里高度存在很陡的梯度，或稱為“緣”。它的高度受太陽天頂角、季節、太陽活動性和地磁場的制約。
D層電離有季節變化。夏季，中緯地區D層電子密度逐日變化甚小，且極有規律；但在冬季，逐日有相當大的變化，且比較複雜。冬季的某些天，在80公里左右電子密度的增加，造成中波和短波的異常吸收,這就是D層“冬季異常”。一般，電子密度正午值夏季高於春秋季，春秋季又高於冬季，只是在“冬季異常”時例外。
D層變化同太陽黑子數相關。一般可用電離層吸收的變化近似代表D層電子密度的變化,太陽黑子極大年和極小年的吸收比大約為2:1。在80公里附近,黑子高年電子密度N的平均值顯著大於低年的平均值。此外,當天頂角為常數時，在黑子低年期間,65～85公里夏季N值大於冬季N值,在更高的高度上沒有這種變化。但在黑子高年期間情況正相反，在82～95公里冬季N值大於夏季N值，而在較低的高度上沒有這種變化。
D層電子密度隨緯度而變。由於觀測數據不足(尤其是在中緯地區),其規律還不十分清楚。在70～90公里高度範圍內，電子密度有一異常的緯度變化，即在中緯度地區和磁赤道附近的電子密度數值大約是這兩地區之間（約在磁傾角±20°處）電子密度數值的一半。D層冬季異常主要發生在中緯地區，在低緯未見此種現象。而在高緯地區，磁暴引起的嚴重吸收較為普遍,加上D層處於漫長的黑暗期，難以判斷是否存在冬季異常。
E層形態 E層是電離層中最有規律的一層，其日變化、季節變化和全球變化受太陽天頂角和太陽活動的控制，但也存在某些異常。
E層最大電子密度NmE對應的臨界頻率f0E，在一級近似下有關係式：
D層電離有季節變化。夏季，中緯地區D層電子密度逐日變化甚小，且極有規律；但在冬季，逐日有相當大的變化，且比較複雜。冬季的某些天，在80公里左右電子密度的增加，造成中波和短波的異常吸收,這就是D層“冬季異常”。一般，電子密度正午值夏季高於春秋季，春秋季又高於冬季，只是在“冬季異常”時例外。
D層變化同太陽黑子數相關。一般可用電離層吸收的變化近似代表D層電子密度的變化,太陽黑子極大年和極小年的吸收比大約為2:1。在80公里附近,黑子高年電子密度N的平均值顯著大於低年的平均值。此外,當天頂角為常數時，在黑子低年期間,65～85公里夏季N值大於冬季N值,在更高的高度上沒有這種變化。但在黑子高年期間情況正相反，在82～95公里冬季N值大於夏季N值，而在較低的高度上沒有這種變化。
D層電子密度隨緯度而變。由於觀測數據不足(尤其是在中緯地區),其規律還不十分清楚。在70～90公里高度範圍內，電子密度有一異常的緯度變化，即在中緯度地區和磁赤道附近的電子密度數值大約是這兩地區之間（約在磁傾角±20°處）電子密度數值的一半。D層冬季異常主要發生在中緯地區，在低緯未見此種現象。而在高緯地區，磁暴引起的嚴重吸收較為普遍,加上D層處於漫長的黑暗期，難以判斷是否存在冬季異常。
E層形態 E層是電離層中最有規律的一層，其日變化、季節變化和全球變化受太陽天頂角和太陽活動的控制，但也存在某些異常。
E層最大電子密度NmE對應的臨界頻率f0E，在一級近似下有關係式：
f0E=0.9【(180+1.44R)cosx】1/4，
其中R為太陽黑子數,x為太陽天頂角。這一公式既反映了中緯地區f0E隨太陽黑子數的變化,又可表達日變化和季節變化；但在單獨表征日變化時，冪指數將在 0.1～0.4之間變動。
在春分和夏至時,f0E的全球形態如圖2。在緯度變化上,秋分同於春分，而冬至和夏至則恰恰相反,即將夏季圖形繞赤道線轉180°就成冬季圖形。從圖2可以看出,無論在什麼季節，f0E近似以正午時刻為對稱點。 E層高度也存在著規律變化。一般在日出後隨著電子密度的增大而逐漸下降，中午時下降到最低高度，此後又逐漸升高，日落時恢復到日出時的高度，但這一高度變化只有數公里。高度的季節變化主要是由太陽高度的變化引起的，約為5～10公里，最大值在冬季。
Es層形態 由於它的偶發性，所以常用統計方法來研究它的變化規律，即計算其臨界頻率fEs超過某一參考值的時間和頻次，以及在頻高圖上呈現的不同類型Es的發生率。
Es層在全球具有赤道、中緯和極區3個地區特徵。赤道區Es基本上是白天現象，無季節變化；它的分布寬度為磁傾角±7°，即約400～500公里,並具有最高的fEs值。在中緯地區,fEs的季節變化是主要的,它基本上屬於夏季現象，在北半球出現於5～9月，在南半球出現於11月至第二年的2月；且fEs的值較小,日變化也不明顯。在極區，Es層的出現和極光相聯繫，並多見於夜間，無季節變化。Es層出現頻次的日變化和季節變化至今尚未得到明確的解釋。
Es層高度的變化範圍約為105～125公里。Es層高度的全球表現有 4個特點：①小的日變化，②無季節變化，③與黑子數無關，④太陽半日變化約為0.5公里。
F1層形態 像E層一樣緊密地受太陽控制。它在黎明時出現，在正午過後幾分鐘電子密度達到當天的最大值，黃昏時消失。臨界頻率近似由下式描述：
