介绍

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　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)cosx】1/4，

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。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。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fEs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fEs值。在中纬地区,fEs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fEs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E层形态。

F1层最大电子密度所在高度hmF1，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。

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对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。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,表示两个黑子周期内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 toionospherePhysics,Academic Press,New York,1969.2100433B

目前，对电离层运动的认识还不够深刻，现有的电离层动力模式还不能满意地描述电离层运动的平均形态。由于电离层运动直接影响电离层的形态、结构与变化，激发电离层不均匀结构和等离子体不稳定性，对人类活动，特别是地面和空间无线电系统，产生不可忽略的影响。因此，不断完善电离层动力模式，阐明各种运动形式的物理特性，并对电离层中一些暂态动力过程进行实时预报都具有实际意义。

电离层模式是电离层诸参量随高度变化的数学描述。这种变化与地理位置、季节、地方时，以及太阳和地磁活动性有关。复杂的电离层形态给实际应用带来极大困难，因此，人们在大量实测数据的基础上，用较简单的数学模式描述电离层形态和结构，以便在无线电通信和宇宙航行等工程设计中应用。研究最多的是对无线电波传播有直接影响的电子密度模式。

式中N(h)为离地面高度h处的电子密度；h0为起算高度；α为常数；ɑ为层的半厚度。这些模式只能描述电离层电子密度剖面的某一部分。为了完整地描述剖面，须在不同部分采用不同的数学表达式。

对F层峰值以下的电子密度剖面，可按照不同的实际应用，采用不同的组合模式。国际无线电咨询委员会推荐用于短波场强计算的布雷德利－杜德奈模式，是抛物模式(F2层)-线性模式（F1层）-抛物模式（E层）的组合模式。模式参数可以从电离层观测站所得到的特性参数推算出来。一般情况下，所得的电子密度分布与实际分布的高度差别小于20公里。其他的模式还有：余弦模式（F2层）-正割模式（E-F层）-抛物模式（E层）的组合模式，可用于精度要求较高的射线追踪计算；抛物模式（F2）层与多项式组合模式，便于从电离层垂测仪的频率-高度图计算F2层的峰值高度、峰处标高和等效峰下平板厚度。

《国际参考电离层》(IRI，1979)给出的电子密度、电子温度和离子温度剖面。

包括F层峰值区域在内的电子密度剖面中，较典型的有本特模式和宾夕法尼亚州1号电离层模式。本特模式的高度范围约从150公里到2000公里。峰值高度以下为抛物平方模式，峰值高度以上为抛物模式；更高的高度上为三个相接的指数模式。本特模式忽略剖面（特别是F部区域）的细节，着眼于精确地表达电离层电子含量。它适用于计算无线电波由于折射所造成的时延和方向的变化。宾夕法尼亚州1号电离层模式（120～1250公里）是在一个经验所得的高度范围内，模拟电离层的物理化学过程，通过调节电离反应速度和垂直电子流计算电子密度。这一模式主要用于研究输运过程和风的衰减等理论问题。

国际无线电科学联盟和美国空间研究委员会根据电离层的实测资料编制成《国际参考电离层》，它是一套专门的计算机程序，输入数据为地理经度和纬度、月份、本地时间、太阳黑子数。输出数据为电离层诸参量的垂直分布。图3为输出剖面示例。

由于来自外空，太阳和地球大气本身的各种扰动源的激发，电离层还会产生相应的扰动变化和不规则结构，表现各种不同的形态（见电离层扰动、电离层不均匀体、电离层调变）