电离层形成的条件是什么?

Question

我已经问过这个问题了天文学SE但到目前为止还没有收到任何答复:

电离层形成的先决条件是什么?
例如，一个没有大气层的行星能有电离层吗?
如果一颗行星离它的太阳很远，是否存在一个点，那里的太阳风太弱，无法产生电离层?

在一个给定的行星上，电离层形成的条件是什么?

Answer 1

宇宙中大部分可见物质是由电离的物质(我引用的这段话来自于r·菲茨帕特里克以及J.A. Bittencourt的专著《等离子体物理学导论》。不管你是用质量还是用原子和分子的数量来测量它都是独立的。

为什么这很重要?
在我看来，电离层是大气的一部分，它连接着宇宙中高压下的电中性大气和低压电离区域。
因此，任何行星首先会有一个电离层，其次可能会有一个我们称之为“大气”的电中性区域。这里有一个警告，因为电离层不必完全电离，只要有足够的电子和离子漂浮在周围就可以起到等离子体的作用。

为什么气体在低压下电离?
在一定体积内四处飞行的离子的数量不仅是自由电子数量的函数，也是重新组合的电子数量的函数。
电离强度将是所考虑的过程的函数。然而，重组将独立于此，并由一个依赖于密度的n^2控制。
这通常会导致一个不成比例的弱重组，因为大气中的压力/密度降低了。或者换句话说:在低压下，你可以被紫外线光子热电离，[…]但你再也找不到可以重组的伙伴了。

结论我举了一个例子说明为什么每个行星都必须有电离层。诸如太阳风、与恒星的距离、它的类别和大气变量等细节控制着相关磁层的形状和电离物质的精确高度分布。

Answer 2

在句子中:

对于一颗有电离层的行星，我们预计它的压力至少为1巴(“足够厚”)，并且有一颗产生足够高能光子的主恒星。

背景

电离层的产生

电离层是等离子体产生和等离子体损失之间的平衡。的主要来源电离(光子被原子或分子吸收，撞掉一个电子)，通常是高能光子。的主要来源复合(电离的原子或分子获得一个电子，使粒子成为电荷中性)，通常是粒子之间的碰撞。大气的化学成分肯定也会影响这种平衡。电离层越大，电离层就越大。当有更多的重组时，电离层就会缩小。它可以在一个地方缩小，而在另一个地方变大(见下面的行星旋转)。

电离层的位置

在电离层之上，气体密度足够低，以至于来自行星主星的大部分光穿过大气层而不与大气相互作用(即电离)。当光向下穿过大气时，大气密度增加，这导致更多的高能辐射——特别是极紫外线(EUV)——被大气吸收，导致电离(等离子体产生)。再往深处走，密度会呈指数增长，但在这个深度，大多数高能光子已经被吸收了，所以很少发生电离。此外，在这个深度，任何离子都是短命的，因为经常与中性大气碰撞，导致重组(等离子体耗尽)。

因此，电离层是行星大气中的“金发姑娘”区域:在大气中足够低，有足够多的分子吸收高能光子，但仍然足够高，仍然有足够多的来自主恒星的高能辐射，并且足够脆弱，以防止重组占主导地位。

作为一个非常普遍的这是经验法则1美元/ e美元在大气中，超过1巴压力水平的入射光被吸收。(当然，这随波长、化学成分等而变化....)这是被吸收的光的一个相对较高的部分，但它足够深，粒子之间的碰撞足够频繁，以至于重组比电离更频繁。任何被迅速电离的粒子都会被中和。仅根据这一点(但也由对地球和其他行星的研究证实)，我们可以得出结论，电离层的压力水平高于1巴，但这可能会有所不同。

标准

一种氛围

没有大气，就没有分子可以电离。因此，需要有大气层才能有电离层。

由于电离层往往高于1巴的压力水平(至少在我们的太阳系中)，我们可以猜测，一个行星需要至少1巴的压力才能有电离层。

一个持续的辐射源

没有高能辐射，大气就不会自然电离。通常，这是一颗主星。(人们也可以想象人工产生电离层的科幻场景....)主星必须产生足够数量的高能光子来照射大气层。

我在这一节添加了“一致”一词。原因是，如果恒星“关闭”(或经历一个产生不足的EUV光子的阶段)，那么电荷重组将缓慢地消散电离层。

其他因素

靠近主星/星型

要么是较冷的宿主恒星，要么是离恒星较远的行星，都会导致它接收到较少的电离所需的高能。反之亦然。

接收更少的辐射意味着电离层中被电离的分子比例更小，导致“弱电离层”(即弱电离)。

对于接收到更多辐射的行星来说，电离层会更强更厚，原因有二。首先，更高的辐射意味着高海拔的少数分子有更多的机会电离，这意味着电离层可能比其他情况下更高。第二，因为有更多的辐射，尽管1美元/ e美元即使压强高于1bar，仍然有大量的辐射没有被吸收。正因为如此，电离层可以比其他情况下更深。

化学成分

不同的化学成分可以使电离层与我上面描述的不同。例如，如果一颗行星的大气主要由一种不能很好地吸收极紫外的气体组成，那么大部分极紫外将穿透更深的大气层，并将导致电离层变弱和/或位于大气层更深的地方。或者，对于具有极好吸收极紫外光的大气层的行星，电离层可能在大气层中更高。

简而言之，大气的化学性质可以使电离层在大气中的位置更高或更低，或者使其电离程度更强或更弱。

行星旋转

地球的电离层昼夜变化。在当地中午，面向主星的电离层接收到最大的入射辐射，导致更多的电离和更厚/更强的电离层。在夜间，大气基本上没有接收到电离光子，因此重新组合使电离层变得更弱更薄。(出于同样的原因，行星也会有季节变化。)

Answer 3

电离层-地球物理学简而言之。

电离层是围绕着地球的电子和带电原子和分子的外壳，从大约50公里(31英里)的高度延伸到1000多公里(620英里)。它的存在主要归功于来自太阳的紫外线辐射。

因此，必须有一个气体来源，可以形成等离子体和一个足够活跃的太阳，使大气电离(因此得名)成等离子体。如果没有气体源来电离，或者没有足够的辐射来引起电离，就不会有电离层。