在春分和夏至時,f0E的全球形態如圖2。在緯度變化上,秋分同於春分，而冬至和夏至則恰恰相反,即將夏季圖形繞赤道線轉180°就成冬季圖形。從圖2可以看出,無論在什麼季節，f0E近似以正午時刻為對稱點。 E層高度也存在著規律變化。一般在日出後隨著電子密度的增大而逐漸下降，中午時下降到最低高度，此後又逐漸升高，日落時恢復到日出時的高度，但這一高度變化只有數公里。高度的季節變化主要是由太陽高度的變化引起的，約為5～10公里，最大值在冬季。
Es層形態 由於它的偶發性，所以常用統計方法來研究它的變化規律，即計算其臨界頻率fEs超過某一參考值的時間和頻次，以及在頻高圖上呈現的不同類型Es的發生率。
Es層在全球具有赤道、中緯和極區3個地區特徵。赤道區Es基本上是白天現象，無季節變化；它的分布寬度為磁傾角±7°，即約400～500公里,並具有最高的fEs值。在中緯地區,fEs的季節變化是主要的,它基本上屬於夏季現象，在北半球出現於5～9月，在南半球出現於11月至第二年的2月；且fEs的值較小,日變化也不明顯。在極區，Es層的出現和極光相聯繫，並多見於夜間，無季節變化。Es層出現頻次的日變化和季節變化至今尚未得到明確的解釋。
Es層高度的變化範圍約為105～125公里。Es層高度的全球表現有 4個特點：①小的日變化，②無季節變化，③與黑子數無關，④太陽半日變化約為0.5公里。
F1層形態 像E層一樣緊密地受太陽控制。它在黎明時出現，在正午過後幾分鐘電子密度達到當天的最大值，黃昏時消失。臨界頻率近似由下式描述：
f0F1=(4.3+0.01R)cos(0.2x)，
它反映了F1層電子密度隨時間和地區的變化規律。f0F1的晝夜、季節和緯度變化類似於圖2的E層形態。
F1層最大電子密度所在高度hmF1，在近傍晚時增高，夏季值大於冬季值，低緯值大於高緯值。
F2層形態 變化最為複雜，在太陽和地磁場的影響下，存在許多“異常”，很難用簡單的理論來解釋。測定F2層臨界頻率f0F2要比測定F2層最大電子密度出現的高度方便得多,同時f0F2的變化也能提供F2層發生的一些主要過程的信息，因此F2層的形態常用f0F2（或NmF2）的變化來描述。
圖3是在太陽活動最高和最低(黑子數表示)時分季的NmF2等值線分布，它反映了F2層的時空變化。 隨著太陽升起，F2層電離加劇(在低緯度尤為明顯)，但很少在正午達到最大值。在地球的某些部分，午前達到最大值；而在另一些部分，午後才達到最大值。夜間的下降常是緩慢的。有時可在夜間觀測到第二個峰值。
在春秋分時節NmF2對地理赤道的對稱性並不明顯,但可見到較肯定的磁傾角對稱性。
白天f0F2的最大值不在地理赤道上，也不在磁赤道上，而是位於沿磁赤道兩側10°或15°的兩條帶上。於是存在一赤道壓縮，這就是赤道槽。赤道兩側的最大值稱為雙駝峰現象。1947年中國桂質廷、梁百先曾指出這種現象是受地磁控制的。雙峰的幅度隨太陽活動增強而增強；而且隨著高度的增加,雙峰向著磁赤道逼近（圖4）。衛星觀測表明，雙峰在最大電離值高度之上最終會合在一處。 F2層的季節變化還存在一些現象至今未得到滿意的解釋。一種現象被稱為“十二月異常”,即在地球上50°N和35°S之間的部分地區,在11、12、1月每天正午測到的f0F2具有很大的數值。另一種現象稱為“季節異常”，即從中緯到高緯，冬季白天的f0F2值不小於對應的夏季值，特別是在太陽活動極大年，冬季值顯著地大於夏季值。在北半球，十二月屬於冬季，於是上述兩種異常疊加起來，使得f0F2的數值比這一年的其他季節大得多。
f0F2隨太陽黑子活動周期而變化,圖5表示兩個黑子周期內f0F2與黑子相對數R的相關曲線。 擴展 F形態 常用統計方法研究它出現的規律。擴展 F的出現有季節、緯度以及隨太陽活動和地磁活動的變化。
擴展 F的最大出現率只在兩個地區存在：一個是只在夜間才出現的赤道區;一個是極區。在磁緯20°～40°地區較少觀測到擴展F。
赤道擴展 F常出現於午夜之前。在低磁緯區,擴展F最大出現率是在21時到01時（地方時），黑子數最高時提早1小時，夏季出現率大於冬季。中緯地區的擴展F不是一種常有現象，主要發生在午夜之後。在較高緯度處，擴展 F常出現在冬季午夜和日出之間的時間。近磁極處，冬季的白天和夜間擴展F經常存在；夏季里,它的出現率在晚上仍保持很高頻次，而在正午只有50～60%。赤道擴展F的出現率在黑子低年要大於高年;而在磁緯60°以上地區，擴展F出現率隨黑子數的增加而上升。
擴展F與地磁活動有以下的關係：赤道區擴展F出現於磁靜日，並在磁暴開始時消失，這一區域包括以磁赤道為中心的整個60°緯度帶；在中緯區擴展 F基本上在磁暴時出現，而在磁緯60°以上的區域，當有磁暴時就不存在擴展F了。
F2層以上區域電子生成率和消失率（見電離層的形成）都很小，電離層電漿的行為完全受輸運過程的控制。人造衛星對這一廣大範圍內的電子密度進行了許多探測，基本上得到了其時空分布的平均結果。
