电离层

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　地球大气的一个电离区域,高度范围大约在60～1000公里。由于太阳紫外线、X射线和高能粒子等的作用,60公里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。磁层是完全电离的大气区域，而电离层是部分电离的大气区域。在电离层中，含有足够多的自由电子，能显著地影响无线电波的传播。同时，这部分大气相对稠密，没有完全电离，带电粒子和中性分子的碰撞频繁，因而电子运动仍在很大程度上受这种碰撞的控制或影响。某些情况下,单从电离角度来看,也有人把整个电离的地球大气叫做电离层，这样就把磁层也看作是电离层的一部分。除地球之外，金星、火星和木星都有电离层（见行星电离层）。

　　研究简史 　19世纪,为了解释地磁场的变化,C.F.高斯和开尔文(Kelvin)等曾提出高空存在导电层的设想；斯图尔特(B. Stewart)甚至提出由风激起导电层中电流的设想。1901年,马可尼(G.Marconi)成功地进行了横越大西洋的无线电波传输实验,它不仅在无线电通讯史,而且在利用无线电波探测电离层的发展史上揭开了新的一页。1902年肯内利（A.E.Kennelly）和亥维赛（O.Hea-viside）就认为高层大气中的导电层可能反射无线电波。1924年，英国的Sir E.V.阿普尔顿等通过向上发射变换频率的无线电波得到回波而直接证实了电离层的存在，次年美国的布雷特(G.Breit)和图夫(M.A. Tuve)也独立地接收到来自电离层的回波，布雷特等人使用了垂直向上发射无线电脉冲的方法，成为后来电离层垂直探测方法的基础。1926年,英国人沃森-瓦特(R.A.Watson-Watt)则首次提出了“电离层”这一名称。从20世纪20年代开始，人们在电磁波和电离气体相互作用的理论和实验研究方面进行了大量的工作。

　　1925～1932年间,阿普尔顿和哈特里 (D.R.Hartree)等人创立了磁离子理论，为研究电波在电离层中的传播奠定了理论基础。1931年S.查普曼又提出电离层形成理论，这样就揭开了电离层中各种动力过程研究的序幕。随着研究的深入，人们利用各种形式的电波传播探测方法对电离层进行了广泛的探测（见电离层探测）。特别是50年代以来，火箭和卫星的应用，使直接探测得以实现，获得了上部电离层的大量资料（见电离层直接探测、电离层顶部探测）。

　　1936年，中国在上海进行了日偏食期间的电离层探测。1946～1949年，武昌、兰州、重庆等地建立了电离层垂直探测站。1949年以后，先后增设了乌鲁木齐、满洲里、长春、北京、广州和海口等站，形成了中国电离层垂直探测网，积累了大量资料。1957年以来，探测站逐步实现了自动化，还进行了火箭和卫星对电离层的间接探测和直接探测。在此基础上，建立了电波传播的预报服务，较广泛地开展了电离层物理及电波传播研究。

　　结构和形态 　表征电离层特征的主要参量是电子密度。依据电子密度随高度的分布特征，电离层分为 D层、E层和F层。白天F层又分为F1层和F2层。各层电子密度峰值分别处于90、110、180和300公里附近,最大电子密度可达106厘米-3(见电离层结构)。电离层的分层结构只是电离层状态的理想描述，实际上电离层总是随经度、纬度呈现着复杂的空间变化，并且有周日、季节和年变化（见电离层形态）。当太阳活动剧烈时，还会发生电离层骚扰。电离层作为地球大气的组成部分，时刻处于不停的运动之中。这种运动又在电离层中激发不稳定性过程和不均匀结构。

　　为了描述电离层状态的时空变化，人们建立了各种电离层模式,包括解析模式和经验模式。自1978年起,国际无线电科学联盟(URSI)和空间研究委员会(COSPAR)不定期颁布电离层经验模式（称国际参考电离层），由它可以计算各种电离层参量在任何时刻的全球分布，以供电离层研究和工程部门应用（见电离层模式）。

