电离层环境及其影响

电离层环境及其影响

摘要：电离层是指位于地面约60km至1000km处的被电离了的大气层。电子密度的不均匀分布是电离层的重要特性之一，这种不均匀的密度分布的尺度为数米一数十公里量级，亦称为电离层不规则结构。电离层不规则结构会引起卫星电波闪烁，从而导致数据通信线路、广播、测距信号等的一时中断或质量劣化。太阳事件、地磁活动等会引起电离层电子密度的增大，电子密度增大将导致信号延迟增大，从而影响导航定位精度。

关键字：电离层卫星导航飞行器

1引言

电离层（Ionosphere）是地球大气的一个电离区域（如图1所示）。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。电离层从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域，其中存在相当多的自由电子和离子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收[1]。

图1 电离层位置示意图

2电离层环境

大气的电离主要是太阳辐射中紫外线和X射线所致。此外，太阳高能带电粒子和银河宇宙射线也起相当电离层知识的拓宽重要的作用。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。表1列出了电离层的一些基本参数。

表1电离层基本参量数据[2]

太阳辐射对不同高度不同成分的空气分子电离，根据电子浓度的变化，电离层也可分成几个区域（如图2所示），即D层（60~90km）、E 层（90~140km）、F1层(140~200km)F2层(200~1000km或2000km)和外电离层（F2层以上）[3]。

图2 电离层结构图

D层是电离层最低的一层，离地球表面50至100公里。该层电子浓度很低，为（103~104）/cm3，这里主要是波长为121.5纳米的来曼-α氢光谱线的光电离一氧化氮。在太阳活动非常强烈时（超过50个黑子），硬X射线还可以电离空气中的氮气和氧气的分子。夜间宇宙射线造成一个剩余电离。这个层里离子对自由电子的捕获率比较高，因此电离效应比较低，从而它对高频无线电波没有影响。日间这里自由电子与其它粒子的碰撞率约为每秒1000万次。10MHz以下的电波会被D层吸收，随着电波频率的增高这个吸收率下降。夜间这个吸收率最低，中午最高。日落后这个层减弱非常大。D层最明显的效应是白天远处的中波电台收不到。

E层是中层，在地面上100至150公里。这里的电离主要是软X射线和远紫外线对氧气分子的电离。这个层只能反射频率低于10MHz的电波，对频率高于10MHz的电波它有吸收的作用。E层的垂直结构主要由电离和捕获作用所决定。夜间E层开始消失，因为造成电离的辐射消失了，由于捕获在低处比较强，因此其高度开始上升。高空周日变化的风对E层也有一定影响。随着夜间E层的升高，电波可以被反射到更加远的地方。

E S层也被称为偶现E层。它是小的、强烈电离的云，它可以反射频率在25至225MHz之间的电波。偶现E层可以持续数分钟到数小时不等，其形成原因可能有多种，而且还在研究中。夏季偶现E层出现得比较多，持续时间一般也比冬季长。电波的反射距离一般为1000公里左右。

F层在地面以上150至超过500公里。在这里太阳辐射中的强紫外线（波长10至100纳米）电离单原子氧。F层对于电波传播来说是最重要的层。夜间F 层合并为一个层，白天分为F1和F2两个层。

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≈4.3 0.01R，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，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[3]。

电离层还处于地球磁场之中，其中的电子运动无疑将受到地磁场的约束。因此，电离层的电子浓度不仅有昼夜、季节的变化，而且还随着纬度和太阳活动而变化。

电离层受太阳活动的影响表现为电离层突然骚动和电离层暴，以及发生在极区的极盖吸收事件和极光带吸收事件。它们是因太阳色球层耀斑爆发、太阳局部地区扰动或磁扰而产生的。其中，以电离层突然骚扰最为严重。电离层除了正常分层外，还有各种不均匀结构，这就是在背景电子浓度分布上漂浮着的各种大小电离云块。同样，地磁场也影响着电子云。这些不均匀的电离体时刻都在变化，背景电离层介质可能转化为不均匀体，电离云块也可能逐渐扩散成为均匀的背景电离层介质。

3电离层的应用

电离层被用来反射和传送高频无线电信号。反射后的信号回到地球表面，可以再次被反射到电离层。电波可以使得电离层里的自由电子以同样的频率振荡。若此时自由电子被捕获的话，则电波中的部分能量会消失。假如电离层内自由电子的碰撞频率小于电波频率，且自由电子密度够高，则电波能够有全反射的现象。

当电波频率高于电离层内的等离子频率时，会因电子运动不够快而使得电波