电离层简析

电离层简析

07084017 强龙

摘要：

此论文主要针对电离层模型作用及其概念论述的一些观点，希望借此让自己对电离层有更好地了解。

引言：

包围地球的是厚达两万多千米的大气层，起运动的、变化对无线电波传播有很大的影响，对人类的生存也起着至关重要的影响，由其是电离层起着保护人类的作用。研究电离层对我们的重要性不言而喻。

1899年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。

1901.12.12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(Arthur Kennelly)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·维尔克斯和约翰·拉克利夫研究了i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。

正文：

离地面约10~12km以内的空间里是大气的对流层。是由于地面吸收太阳辐射能量而向上传输热能形成强烈的对流而形成的。顶部气温大概在-50ºC左右，大气3/4的质量和90%的水汽都集中在这层，几乎所有的气象现象都是在这一层发生的。离地面10~60km的空间气温会随高度略有增加，对流减弱，称为平流层，对电波传播影响很小。

平流层向上到1000km的区域称为电离层，主要是由自由电子、正离子、负离子、中性分子和原子等组成的等离子体。

电离层的由来：

太阳辐射的紫外线、X射线、高能带电微粒流、微流星及其他来自宇宙的射线电磁波，其中太阳中紫外线辐射是主要的原因，由于起带有大量带电粒子，所

以对电波传播有很大的影响变化。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。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。

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。它是保护人类的第一道防线。而电离层它吸收了大部分来自太阳的辐射(X射线和紫外线)。成为了人类的第二道保护层。流经电离层的辐射大部分在平流层又被臭氧层吸收，形成了人类的第三道防线。现在臭氧层已被人类破坏了大部分，很多地方都出现了臭氧空洞，这是很严重的事故，一旦过量紫外线直射地球对人类和地球上的其他生物都是致命的灾害。臭氧含量本身就极低，大概只占大气总重的四百万分之一，所以是及其珍贵的财富，不可生产的。

电离层结构：

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）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，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。

D层

离地面约50～90公里。白天，峰值密度N mD和相应高度h mD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，太阳运动最高年的吸收几乎是最低年的两倍。一年之中，N mD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晚上电离基本消失。

E层

离地面约90～130公里。白天，峰值密度N mE及其相应高度h mE的典型值分别为10厘米和115公里。N mE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(180 1.44R)，b≈0.25，R为12个月中太阳黑子数流动平均值。夜间，N mE下降，h mE上升；N mE≈5×10厘米，h mE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。

① F1层（离地面约130～210公里）：白天，峰值密度N mF1及其相应高度h mF1的典型值分别为2×10厘米和180公里。F1层峰形夜间消失， F1层只出现于夏季，在太阳活动高年电离层暴时，F1层变得明显。N mF1和h mF1的变化与E层类似，大致符合简单层的理论公式，这时ɑ≈4.3 0.01R，b≈0.2。

② F2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N mF2及其相应高度h mF2的典型值分别为10厘米；夜间，N mF2一般仍达5×10厘米。在任何季节，N mF2的正午值都与太阳活动性正相关。h mF2与太阳活动性一般也有正相关关系，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N mF2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。

突发E层，大约在120km的高度会出现一大片不正常的电离层，起电子密度大大超过了E层，又是高出几个数量级，又是可反射50~80kHz的电波，称之为突发E层。我国夏季出现较频繁，在赤道和中纬度地区，白天多余晚上，高纬度则相反，在黑子少的年份发生的多。

图1 分别给出了3 个台站白天和夜晚的〈f 0 ES〉在3 个太阳黑子周期(1957 —1990 年)

的变化,以及同期太阳黑子数年平均值W 的变化. 由线性回归方法计算得出,除了Boul2der台站白天的〈f 0 ES〉外〈, f 0 ES〉有十分明显的随时间下降的长期变化趋势. 这一趋势早在1984 年就被发现[9 ] ,但至今尚未得到合理解释. 为此,在计算ES 层临界频率与太阳活动相关系数时,本文简单采用线性回归方法将这种下降的趋势从〈f 0 ES〉的长期变化中扣除. 统计计算得出的相关系数见表1. 可以发现f 0 ES 白天的年平均值与太阳活动强度W有较强的正相关关系,纬度较低的Maui 台站的相关性最强. 在夜间,当常规E 层消失后,f 0 ES 的年平均值与太阳活动水平呈现负相关,其中Alma ata 台站呈现较强的负相关,Maui 和Boulder 台站呈现弱的负相关. 在白天〈δf 0 ES〉与太阳活动水平呈微弱的正相关.同时,本文分析了不同强度的ES 层出现率的长期变化及其与太阳活

动强度的相关性. 为此,分别根据不同条件计算了每年ES 层的出现概率P ( f 0 ES > 3MHz) , P ( f 0 ES >4MHz) , P( f 0 ES > 5MHz) 和P( f 0 ES > 7MHz) . 其中,3 个台站的P( f 0 ES > 3MHz) , P( f 0 ES >4MHz) , P( f 0 ES > 5MHz) 的逐年变化以及同期太阳黑子数年平均值W 的变化如图2 ,其相关系数列于表2. 从图2 和表2 可以看出,各个台站相关性的表现不尽相同. 由于Maui 台

站纬度偏低一些,其ES 强度较大, P( f 0 ES > 4MHz) 与太阳活动的相关性最强;Boulder 台站纬度略高,其P( f 0 ES > 3MHz) 与太阳活动的相关性最

强;Almaata 台站的ES 层出现率与太

阳活动的相关性不强. 将白天ES 和夜间ES 分开进一步分析表明,Alma ata 台