　　电离层和电波传播 　电离层对人类经济活动的重大意义首先是和它对电波传播的影响联系在一起的，这涉及到无线电通讯、广播、无线电导航、雷达定位等方面的应用。受影响的波段从极低频(ELF)直到甚高频(UHF)。当然受到影响的机制和程度各不相同,对很低的频率,在地面和电离层之间无线电波以波导模传播；即使对很高的频率，电离层中的不均匀结构仍可使卫星和地面通信信号的相位和幅度产生随机起伏(或称闪烁)。不过，影响最大的仍然是中波和短波段，在中波和短波段，电离层作为一种传播介质使电波受到折射、反射、散射并损失它的一部分能量于介质中。此外，还使电波信号发生频率漂移以及相位和偏振状态的改变。对于强的无线电波，还会出现电离层非线性现象，即强无线电波可以影响电离层的某些参量，例如改变电子温度。受了电波影响的介质反过来再作用于电波，从而使电波受到的影响和磁离子理论的预言不同（见电离层无线电波传播）。

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电离层

Ionosphere

地球大气的一个电离区域。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，土星、天王星、海王星和冥王星的电离层结构，有待进一步探测研究。

研究简史 为解释地磁场的变化，19世纪时，C.F.高斯和开尔文等提出高空存在导电层的设想。1924年，Sir E.V.阿普尔顿等通过对无线电波回波的接收，证实了电离层的存在。R.A.沃森-瓦特于1926年首先提出“电离层 ” 这一名称。1925年，G.布雷特和M.A.图夫发明的电离层垂直探测仪，是地面探测电离层的基本设备，为后来积累了大量的实测资料，为电离层研究起了重要的作用。1949年首次在V-2火箭上安装朗缪尔探针直接探测电离层，开创了直接探测的先例。1925 ～ 1932年，阿普尔顿和D.R.哈特里等人创立的磁离子理论，为研究电波在电离层中的传播奠定了理论基础。1931年，S.查普曼提出电离层形成理论，极大地推动了电离层的研究。电离层研究极大地促进了短波通信的发展。

电离层的形成 地球高层大气的分子和原子，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。

电离层结构 可用电离层特性参量电子密度、离子密度、电子温度、离子温度等的空间分布来表征。但其研究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。电子密度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。

电离层在垂直方向上呈分层结构，一般划分为D层 、 E 层和F层，F层又分为F1 层和F2层。最大电子密度约为106厘米-3，大约位于300千米高度附近。除正规层次外，电离层区域还存在不均匀结构，如偶发E层（Es）和扩展F。偶发E层较常见，是出现于E层区域的不均匀结构。厚度从几百米至一二千米，水平延伸一般为0.1～10千米，高度大约在110千米处，最大电子密度可达106厘米-3。扩展F是一种出现于F层的不均匀结构，在赤道地区，常沿地磁方向延伸，分布于250～1000千米或更高的电离层区域。

电离层分层结构只是电离层状态的理想描述，实际上电离层总是随纬度、经度呈现复杂的空间变化，并且具有昼夜、季节、年、太阳黑子周等变化。由于电离层各层的化学结构、热结构不同，各层的形态变化也不尽相同。

电离层骚扰 太阳扰动以及其他原因导致对电离层正常状态的显著偏离。太阳扰动引起的电离层骚扰主要有电离层突然骚扰、电离层暴、极盖吸收、极光带吸收等。人为因素如核爆炸、大功率发射机对电离层加热也能引起电离层骚扰。电离层骚扰对无线电波传播会产生严重影响。①电离层突然骚扰。太阳色球在耀斑爆发期间发出强烈的紫外线和Χ射线辐射 ，使 D 层的电子密度突然增大 ，对通讯造成严重影响，甚至中断。突然骚扰持续时间一般为几分钟至几小时。②电离层暴。F2层状态的异常变化。③极盖吸收。在强烈的太阳耀斑爆发时，由太阳喷射出来的高能质子流沿地磁力线沉降到极盖区上空，使 D 层的电离急剧增大，以至通过该区的无线电波被强烈吸收，常造成无线电通讯中断。 ④ 极光带吸收。来自太阳扰动区的高能电子和质子沉降到极区上空，使极光带低电离层的电离增强，以至通过该区域的电磁波被强烈吸收。极光带吸收甚至使电波讯号中断。

