电离层骚扰

　　一种来势很猛但持续时间不长(一般为几分钟至几小时)的扰动,它仅发生在日照面电离层的 D层。这种扰动由太阳耀斑引起，耀斑区发出的强烈远紫外辐射和X射线，大约8分钟后到达地球，使地球向阳面电离层特别是 D层中的电子密度突然增大。这种现象称为电离层突然骚扰。当发生这种骚扰时，从甚低频到甚高频的电波传播状态均有急剧变化。例如,由于D层电子密度增大,经过D层传播的高频无线电波突然受到强烈吸收，常出现短波通信中断，称为短波消失现象。来自天外的宇宙噪声,由于D层吸收突然增加而强度突然减弱,称为宇宙噪声突然吸收。但从D层反射的长波和超长波信号突然变强，相位也发生突变，称为突然相位异常现象；而接收远处雷电产生的“天电干扰”的强度也明显增强，称为天电突增。甚高频低电离层散射传播信号也将增强。此外，耀斑期间，E层和F层底部的电子密度也突然增加，可引起短波频率突然偏离现象。

　　持续时间为几小时至近10天的常与磁暴相伴的强烈电离层扰动。太阳局部扰动除爆发出大量电磁辐射外，有时还辐射出大量带电粒子流。粒子流到达地球一般要1～2天左右，它们与磁层和高层大气相互作用,可使正常电离层（特别是F层）状态遭到破坏,称为F层骚扰。这种骚扰有负相（临界频率下降）、正相（临界频率上升）和双相(临界频率有升有降)骚扰之分。骚扰时临界频率变化一般大于30%。太阳质子事件或磁层亚暴期间，极区电离层电离激增，会引起急始吸收、极光带吸收、极盖吸收和长波相位异常等现象。极光带吸收是来自太阳扰动区的低能粒子流进入极区上空，使极光带或者比它略宽的环带(宽约 6°～15°)内低电离层电离增加而引起碰撞增加，高频电波被强烈吸收。这时常伴随出现地磁场扰动和极光现象，在太阳活动峰年过后的两三年内它的出现最为频繁。极盖吸收是太阳扰动或磁层亚暴时所产生的高能粒子沿地球磁力线沉降在极区高层大气中，使磁纬64°以上的极盖地区上空电离层D层的电离强烈增大，致使高频电波被强烈吸收而中断。它通常在形成太阳质子耀斑后几十分钟到几十小时以后才发生，这时不一定出现地磁场扰动和极光现象。持续时间通常为1～3天，最长可达10天之久，在太阳活动峰年频繁发生。在磁层亚暴主相期间，与粒子沉降相伴的强电场和电急流，使极区电离层发生极复杂的热力学扰动、电磁场扰动和磁流动力扰动，并能波及到全球电离层。这种电离层暴的全球形态尚不十分清楚。由于电离层暴对电波传播有严重的影响，不少国家都建立有电离层骚扰预报业务。

　　暴时极区激发的、向赤道方向以600～700米/秒的速度水平传播的大气重力波扰动。周期为半小时至几小时,东西向水平尺度可达几千公里,传播上千公里后波形变化不大。它可发生使F2层偏离正常值20%～30%的扰动，严重改变无线电波的传播环境。

　　此外，火山喷发、地震、台风和雷暴可激发中尺度大气重力波扰动；地面核试验激发的重力波可影响几千公里外的电离层；高空核实验的各种电离辐射，更能显著地破坏电离层；大功率短波雷达加热等人工手段和空间飞行的释放物，也能引起电离层扰动。这些自然因素和人为因素激发的电离层扰动，都是外空环境监测的主要对象。

　　扩展F层即F区的突发不均匀结构。多数在赤道区和极区出现，在中纬地区比较少见，它会导致电波损耗大量能量。

　　Es层(突发E层)即E区的突发不均匀体。其高度多在90km到120km之间的区域，厚度可达几百米到数公里，水平尺度可达数百米至上百千米，出现的时间不定。电磁波在Es层反射的最大频率要比E层大，甚至比其余层都大。

　　太阳爆发时的带电高能粒子到达地球后会引起极光现象。极光现象会完全蔽性发射电波致使短波传输信道中断。不过这种现象在中纬地区极少出现。

电离层理论

　　一、 电离层背景（基本结构、光化学过程、 动力学和电动力学过程， 及对无线电电波传 播 产生的影响） 　　

　　二、简述赤道区电离层等离子体漂移观测特征、电离层电场产生的物理机制，及其赤道异常 的影响 三、简述赤道区电离层中存在的等离子体不稳定性及其可能的物理机制 四、简述高纬对流电场、粒子沉降、场向电流在磁层-电离层耦合中的作用及其对高纬电离 层结构和动力学的影响。 五、简述磁暴期间对电离层扰动产生明显影响的各种可能的物理机制 电离层背景（基本结构、 光化学过程、 动力学和电动力学过程 及对无线电电波传 播 力学过程，

