太阳,地球,电离层和几个参数

太阳、地球、电离层和几个参数

作者：K9LA,翻译：BH4SRC

太阳在核聚变的过程中，产生电磁辐射并喷射出太阳物质。其中，100-1000埃波长（紫外线）的电磁辐射电离地球电离层的F层；10-100埃波长（软X光）的电磁辐射电离E层；1-10埃波长（硬X光）的电磁辐射电离D层。太阳定期喷射太阳物质，太阳物质中含有由电子和质子组成的带电粒子。太阳物质还构成了太阳风，处于稳定期的太阳，其刮向地球的太阳风平均速度可以达到400公里每秒。

太阳风会对地球磁场产生显著影响。在太阳风的影响下，地球磁场并不是简单的磁棒磁场。实际情况是面向太阳一面的地球磁场受到太阳风的压缩；而背对太阳风一面的地球磁场则受到拉伸，生成磁尾；磁尾长度可以达到10多倍地球半径。电磁辐射对处于白天中的整个电离层构成影响；由太阳喷射的构成太阳物质的带电粒子，则沿着地球磁力线进入电离层。带电粒子只对磁力线进入地球时所处的高纬度地区的电离层构成影响。

图一，太阳对地球磁场的影响

此外，太阳的电磁辐射会电离大气中的原子，使原子中的电子逃逸并沿着地球磁力线以电子的旋转频率做螺旋运动。因此地球磁场在无线电传播中起着非常重要的作用。

地球磁场强度的大小，可以通过使用磁力计测定。通过磁力计的读数，有两种方法表示地球磁场的强度，即每日A指数和3小时K指数。A指数是8个3小

时K指数的平均值。通过线性表述，A指数值的大小从0—400不等，对应地球磁场活动从平静到严重地球磁暴。K指数用准对数表表述，从0—9，对应地球磁场活动从平静到严重地球磁暴。从本质上说，K指数就是A指数的压缩版。通常来说，A指数在15以下或者K指数在3以下，有利于电波传播。

太阳黑子指的是有紫外线辐射的太阳表面区域，它和地球电离层的F层电离程度有关系。每天的太阳黑子数目，如果按月统计的话，变化非常大。即使统计每月的太阳黑子平均值，其数值仍然变化很大。因此我们需要一个更大时间跨度，或者更平滑的太阳黑子平均值，用以测量太阳周期。这就是SSN，smoothed sunspot number。SSN的计算，通过把测量的时间点的前6个月和后6个月，共13个月太阳黑子数做平均。由于SSN是一段时间跨度的平滑平均值，因此官方的本月SSN值都会在6个月后发布。使用SSN数值统计的缺陷是可能会掩盖那些短期内会加强传播的异常太阳活动。

图二，太阳黑子

太阳黑子活动的周期大约为11年。每个周期内，黑子活动的加强期通常比衰减期要短，即加强期为4-5年，衰减期为6-7年。处于或接近太阳活动高峰期时，不断增加的太阳黑子数，带来更多的影响地球大气层的紫外线辐射。更多的紫外线辐射使得F层电离程度加剧，进而导致F层可以折射更高频率返回地球进行DX通联，这些频率包括15米，12米，10米以及6米。处于或接近太阳活动低谷期时，太阳黑子数量很少以至于高波段频率直接穿越电离层。和太阳低谷期对应的是更稳定的电离层和更少的电离层吸收，此时最适合低波段传播，包括160米和80米。因此，概括来说，SSN值高的话，适合高波段传播；而SSN值较低的话，则适合低波段传播。

图三，第24个周期太阳黑子预测

图四，太阳黑子值的历史纪录

经常给传播带来干扰的是太阳耀斑和日冕物质抛射（CME）。影响传播的太阳耀斑被称作X射线耀斑，这是因为它们的波长在1-8埃的范围内。X射线耀斑分为3个级别：C，最小；M，中等；X，最大。C级别的耀斑通常对传播没什么影响，而M和X级别的耀斑则对传播有个持续的不利影响。

图五，太阳耀斑

一个1-8埃波长范围的X级耀斑，其电磁辐射会导致地球日照面的传播消失，原因是其增加了电离层的D层吸收。此外X级耀斑会释放高能质子，这些高能质子在地球磁场的作用下被引致极地冰盖上方。这就导致了两极地区冰盖吸收现象，实质是极地两端上空的D层吸收加剧。

日冕物质抛射是太阳物质的大规模喷发，它会导致太阳风速度的迅速升高，此时太阳风像冲击波一样撞向地球。当这个冲击波袭击地球时，如果此时的太阳磁场极性是向南的话，太阳磁场耦合入地球磁场，从而导致地球磁场的剧烈动荡。从而导致我们看到的A指数和K指数增加。

图六，日冕物质抛射

这种地球磁场的变化，除了会带来极光活动，还会导致绕着地球磁力线做螺旋运动的电子脱离磁力线，进入地球磁尾。随着电子的流失，最大可用频率(MUF)降低。直到地球磁场恢复正常，电离活动补偿流失的电子后，最大可用频率才会恢复。多数情况下，增加的A指数和K指数，会带来MUF的降低。A和K指数增加时，MUF偶尔会在低纬度地区增加（导致这一现象的实质比较复杂）。

太阳耀斑和日冕物质抛射是相关联的，它们可能会一起出现，也可能会单独出现，科学家还在研究他们之间的关系。但是可以确定的是，大型耀斑发出的以光速传播的电磁辐射，会导致地球向阳面的无线电通讯在耀斑爆发后10分钟内短期中断。不幸的是在通讯中断时，我们同时在用无线电进行视觉测量耀斑。由于耀斑的可见光和1-8埃波长的电磁辐射都以光速传播，换句话说就是，不用当心我们的耀斑视觉观测。此外，耀斑喷发的高能粒子要花费数小时才能到达地球，日冕物质抛射的冲击波则需花费数天才能到达地球，因此我们有时间对它们带来的干扰进行预警。