空间物理学基础4-1

3. 20年代中叶，Appleton和Tuve等先后用垂直投射的电波 脉冲接收到电离层回波，可以说这是首次成功的电离层探 测。
4. 40年代末期发射了第一批高空探测火箭，随后是一系列 的火箭和卫星对电离层、热层环境的直接测量，或通过电 波传播及卫星大气阻力进行间接测量；地面则开展了高频 波段大功率的相干散射或非相干散射雷达的研究，并通过 大功率电波及人工释放钡云、电子束手段等开展主动实验。
多种传播模式
可用频率范围如果频率接近ALF，则可能在D区遇 到吸收；如果频率高于EMUF,则传播穿过F层。
仰角固定，频率增加
频率固定，仰角增加
影响电磁波在电离层传播的因素
电离层不均匀结构：
电离层扰动：
突发电离层骚扰
电离层暴
极盖吸收事件
电离层日变化
电离层闪烁
由于电离层存在不 规则性结构，当电 磁波通过时，使信 号的幅度和相位发 生变化，称为电离 层闪烁。
重要性
电离层探测
间接探测/地面探测
雷达
电离层测高仪
直接探测
卫星探测 火箭探测
增加→强烈吸收极盖区的短波信号。
短波吸收在甚低频端最严重
电离层暴
电离层暴的影响
电离层暴的影响
极盖吸收事件
极盖吸收事件效应
电离层的日、夜变化
不均匀结构和扰动对电磁传播的效应
信号相位变化，导致导航误差
最高和最低可用频率变化
影响微波遥感
信号被吸收，通讯中断
数字通讯误码
时间同步问题
右，主要电离源F1（160~180）30.4nm的太阳
紫外辐射，F2太阳远紫外辐射。
电 离 层 各 层
各电离层高度上的离子分布
电离层水平结构
电离层不规则性
除了分层结构外，还 存在各种空间尺度的 高密度“斑”和低密 度“泡”，统称为不 规则性，或不均匀结 构； 最显著的两个不规则 结构是散见E层和扩 展F层。
扩展F层 (Spread-F)
F区的不均匀结构，尺度范围从几
厘米到几百公里。
电子数密度较其背景低2个数量级。
散见E层 (Sporadic E)
在90~120km高度 经常出现的不均匀 结构，厚度约3~5 km，水平尺度约 几十至上百公里， 宽度只有0.6~2km。 电子数密度较其背 景大10倍。
各种无线电波的传播
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电磁波在电离层中的传播原理
传播形式：反射或多次反射；
最大可用频率（MUF):在通讯距离给定情况
下，地面短波通讯所能使用的最大频率。 吸收限制的频率（ALF):可用频带的最低限 制，低于此频率，电磁波将被D层吸收。
传播原理
典型的短波传播路径
简单传播模式
天线仰角为4°，E、F层的高度分别是 100 km 和 300 km，则跳跃长度分别为1800km和3200km
定义：依靠电离层的反射来传播的无线电波。 原理：反射或多次反射。 优点：对短波吸收少，最适宜短波传播。 缺点：对长波吸收强，稳定性差，夜间中波、中短
波信号好。
视距传播
定义：依靠发射天线与接收天线之间的直视的传播方 式。空间波属于此种传播方式。
原理：近似直线传播。
优点：适宜不能被电离层反射的超短波和微波传播 缺点：传播距离近，易受高山和高大建筑阻挡，为了 加大传输距离，必须架高天线。
当散见E层出现时可能的路径
电离层扰动
突发电离层骚扰：太阳耀斑→紫外和X射线突增 →向阳面电离层电离增强 →短波和中波无线电信 号衰落甚至完全中断； 电离层暴：地磁场发生全球性变化时，电离层状 态发生的急剧变化称为电离层暴。正常形态打乱， 使得通信适用频率的选择困难。 极盖吸收事件：太阳耀斑→高能质子沿磁力线沉 降极盖区上层大气→50~90km电子数密度大大
电离层主要物理过程
主要物理过程
光化学
热力学
动力学
电磁学
电 离
复 合
辐 射 吸 收
焦 耳 加 热
环 流
潮 汐
漂 移
电 流
光化学过程-电离层的形成
中性大气 碰撞
吸收光子 碰撞
电离
电离层 碰撞+电磁
复合
离子碰撞
磁层 电磁
电磁波在电离层中的传播
电磁波在电离层中的传播
无线电波频段的划分
传播途径：地波、天波和视距传播
地波（ground wave)
定义：沿地球表面附近的空间传播的无线电波。 原理：根据波的衍射特性，绕过障碍物。长波、中 波和中短波易于传播，短波和微波难于传播。 优点：稳定性高，不受昼夜影响。
缺点：传播过程中能量损失，且频率越高损失越大。
因此，中短波传播距离不大。长波成本高。
天波（sky wave)
电离层定义
地球大气被电离的部分称为电离层；
高度范围：60~1000km；
主要电离源：太阳的极紫外线、软X射线和
带电粒子。
电离层电子数密度变化
电离层垂直分层
D层：电离层的最低层，60~90km。主要电离 源是太阳的拉曼辐射和软射线辐射。夜间D 层基本消失。 E层： 90~160km，电子密度峰值在110 km附近， 主要电离源是太阳紫外线和软射线。 F层： 160km以上，电子密度峰值在300 km左
第四章 电离层
第一节 电离层概述
第二节 主要物理过程 第三节 电磁波在电离层中的传播 第四节 对电波传播的影响因素 第五节 电离层探测
电离层概述
研究历史
1. 19世纪80年代，为解释地磁观测中规则的日变化，预测 高空中可能存在一个电流体系。 2. 20世纪初，短波越洋传播试验成功，人们再次提出高空 中存在一个导电的且能反射电波的层结。