天线与电波传播(第二版) 第12章

1． (1) 日夜变化。 (2) 季节变化。 (3) 随太阳黑子11年周期的变化。 太阳黑子数与太阳活动性之间有着较好的统计关系， 人 们常常以黑子数的多少作为“太阳活动”强弱的主要标志。 黑子数目增加时，太阳辐射的能量增强，因而各层电子密度 增大，特别是F2层受太阳活动影响最大。黑子的数目每年都 在变化，但根据天文观测，它的变化也有一定的规律性，太 阳黑子的变化周期大约是11年，如图12-1-4所示。
图12-1-1 地面上空大气层概
从电离层至几万千米的高空存在着由带电粒子组成的两 个辐射带，称为磁层。磁层顶是地球磁场作用所及的最高处， 出了磁层顶就是太阳风横行的空间。在磁层顶以下，地磁场 起了主宰的作用，地球的磁场就像一堵墙把太阳风挡住了， 磁层是保护人类生存环境的第一道防线。而电离层吸收了太 阳辐射的大部分X射线及紫外线，从而成为保护人类生存环 境的第二道防线。平流层内含有极少量的臭氧(O3)，太阳辐 射的电磁波进入平流层时，尚存在不少数量的紫外线，这些 紫外线在平流层中被臭氧大量吸收，气温上升。
图12-1-4 太阳黑子数随年份的变化
(4) 随地理位置变化。由于地理位置不同，太阳光照强 度也不相同。在低纬度的赤道附近，太阳光照最强，电子密 度最大。越靠近南北极，太阳的光照越弱，电子密度也越小。 我国处于北半球，南方的电子密度就比北方的大。
2． (1) 突发E层(或称Es层)。 (2) 电离层突然骚扰(Sudden Ionospheric Disturbances)。 当耀斑发生8分18秒左右，太阳辐射出的极强X射线到达 地球，穿透高空大气一直达到D层，使得各层电子密度均突 然增加，尤其D层可能达到正常值的10倍以上，如图12-1-5 所示。
在离地面25 km高度附近，臭氧含量最多，所以常常称 这一区域为臭氧层。臭氧吸收了有害人体的紫外线，组成了 保护人类生存环境的第三道防线。臭氧含量极少，其含量只 占该臭氧层内空气总量的四百万分之一，臭氧的含量容易受 外来因素的影响。
大气电离的程度以电子密度N(电子数/m3)来衡量。地面电离 层观测站以及利用探空火箭、人造地球卫星对电离层的探测 结果表明，电离层的电子密度随高度的分布如图12-1-1 所示。 电子密度的大小与气体密度及电离能量有关。气体在90km 以上的高空按其分子的重量分层分布，如在300 km高度上面 主要成分是氮原子，在离地90 km以下的空间，由于大气的 对流作用，各种气体均匀混合在一起，如图12-1-2所示。
由于地面吸收太阳辐射(红外、可见光及波长大于300 nm 的紫外波段)能量，转化为热能而向上传输，引起强烈的对流。 对流层空气的温度是下面高上面低，顶部气温约在-50℃左右。 对流层集中了约3/4的全部大气质量和90％以上的水汽，几乎 所有的气象现象如下雨、下雪、打雷闪电、云、雾等都发生 在对流层内。离地面大约10～60 km的空间，气体温度随高 度的增加而略有上升，但气体的对流现象减弱，主要是沿水 平方向流动，故称平流层。平流层中水汽与沙尘含量均很少， 大气透明度高，很少出现像对流层中的气象现象。
图12-1-3 长、中、短波从不同高度反射
表12-1-1 电离层各层的主要参数
12.1.2
天波传播和电离层的关系特别密切，只有掌握了电离层
由于大气结构和电离源的随机变化，电离层是一种随机 的、色散、各向异性的半导电媒质，它的参数如电子密度、 分布高度、电离层厚度等都是随机量，电离层的变化可以区 分为规则变化和不规则变化两种情况，这些变化都与太阳有
图12-1-5 电离层骚扰时电子密度增大
(3) 电离层暴(Ionospheric Storm)。太阳耀斑爆发时除辐 射大量紫外线和X射线外， 还以很高的速度喷射出大量带电 的微粒流即太阳风，速度约几百上千km/s，到达地球需要30 h左右。带电粒子穿过磁层到达电离层，使电离层正常的电 子分布发生剧烈变动， 称之为电离层暴，其中F2层受影响最 大，它的厚度扩展，有时电子密度下降， 有时却使电子密度 增加，最大电子密度所处高度上升。电离层的异常变化中对 电波传播影响最大的是电离层骚扰和电离层暴。
12.1 电离层概况 12.2 无线电波在电离层中的传播 12.3 短波天波传播 12.4 中波天波传播的介绍 习题十二
12.1 电 离 层 概 况
12.1.1
包围地球的是厚达两万多千米的大气层，大气层里发生的运 动变化对无线电波传播影响很大，对人类生存环境也有很大 影响。地面上空大气层概况如图12-1-1所示，在离地面约 10～12 km(两极地区为8～10 km，赤道地区达15～18 km)以 内的空间里，大气是相互对流的，称为对流层。
12.1.3
在电波未射入电离层之前，电离层中的中性分子和离子 与电子一起进行着漫无规律的热运动。当电波进入电离气体 时，自由电子在入射波电场作用下作简谐运动。
设v为电子运动速度，e为电子电量，m为电子质量，υ为 碰撞频率(υ表示一ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电子在1秒钟内与中性分子的平均碰撞次 数)，并设碰撞时电子原有动量全部转移给中性分子，故每秒 钟动量的改变为mvυ，则电子运动方程为
从平流层以上直到1000 km的区域称为电离层，是由自 由电子、正离子、负离子、中性分子和原子等组成的等离子 体。使高空大气电离的主要电离源有： 太阳辐射的紫外线、 X射线、高能带电微粒流、为数众多的微流星、其它星球辐 射的电磁波以及宇宙射线等，其中最主要的电离源是太阳光 中的紫外线。该层虽然只占全部大气质量的2％左右，但因
图12-1-2 大气的分层现象
对每层气体而言，气体密度是上疏下密，而太阳照射则 上强下弱，因而被电离出来的最大电子密度将出现在几个不 同的高度上，每一个最大值所在的范围叫做一个层，由下而 上我们分别以D、E、F1、F2等符号来表示，电离层各层的主 要数据见表12-1-1
表中的半厚度是指电子密度下降到最大值一半时之间的 厚度，临界频率是指垂直向上发射的电波能被电离层反射下 来的最高频率。各层反射电波的大致情况如图12-1-3所示。