　　一、 电离层背景 基本结构、 （ 光化学过程、 动力学和电动力学过程， 产生的影响） 产生的影响） 电离层基本结构 电离层是由高层大气层中气体电离而形成的， 其中的电子密度足以影响到无线电波的传 播。气体的电离主要依赖于太阳及其活动。电离层的结构及峰密度（NmF2）随时间（太阳 黑子周期、季节、昼夜） 、地理位置（极区、极光区、中纬和赤道区）以及一些与太阳相关 的电离层扰动而发生很大的变化。 电离层的电离源主要是来自太阳的（极）紫外辐射（Extreme ultraviolet radiation）和高 能粒子辐射。 对电离层产生显著影响的是地球相对于太阳的旋转，电离成分在阳侧半球增 加而在夜侧半球减少。除此之外，宇宙射线也可以影响到电离成分的分布，电离层对大气的 变化极为敏感，任何大气的扰动都会影响到电离成分的重新分布。 电离层按电子密度的分布可分为四个区域： 即 D 区、E 区、F 区和顶部区，这些区域可 以作进一步划分， F 区可以分为 F1 区和 F2 区等。 如 可以认为各层由于中性大气的某种成分 吸收太阳辐射而产生， 他们对入射太阳光子谱的不同部分的响应不同。 处于平衡态的电离层 受到如下各种因素的联合作用：光化学过程、热力学过程、动力学过程、电磁学或电动力学 过程。其中的 E 层和 F1 层，近似为 Chapman 层，由 Chapman 产生率函数和光化平衡条件决 定。在较高处的 F2 层，它的分布除受光化学过程外还受到诸如中性曳力和磁层过程的共同 作用。最低处的 D 层则与大多数的高能辐射有关（X 光子，宇宙射线离子） ，对它的损失过 程目前还了解不多。 位于地面以上约 60-90km 的区域， 是多原子离子 “团” 的稀薄层， 浓度为 10 -10 /cm 。 D 层： 由于电子-中性分子的高碰撞频率使得通过其中的无线电波的吸收显得尤为明显，所以该区 域在实际的无线电通讯中起着重要的作用；特别是在磁暴时，这种吸收明显，叫做短波突然 衰落，严重时使短波通讯中断。通常只有最强的电离源才可以渗透到 D 区高度上，它们是太 阳 X 射线，宇宙线和 Lyman-α射线。在 80-90 km 之间，来源于 0.1-1nm 的 X 光是主要的电 离源，来源于太阳的强 Lyman-α (121.6-nm)辐射在约 70-80 km 的高度上存在相应的产生率 峰值，而宇宙射线粒子则控制着底部，主要的离子为 NO 和 O 2 ，可以和电子复合，但是 在这些低的高度上，电子也可以附着到中性成分上形成负离子，这样，处理 D 层“平衡”分 布不是那么直观、简单的，而且前面提到过电离源都在不停地变化着，依赖于太阳活动和行 星际条件，这些考虑使得 D 区像 F 区一样，成为一个值得不断进行深入研究的课题。

　　通常 E 层：又称为发电机层，位于地面以上约 90-150km 之间，其浓度为 10 -10 /cm 。 明显的特征是白天电离层密度分布在 110km 处有一倾斜很大的变化。该层中的离子主要是 + + O2 和 NO ，它们由 100-150nm 范围内的紫外辐射和 1-10 nm 范围内的太阳 X 光产生。该层中 的密度峰值非常接近于离子产生率 Q 的峰值，有效复合率 α 可以由 Q 除以观测到的 ne 而推出。

　　离子的垂直输运在该层形成中的作用是不重要的。E 层还包括一个偶发 E 层（Es） ，它 是出现在高度 100-120km E 层上的异常电离。它的形态多样，与太阳辐射几乎没有什么直接 关系。它在不同纬度有明显的不同特征，在低纬度地区主要出现在白天；在中纬度地区主要 出现在夏季；而在极区主要出现在夜间。 F 层：位于地面 150 km 以上，F 层通常又分为 F1 和 F2 层两部分，两部分呈现不同的 + 11 -3 变化。 层主要由 O 组成， F1 符合查普曼模式， 最大电子密度约为 2x10 m ， 一般出现于 170km 高度附近，非常接近于谱范围为 17-19 nm 之间光子所产生的最大离子产生率，该层更象一 个边界，一般不很明显，几乎全部融入到包含电离层密度主峰的 F2 层中。F2 层的峰密度也 + + 是处于以 O 为主的区域。但是在它出现的高度上，除 O 与周围电子的直接复合外，还存在一 些非常重要的化学反应， 垂直漂移也会影响到离子的分布。 通常在 F2 层中复合反应发生前， + 离子可能先与附近中性分子反应，即 O 先将它的电荷传递给分子，再进行游离复合。只要这 种反应的速率超过简单的复合反应的速率，它们就会控制离子的损失。此外，碰撞和双极扩 散、磁层和大气发电机电场驱动的垂直漂移，都会明显地影响到 F2 峰附近的离子运动。因 此电离层的主峰不能由简单的 Chapman 理论来描述。 ，随着密 质子层：该区域起始于 F2 区密度最大的高度，主要成分是稀薄的氢离子（H ） 质子层 + + + 度的减少，一直向上扩展到 O 向 H 和 He 过渡的高度。过渡高度是随时间而变化的，但在夜 间很少降到 500km 以下，而在白天很少降到 800km 以下，有时可能位于 1000km 以上。在转 变高度以上， 弱电离成分密度近似呈指数衰减分布， 对跨越电离层的无线电电波传播信号几 乎没有什么影响。