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热力学方法在电离层物理研究中的应用探讨

张静  
【摘要】:电离层形成的物理过程一直都是电离层物理研究的重点,其中经典的理论是Chapman理论,它基于辐射传输理论和流体静力平衡理论获得中性大气的光电离率,同时结合两种不同的电子损失形式推导出Chapman-α层和Chapman-β层。电离层E层可用Chapman-α层直接解释,F1层则需要Chapman-α层和β层共同解释,而F2层则需进一步考虑等离子体双极扩散理论才能合理解释。由于对电离层的不同层结需要不同的理论框架,很难获得对电离层形态统一的解析描述,这也增加了电离层物理研究的复杂性。 本论文第一部分是将太阳光子作为反应物引入电离层化学反应中,运用化学热力学方法,获得电离层光化学反应的反应度及其化学平衡常数,进而得到电离层的电子密度。结果表明:运用热力学方法得到的电离层电子密度在一定条件下,可分别化简为E层和F2层,并且与已知理论对比,几乎一致。这表明利用热力学方法研究电离层的形成是可行的。最后将上述结论代入,获得了不同高度电子浓度的统一表达式。 本论文第二部分是基于统计物理理论适当的处理光子气体,通过统计物理方法推导出相应的化学平衡常数。结果表明,分别用热力学方法和统计物理方法得到的平衡常数之间存在一定的差异。分析原因,主要是光化学过程中并非所有光子能量都转化成了电离能,其中有一部分能量转化为热能或使得粒子处于激发态,这种差异的存在使得利用统计物理方法推导电离层等离子体温度成为可能。


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