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简介

  电离层(Ionosphere)是地球大气的一个电离区域。由于受地球以外射线(主要是太阳辐射)对中性
电离层与磁层
原子和空气分子的电离作用,距地表60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态,电离层是部分电离的大气区域,完全电离的大气区域称磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层,这样就把磁层看作电离层的一部分。除地球外,金星、火星和木星都有电离层。

  在电离作用产生自由电子的同时,电子和正离子之间碰撞复合,以及电子附着在中性分子和原子上,会引起自由电子的消失。大气各风系的运动、极化电场的存在、外来带电粒子不时入侵,以及气体本身的扩散等因素,引起自由电子的迁移。在55公里高度以下的区域中,大气相对稠密,碰撞频繁,自由电子消失很快,气体保持不导电性质。在电离层顶部,大气异常稀薄,电离的迁移运动主要受地球磁场的控制,称为磁层。

  电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等空间分布的基本参数来表示。但电离层的研究对象主要是电子密度随高度的分布。电子密度(或称电子浓度)是指单位体积的自由电子数,随高度的变化与各高度上大气成分、大气密度以及太阳辐射通量等因素有关。电离层内任一点上的电子密度,决定于上述自由电子的产生、消失和迁移三种效应。在不同区域,三者的相对作用和各自的具体作用方式也大有差异。

  电离层的发现,不仅使人们对无线电波传播的各种机制有了更深入的认识,并且对地球大气层的结构及形成机制有了更清晰的了解。

研究简史

  1899年尼古拉·特斯拉试图使用电离层进行远距无线能量传送。他在地面和电离层所谓的科诺尔里亥维赛层之间发送极低频率波。基于他的试验的基础上他进行了数学计算,他对这个区域的共振频率的计算与今天的试验结果相差不到15%。1950年代学者确认这个共振频率为6.8Hz。

   1901年12月12日古列尔莫·马可尼首次收获跨大西洋的信号传送。马可尼使用了一个通过风筝竖起的400英尺长的天线。在英国的发送站使用的频率约为500kHz,其功率为到那时为止所有发送机的100倍。收到的信号为摩尔斯电码中的S(三点)。要跨越大西洋,这个信号必须两次被电离层反射。继续理论计算和今天的试验有人怀疑马可尼的结果,但是1902年马可尼无疑地达到了跨大西洋传播。

  1902年奥利弗·黑维塞提出了电离层中的科诺尔里亥维赛层的理论。这个理论说明电波可以绕过地球的球面。这个理论加上普朗克的黑体辐射理论可能阻碍了射电天文学的发展。事实上一直到1932年人类才探测到来自天体的无线电波。1902年亚瑟·肯乃利(ArthurKennelly)还发现了电离层的一些电波-电子特性。

  1912年美国国会通过1912年广播法案,下令业余电台只能在1.5MHz以上工作。当时政府认为这以上的频率无用。致使1923年使用电离层传播高频无线电波的发现。

  1947年爱德华·阿普尔顿因于1927年证实电离层的存在获得诺贝尔物理学奖莫里斯·威尔克斯和约翰·拉克利夫研究了极长波长电波在电离层的传播。维塔利·金兹堡提出了电磁波在电离层这样的等离子体内的传播的理论。

  1962年加拿大卫星Alouette1升空,其目的是研究电离层。其成功驱使了1965年Alouette 2卫星的发射和1969年ISIS 1号和1971年ISIS 2号的发射。这些卫星全部是用来研究电离层的。

  形成原因

  地球高层大气分子和原子,在太阳紫外线、Χ射线和高能粒子的作用下电离,产生自由电子和正、负离子,形成等离子体区域即电离层。电离层从宏观上呈现中性。电离层的变化,主要表现为电子密度随时间的变化。而电子密度达到平衡的条件,主要取决于电子生成率和电子消失率。电子生成率是指中性气体吸收太阳辐射能发生电离,在单位体积内每秒钟所产生的电子数。电子消失率是指当不考虑电子的漂移运动时,单位体积内每秒钟所消失的电子数。带电粒子通过碰撞等过程又产生复合,使电子和离子的数目减少;带电粒子的漂移和其他运动也可使电子或离子密度发生变化。

