Non-Maxwellian Characteristics of the Energy Distribution of Thermal Electrons in the Upper Atmosphere

Authors


  • Prof. Dr. Wilhelm Walcher dedicated to his 75th birthday

Abstract

The Result of Measurements of the energy distribution of thermal electrons in a midlatitude ionosphere is presented. A comparison is made in particular between the characteristics at sunrise and sunset periods because of the effect of vibrationally excited nitrogen molecules.

At sunrise the distribution has a little-irregularity but the middle and higher energy parts (0.2-0.5 eV) deviate from the Maxwellian distribution only slightly at all heights. The electron temperature varies from 900 K to 1300 K between 130 km and 300 km. These values are higher than the kinetic temperature of neutral particles but comparable with the theoretical values of the vibration temperature of N2.

At sunset small bumps due to non-thermal electrons are seen on the high energy tail between 108 and 160 km, their density being from 5 × 10−3 to 1 × 10−2 of that one of the thermal electrons. Above 170 km (F-layer) the deviation of the distribution from the Maxwellian one becomes smaller. The electron temperature varies from 500 K to 900 K between 100 km and 220 km. These values are higher than the kinetic temperature but lower than the theoretical values of the vibration temperature of N2. A mechanism of the appearance of non-thermal electrons is considered to be due to super-elastic collisions with vibrationally excited N2.

Abstract

Nicht-Maxwellsche Energieverteilung der thermischen Elektronen in der oberen Atmosphäre

Es werden die Resultate der Messungen der Energieverteilung der thermischen Elektronen der Ionosphäre in mittleren Breiten mitgeteilt. Insbesondere werden die bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang auftretenden charakteristischen von den angeregten Schwingungszuständen der Stickstoffmoleküle verursachten Erscheinungen untersucht.

Bei Sonnenaufgang zeigt die Verteilungsfunktion eine geringe Unregelmäßigkeit und weicht in allen Höhenlagen bei mittleren und höheren Energien (0,2-0,5 eV) nur geringfügig von der Maxwellverteilung ab. Die Elektronentemperatur variiert von 900 K bis 1300 K zwischen 130 km und 300 km Höhe. Diese Werte liegen höher als die kinetische Temperatur der Neutralteilchen, sind jedoch vergleichbar mit den theoretischen Werten der Schwingungstemperatur des N2.

Bei Sonnenuntergang erscheinen kleine, von nichtthermischen Elektronen herrührende „Buckel” auf dem Hochenergie-Schwanz zwischen 108 km und 160 km Höhe, wobei ihre Dichten etwa das 5 · 10−3 bis 1 · 10−2fache der der thermischen Elektronen betragen. Oberhalb von 170 km (F-Schicht) verringert sich die Abweichung von der Maxwellverteilung. Die Elektronentemperatur variiert von 500 K bis 900 K zwischen 100 km und 220 km Höhe. Diese Werte sind höher als die kinetische Temperatur, aber niedriger als die theoretischen Werte der Schwingungstemperatur des N2. Als Mechanismus für die Entstehung der nicht-thermischen Elektronen werden die super-elastischen Stöße mit schwingungsangeregten N2-Molekülen angesehen.

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