电离层和电波传播 电离层对电波传播的影响与人类活动密切相关，如无线电通讯、广播、无线电导航、雷达定位等。受电离层影响的波段从极低频(ELF) 直至甚高频(VHF)，但影响最大的是中波和短波段。电离层作为一种传播介质使电波受折射、反射、散射并被吸收而损失部分能量于传播介质中。3～ 30兆赫为短波段，它是实现电离层远距离通讯和广播的最适当波段，在正常的电离层状态下，它正好对应于最低可用频率和最高可用频率之间。但由于多径效应，信号衰落较大；电离层暴和电离层突然骚扰，对电离层通讯和广播可能造成严重影响，甚至讯号中断。300千赫至3兆赫为中波段，广泛用于近距离通讯和广播。


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由较多气体分子吸收太阳x射线和紫外辐射电离而成的大气层。常按电子密度大小自下而上分成d层(60～90千米)、e层(90～140千米)、f层(140～500或1000千米)。各层的高度、厚度和电子密度随昼夜、季节而变化，并受太阳活动(如太阳黑子等)的影响。能将短波波段的无线电波折回地面，从而完成远距离无线电通信。

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电离层模式 　电离层诸参量随高度变化的数学描述。这种变化与地理位置、季节、地方时，以及太阳和地磁活动性有关。复杂的电离层形态给实际应用带来极大困难，因此，人们在大量实测数据的基础上，用较简单的数学模式描述电离层形态和结构，以便在无线电通信和宇宙航行等工程设计中应用。研究最多的是对无线电波传播有直接影响的电子密度模式。 ①查普曼模式




②线性模式




③抛物模式




④抛物平方模式：




　　⑤双曲正割平方模式


⑥指数模式




式中N(h)为离地面高度h处的电子密度；h0为起算高度；α为常数；ɑ为层的半厚度。
　　这些模式只能描述电离层电子密度剖面的某一部分。为了完整地描述剖面，须在不同部分采用不同的数学表达式。
　　对F层峰值以下的电子密度剖面,可按照不同的实际应用，采用不同的组合模式。国际无线电咨询委员会推荐用于短波场强计算的布雷德利－杜德奈模式，是抛物模式 (F2层)-线性模式（F1层）-抛物模式（E层）的组合模式。模式参数可以从电离层观测站所得到的特性参数推算出来。一般情况下，所得的电子密度分布与实际分布的高度差别小于20公里。其他的模式还有：余弦模式（F2层）-正割模式（E-F层）-抛物模式（E层）的组合模式，可用于精度要求较高的射线追踪计算；抛物模式（F2）层与多项式组合模式，便于从电离层垂测仪的频率-高度图计算F2层的峰值高度、峰处标高和等效峰下平板厚度。
　　包括F层峰值区域在内的电子密度剖面中,较典型的有本特模式和宾夕法尼亚州 1号电离层模式。本特模式的高度范围约从 150公里到2000公里。峰值高度以下为抛物平方模式，峰值高度以上为抛物模式；更高的高度上为三个相接的指数模式。本特模式忽略剖面（特别是F 部区域）的细节，着眼于精确地表达电离层电子含量。它适用于计算无线电波由于折射所造成的时延和方向的变化。宾夕法尼亚州1号电离层模式（120～1250公里）是在一个经验所得的高度范围内，模拟电离层的物理化学过程，通过调节电离反应速度和垂直电子流计算电子密度。这一模式主要用于研究输运过程和风的衰减等理论问题。
　　国际无线电科学联合会和美国空间研究委员会根据电离层的实测资料编制成《国际参考电离层》，它是一套专门的计算机程序，输入数据为地理经度和纬度、月份、本地时间、太阳黑子数。输出数据为电离层诸参量的垂直分布。图3为输出剖面示例。