内部分层

  电离层形态是电离层中电子密度等基本参量的空间结构(高度和经纬度分布)及其随时间(昼夜、季节和太阳活动周期)变化的情况。电离层可从低到高依次分为D层、E层和F层等,其中F层还可分为F1层和F2层。E层和F1层中,电子迁移作用较小,具有查普曼层的主要特性。层的临界频率П(其平方正比于峰值电子密度)与太阳天顶角ě近似地满足由简单层理论所导出的关系式П=ɑcosě(兆赫),式中ɑ和b为常数。这个关系式反映了电离层电子密度随时间和地区变化的基本趋势。在较高的F2层,电离输运起着重要作用;在地球磁极,存在着外来带电粒子的轰击,形态更为复杂。D层和F1层的峰形一般并不很凸出。图1为电离层电子密度的典型高度分布。

  
图示1
D层 离地面约50~90公里。白天,峰值密度NmD和相应高度hmD的典型值分别为10厘米和85公里左右。无线电波中的短波在该层受到较大的吸收。太阳活动最高年的吸收几乎是最低年的两倍。一年之中,NmD的夏季值大于冬季值,但在中纬地区,冬季有时会出现异常吸收。夜间,电离基本消失。

  E层 离地面约90~130公里。白天,峰值密度NmE及其相应高度hmE的典型值分别为10厘米和115公里。NmE的昼夜、季节和太阳活动周期三种变化,大致符合简单层理论公式,分别于中午、夏季和活动高年达到最大值;这时,公式中常量ɑ≈0.9(1801.44R),b≈0.25,R为12个月内太阳黑子数流动平均值。夜间,NmE下降,hmE上升;NmE≈5×10厘米,hmE的变化幅度一般不超过20公里。

  F层

   离地面约130公里以上,可再分为F1和F2层。

  ①F1层(离地面约130~210公里):白天,峰值密度NmF1及其相应高度hmF1的典型值分别为2×10厘米和180公里。F1层峰形夜间消失,中纬度F1层只出现于夏季,在太阳活动高年和电离层暴时,F1层变得明显。NmF1和hmF1的变化与E层类似,大致符合简单层的理论公式,这时ɑ≈4.30.01R,b≈0.2。

  ②F2层(离地面约210公里以上):反射无线电信号或影响无线电波传播条件的主要区域,其上边界与磁层相接。白天,峰值密度NmF2及其相应高度hmF2的典型值分别为10厘米;夜间,NmF2一般仍达5×10厘米。在任何季节,NmF2的正午值都与太阳活动性正相关。hmF2与太阳活动性一般也有正相关关系,除赤道地区外,夜间值高于白天值。在F2层,地球磁场大气各风系、扩散和其他动力学因素起着重要的作
图示2
用,其形态变化不能用查普曼的简单层理论来描述,于是F2层比起E层和F1层便有种种“异常”。所谓日变化异常是指F2层电子密度的最大值不是出现在正午(通常是在本地时间13时至15时),同时NmF2还具有半日变化分量,其最大值分别在本地时间上午10~11时和下午22~23时。季节异常是指F2层正午的电子密度在冬季要比夏季高。赤道异常是指F2层电子密度并不在赤道上空最大,它明显地受地磁场控制,其地理变化呈“双峰”现象,在磁纬±20度附近达到最大值。在高纬度地区,可观测到许多与带电粒子沉降有关的异常现象。其中,最为重要的是F层“槽”,这是地球背阳面上从极光圈开始朝向低纬宽约5~10度的低电子密度的带区。

