第二章 理論基礎與文獻回顧
第二節 電離層物理概論
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第二節 電離層物理概論
一、電離層結構
構成電離層的主要成分是游離氣體所組成之電漿態，為物質的第四 態。地球表面上空約 50 至 1000 多公里皆為電離層區域，Appleton 根據其 電子密度隨高度不同，提出電離層分層結構，主要分為 D、E、F 層。D 層 距地面約 50 公里至 95 公里，其最大電子密度約 2.5*109個/每立方公尺，
在晚上因為正負電荷迅速復合而消失，濃度降低到可以忽略，為電離層的 最低層。E 層約在距地表 95 公里至 140 公里的高度，離子化程度比 F 層輕 微但比 D 層嚴重，電子密度白天約 2*1011個/每立方公尺，為最早被發現的 電離層。F 層在 E 層上方，白天又可分離為 F1 與 F2 兩個層峰。F1 層約在 距地表 140 公里至 220 公里的高度，F2 層高於 220 公里。
電離層的最大電子密度出現在 F2 層峰，白天可以達到 2*1012個/每立 方公尺，到了夜間 F1 層與 F2 層又合併成為 F 層(Yeh and Liu, 1972)。圖 2-4 的左側顯示電離層各層所對應的高度；圖中為典型的電離層電子密度依高 度分布情形，可發現白天電離層密度較夜晚大；右側顯示電離層與對流層 跟 GPS 衛星的高度位置。(詹劭勳, 2004；楊銘仁，2004)
圖 2-4、電離層密度大小與相關位置分佈圖(詹劭勳, 2004)
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二、電離層的電子密度變化特性
電離層電子密度大小變化不僅隨著高度變化而改變，它還與地球自轉 有關，更直接受太陽活動的影響，因空間與時間的不同而變化(Klobuchar, 2001；Wild, 1994)：
(一)隨地理區域的變化
電離層密度變化隨地理位置不同而異。低緯度區在白天可能會有赤道 異常(Equatorial Anomaly)現象，又稱 Appltton 異常，Martyn 於 1947 年基於 電子漂移理論，認為赤道電離層等離子在電力漂移的作用下向上漂移到遠 大於 F2 層的高度，沿磁力線擴散造成雙峰現象，此即所謂的噴泉效應 (Fountain effect)(熊年祿、唐存琛、李行健，1999)，其中台灣即位於電離層 變化活躍的赤道異常範圍以內(圖 2-5)。中緯度是電離層變化較帄緩的區 域，較少劇烈的變化。極區的電離層變化是在短時間之內會有不穩定的情 形，主因是太陽高能粒子碰撞大氣造成中性氣體離子化現象，使電子密度 突增引起電場衰減，稱為極蓋吸收(Polar Cap Region)；此外極光的出現也 會使電離層結構更為複雜。
圖 2-5、隨地理區域變化之電離層分佈圖(詹劭勳，2004)
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(二)隨時間性的變化
地球自轉的過程中，向陽面受太陽光照射，故電子密度增加；反之背 光面的太陽輻射低，電子密度也較低。一般而言，電子密度的高峰期出現 在下午兩點左右，中午的電離層高峰密度的高度較低，夜晚則較高(圖 2-6)。
電離層也會受到季節變化的影響，夏季電子密度高，冬季則較低。
圖 2-6、電離層高峰密度的預測高度圖(Komjathy,1997) (三)隨太陽活動的變化
電離層產生的主要原因是受到太陽能量影響，形成游離帶電粒子，因 此太陽的活動會影響其所提供的能量，使電離層產生變化。通常使用太陽 黑子數(Sunspot Number)來表示太陽活動對電離層的影響，黑子數多代表太 陽活動越劇烈，反之則較緩和。帄均而言，太陽黑子的周期約為 11 年，圖 2-7 為 NASA (National Aeronautics and Space Administration)對太陽黑子在第 24 個週期預估的變化圖。當太陽黑子活動太過旺盛會有爆炸的現象，此時 會出現太陽閃焰(Solar Flare)現象，此時太陽風將高能量的帶電粒子吹往地 球，進而影響地球的磁場，造成磁暴現象(Geomagnetic Storm)。由於地磁受 太陽風壓縮影響，使磁場產生變化，磁場又影響到電場變化，使電離層電 子密度會急速上升，此現象為電離層暴現象(Ionospheric Storm)，這種情況
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會使 GPS 訊號受到影響，使觀測品質降低。(Davies, 1990；McNamara, 1991；
Tascione, 1988；彭德熙，2008)
圖 2-7、第 24 週期太陽黑子預估圖(NASA 網站) http://solarscience.msfc.nasa.gov/
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