　　由于来自外空，太阳和地球大气本身的各种扰动源的激发，电离层还会产生相应的扰动变化和不规则结构，表现各种不同的形态。


电离层扰动
电离层扰动  ionospheric disturbance

　　电离层结构偏离其常规形态的急剧变化，又称电离层骚扰。电离源的突变、非平衡态动力学过程、不稳定的磁流动力过程和某些人为因素等，都可引起电离层扰动。它常严重影响电离层中无线电波的传播。

　　电离层突然骚扰  

一种来势很猛但持续时间不长(一般为几分钟至几小时)的扰动,它仅发生在日照面电离层的 D层。这种扰动由太阳耀斑引起，耀斑区发出的强烈远紫外辐射和X射线，大约8分钟后到达地球，使地球向阳面电离层特别是 D层中的电子密度突然增大。这种现象称为电离层突然骚扰。当发生这种骚扰时，从甚低频到甚高频的电波传播状态均有急剧变化。例如,由于D层电子密度增大,经过D层传播的高频无线电波突然受到强烈吸收，常出现短波通信中断，称为短波消失现象。来自天外的宇宙噪声,由于D层吸收突然增加而强度突然减弱,称为宇宙噪声突然吸收。但从D层反射的长波和超长波信号突然变强，相位也发生突变，称为突然相位异常现象；而接收远处雷电产生的“天电干扰”的强度也明显增强，称为天电突增。甚高频低电离层散射传播信号也将增强。此外，耀斑期间，E层和F层底部的电子密度也突然增加，可引起短波频率突然偏离现象。

　　电离层暴 　

持续时间为几小时至近10天的常与磁暴相伴的强烈电离层扰动。太阳局部扰动除爆发出大量电磁辐射外，有时还辐射出大量带电粒子流。粒子流到达地球一般要1～2天左右，它们与磁层和高层大气相互作用,可使正常电离层（特别是F层）状态遭到破坏,称为F层骚扰。这种骚扰有负相（临界频率下降）、正相（临界频率上升）和双相(临界频率有升有降)骚扰之分。骚扰时临界频率变化一般大于30％。太阳质子事件或磁层亚暴期间，极区电离层电离激增，会引起急始吸收、极光带吸收、极盖吸收和长波相位异常等现象。极光带吸收是来自太阳扰动区的低能粒子流进入极区上空，使极光带或者比它略宽的环带(宽约 6°～15°)内低电离层电离增加而引起碰撞增加，高频电波被强烈吸收。这时常伴随出现地磁场扰动和极光现象，在太阳活动峰年过后的两三年内它的出现最为频繁。极盖吸收是太阳扰动或磁层亚暴时所产生的高能粒子沿地球磁力线沉降在极区高层大气中，使磁纬64°以上的极盖地区上空电离层D层的电离强烈增大，致使高频电波被强烈吸收而中断。它通常在形成太阳质子耀斑后几十分钟到几十小时以后才发生，这时不一定出现地磁场扰动和极光现象。持续时间通常为1～3天，最长可达10天之久，在太阳活动峰年频繁发生。在磁层亚暴主相期间，与粒子沉降相伴的强电场和电急流，使极区电离层发生极复杂的热力学扰动、电磁场扰动和磁流动力扰动，并能波及到全球电离层。这种电离层暴的全球形态尚不十分清楚。由于电离层暴对电波传播有严重的影响，不少国家都建立有电离层骚扰预报业务。

　　电离层行扰 　

暴时极区激发的、向赤道方向以600～700米/秒的速度水平传播的大气重力波扰动。周期为半小时至几小时,东西向水平尺度可达几千公里,传播上千公里后波形变化不大。它可发生使F2层偏离正常值20％～30％的扰动，严重改变无线电波的传播环境。

　　此外，火山喷发、地震、台风和雷暴可激发中尺度大气重力波扰动；地面核试验激发的重力波可影响几千公里外的电离层；高空核实验的各种电离辐射，更能显著地破坏电离层；大功率短波雷达加热等人工手段和空间飞行的释放物，也能引起电离层扰动。这些自然因素和人为因素激发的电离层扰动，都是外空环境监测的主要对象。