  峰上固定高度的电子密度和电离层电子总含量的时间变化,与NmF2有类似之处。图2为电离层各层的峰值密度Nm和相应高度hm在中纬度地区的平均昼夜变化。

  除上述各均匀厚层外,电离层还存在着两种较常见的不均匀结构:Es层即偶发E层(见Es层电波传播)和扩展F层(见电离层不均匀体)。

  实际上电离层不像上面所叙述的那样由规则的、平滑的层组成。实际上的电离层由块状的、云一般的、不规则的电离的团或者层组成。

异常

  实际上电离层不像上面所叙述的那样由规则的、平滑的层组成。实际上的电离层由块状的、云一般的、不规则的电离的团或者层组成。

冬季异常

  夏季由于阳光直射中纬度地区的F2层在白天电离度加高,但是由于季节性气流的影响夏季这里的分子
朝阳面电离层里的电流
对单原子的比例也增高,造成离子捕获率的增高。这个捕获率的增高甚至强于电离度的增高。因此造成夏季F2层反而比冬季低。这个现象被称为冬季异常。在北半球冬季异常每年都出现,在南半球在太阳活动低的年度里没有冬季异常。

赤道异常

  朝阳面电离层里的电流在地球磁赤道左右约±20度之间F2层形成一个电离度高的沟,这个现象被称为赤道异常。其形成原因如下:在赤道附近地球磁场几乎水平。由于阳光的加热和潮汐作用电离层下层的等离子上移,穿越地球磁场线。这在E层形成一个电流,它与水平的磁场线的相互作用导致磁赤道附近±20度之间F层的电离度加强。

扰乱

X射线:突发电离层骚扰

  太阳活跃时期强烈的耀斑发生时硬X射线会射击到地球。这些射线可以一直穿透到D层,在这里迅速导致大量自由电子,这些电子吸收高频(3-30MHz)电波,导致无线电中断。与此同时及低频(3-30kHz)会被D层(而不是被E层)反射(一般D层吸收这些信号)。X射线结束后D层电子迅速被捕获,无线电中断很快就会结束,信号恢复。

质子:极冠吸收

  耀斑同时也释放高能质子。这些质子在耀斑爆发后15分钟至2小时内到达地球。这些质子沿地球磁场线螺旋在磁极附近撞击地球大气层,提高D层和E层的电离。极冠吸收可以持续一小时至数日,平均持续24至36小时。

地磁风暴

  地磁风暴是地球磁场暂时的、剧烈的骚扰。
磁暴

  地磁风暴时F2层非常不稳定,会分裂甚至完全消失。 在极地附近会有极光产生。

测量

电离层图

  电离层图显示使用电离层探测仪测量的电离层层次的高度及其临界频率。电离层探测仪垂直向电离层发送一系列频率(一般从0.1至30MHz)。随频率增高,信号在被反射前可以穿透更高的层。最后频率高到不再被反射。

太阳流

  太阳流是使用加拿大渥太华的一台射电望远镜测量的太阳辐射在2800MHz频率的强度。测量结果证明这个强度与太阳黑子活动相称。不过导致地球大气上层电离的主要是太阳的紫外线和X射线。目前地球静止业务环境卫星可以测量太阳的X射线流。这个数据与电离层的电离度更加相应。

研究项目

  科学家使用不同手段研究电离层的结构,包括被动观测电离层产生的光学和无线电信号,研究不同的射电望远镜被反射的信号,以及被反射的信号与原信号之间的差别。

  1993年开始的为期20年的高频主动极光研究计划以及类似的项目研究使用高能无线电发射机来改变电离层的特性。这些研究集中于研究电离层等离子体的特性来更好地理解电离层,以及利用它来提高民用和军事的通讯和遥测系统。

  超级双子极光雷达网研究高高度和中高度对8至20MHz频率的相干散射。相干散射与晶体的布拉格散射类似,是由电离层密度差异造成的相增衍射散射。这个项目包括全球11个不同国家的多部雷达。

  科学家还测量卫星和其它恒星的无线电波经过电离层所产生的变化。位于波多黎各阿雷西博天文台本来就是打算用来研究地球电离层的。

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