參考書目
H. Rishbeth and O.K. Garriott,Introduction toionospherePhysics,Academic Press,New York,1969.
F1層最大電子密度所在高度hmF1，在近傍晚時增高，夏季值大於冬季值，低緯值大於高緯值。
F2層形態 變化最為複雜，在太陽和地磁場的影響下，存在許多“異常”，很難用簡單的理論來解釋。測定F2層臨界頻率f0F2要比測定F2層最大電子密度出現的高度方便得多,同時f0F2的變化也能提供F2層發生的一些主要過程的信息，因此F2層的形態常用f0F2（或NmF2）的變化來描述。
圖3是在太陽活動最高和最低(黑子數表示)時分季的NmF2等值線分布，它反映了F2層的時空變化。 隨著太陽升起，F2層電離加劇(在低緯度尤為明顯)，但很少在正午達到最大值。在地球的某些部分，午前達到最大值；而在另一些部分，午後才達到最大值。夜間的下降常是緩慢的。有時可在夜間觀測到第二個峰值。
在春秋分時節NmF2對地理赤道的對稱性並不明顯,但可見到較肯定的磁傾角對稱性。
白天f0F2的最大值不在地理赤道上，也不在磁赤道上，而是位於沿磁赤道兩側10°或15°的兩條帶上。於是存在一赤道壓縮，這就是赤道槽。赤道兩側的最大值稱為雙駝峰現象。1947年中國桂質廷、梁百先曾指出這種現象是受地磁控制的。雙峰的幅度隨太陽活動增強而增強；而且隨著高度的增加,雙峰向著磁赤道逼近（圖4）。衛星觀測表明，雙峰在最大電離值高度之上最終會合在一處。 F2層的季節變化還存在一些現象至今未得到滿意的解釋。一種現象被稱為“十二月異常”,即在地球上50°N和35°S之間的部分地區,在11、12、1月每天正午測到的f0F2具有很大的數值。另一種現象稱為“季節異常”，即從中緯到高緯，冬季白天的f0F2值不小於對應的夏季值，特別是在太陽活動極大年，冬季值顯著地大於夏季值。在北半球，十二月屬於冬季，於是上述兩種異常疊加起來，使得f0F2的數值比這一年的其他季節大得多。
f0F2隨太陽黑子活動周期而變化,圖5表示兩個黑子周期內f0F2與黑子相對數R的相關曲線。 擴展 F形態 常用統計方法研究它出現的規律。擴展 F的出現有季節、緯度以及隨太陽活動和地磁活動的變化。
擴展 F的最大出現率只在兩個地區存在：一個是只在夜間才出現的赤道區;一個是極區。在磁緯20°～40°地區較少觀測到擴展F。
赤道擴展 F常出現於午夜之前。在低磁緯區,擴展F最大出現率是在21時到01時（地方時），黑子數最高時提早1小時，夏季出現率大於冬季。中緯地區的擴展F不是一種常有現象，主要發生在午夜之後。在較高緯度處，擴展 F常出現在冬季午夜和日出之間的時間。近磁極處，冬季的白天和夜間擴展F經常存在；夏季里,它的出現率在晚上仍保持很高頻次，而在正午只有50～60%。赤道擴展F的出現率在黑子低年要大於高年;而在磁緯60°以上地區，擴展F出現率隨黑子數的增加而上升。
擴展F與地磁活動有以下的關係：赤道區擴展F出現於磁靜日，並在磁暴開始時消失，這一區域包括以磁赤道為中心的整個60°緯度帶；在中緯區擴展 F基本上在磁暴時出現，而在磁緯60°以上的區域，當有磁暴時就不存在擴展F了。
F2層以上區域電子生成率和消失率（見電離層的形成）都很小，電離層電漿的行為完全受輸運過程的控制。人造衛星對這一廣大範圍內的電子密度進行了許多探測，基本上得到了其時空分布的平均結果。
參考書目
H. Rishbeth and O.K. Garriott,Introduction toionospherePhysics,Academic Press,New York,1969.