电离层和电波传播

　　电离层对电波传播的影响与人类活动密切相关，如无线电通讯、广播、无线电导航、雷达定位等。受电离层影响的波段从极低频(ELF)  直至甚高频(VHF)，但影响最大的是中波和短波段。电离层作为一种传播介质使电波受折射、反射、散射并被吸收而损失部分能量于传播介质中。3～ 30兆赫为短波段，它是实现电离层远距离通讯和广播的最适当波段，在正常的电离层状态下，它正好对应于最低可用频率和最高可用频率之间。但由于多径效应，信号衰落较大；电离层暴和电离层突然骚扰，对电离层通讯和广播可能造成严重影响，甚至讯号中断。300千赫至3兆赫为中波段，广泛用于近距离通讯和广


Es层电波传播

　　超短波在电离层偶发 E层上的反射和散射传播。电离层偶发E层简称Es层，它是电离层E层内不规则的电离密集薄层，电子密度往往超出邻近区域电离度的一倍或更多，密度梯度陡峭。它位于电离层E层下半部,离地面高度一般为 95～130公里（多出现于100～120公里间），同正常E层峰值高度相差5～10公里。厚度变化范围是0.2～5公里，多为1公里左右。Es层覆盖数十公里至数百公里区域，最多可达2000公里。Es层的出现有突然性，形成时刻和持续时间不易预料，一般维持数十分钟至数小时。在电离图（频高图）上可看到 Es层同正常E层描迹有明显差别。Es层还有如下特性：①它在地域上是散见和不定的，有随机运动和定向漂移；②它对电波有半透明或遮蔽性，视电波频率、发射功率和Es层本身栅网结构而定；③电波在Es层的反射虚高基本上不随频率变化，说明它是厚度甚薄的密集电离层；④Es层活动有昼夜变化、季节变化和太阳黑子周期变化，并随地理经度、纬度而异。在低纬度和赤道区，它多出现于昼间，季节的影响不大；在中纬度区，昼间出现率略高于夜间，夏季较常见；在高纬度和极区夜间较多,基本上不受季节影响;通常在太阳宁静年份出现较频繁；Es层出现率还有经度依赖性，东亚地区包括中国大部是Es层频发区；⑤在地磁扰动期间Es层出现率趋于下降。
　　Es层的形成机制尚未彻底查明，曾经认为Es层的成因同流星雨或低层大气雷电活动有关。60年代以来，提出了风切变理论，认为在不同高度上，东、西向中性风的差别使E层内电子聚集为较高密度的一薄层,形成Es层。一般认为后一解释较为可取。
　　Es层的出现可引起 30～100兆赫无线电波的反射和前向散射，其中以50兆赫波段的散射效应最强。电波传播的距离限于1000～2600公里的距离内，1000公里以内为寂静区,在极少数情况下可达3000～5000公里距离。这是因为仅当无线电波的出射仰角很小时，才较易产生Es层的反射散射，从而形成无电波到达的外半径约为1000公里的盲区。
　　描述Es层传播特性的主要参数，是层的遮蔽频率fb、寻常波顶端频率f0和Es描迹的最低虚高h′。f0可高至10兆赫左右，甚至更高。在超短波出射仰角近于0°时,电波在Es层的入射角约为80°，此时散射角为20°的前向散射,可使3～10米波长的超短波传播距离大大超过视距。因此偶然可在1000公里以外收看到使用这一波段的电视广播。Es层的运动变化和定向移动，会形成远程超短波通信和偶现电视节目的不稳定性，有时还能在固定接收点上收看到不同的远方电视台广播。利用Es层传播超短波需要千瓦级的发射功率;若采用锐方向性收发天线,发射功率仅需十瓦级。偶发 E层上反射和前向散射测试结果表明，与一般电离层传播相比，其超短波散射信号增强60分贝左右。

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