| 词条 | 电离层 |
| 释义 | 电离层电离层从离地面约60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。 § 简介 电离层（Ionosphere）是地球大气的一个电离区域。由于受地球以外射线（主要是太阳辐射）对中性原子和空气分子的电离作用，距地表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。除地球外，金星、火星和木星都有电离层。电离层与磁层 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。 电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等空间分布的基本参数来表示。但电离层的研究对象主要是电子密度随高度的分布。电子密度（或称电子浓度）是指单位体积的自由电子数，随高度的变化与各高度上大气成分、大气密度以及太阳辐射通量等因素有关。电离层内任一点上的电子密度，决定于上述自由电子的产生、消失和迁移三种效应。在不同区域，三者的相对作用和各自的具体作用方式也大有差异。 电离层的发现，不仅使人们对无线电波传播的各种机制有了更深入的认识，并且对地球大气层的结构及形成机制有了更清晰的了解。 § 研究简史 阿普顿对电离层的研究 19世纪时，为解释地磁场的变化，C.F.高斯和开尔文等提出高空存在导电层的设想。 1896年，意大利青年马可尼发明了无线电。1901年，跨越大西洋的无线电通信开通了。人们在猜想，无线电波是如何绕地球弯曲的表面传播的？许多科学家认为在高空可能存在一个导电的电离层，它使无线电波在地面和电离层之间多次被反射，沿大地曲率传播。但科学家们多年未能找到这个高空电离层。1902年，O.亥维赛和A.E.肯内利为了解释无线电信号跨越大西洋传播这一实验事实，提出了高空存在能反射无线电波的“导电层”的假设，当时称为肯内利-亥维赛层。 1924年，阿普顿，E.V.和M.A.F.巴尼特等通过天波干涉法对无线电波回波的接收，证实了电离层的存在。 1924年12月11日，英国物理学家阿普尔顿（E.V.Appleton，1892-1965）利用新英国广播公司设在波内茅斯的发射台以恒定的速率发射周期性变频信号，在牛津接收站接收到的信号显示距地面90千米处存在一个反射层。据此，证实了电离层的存在。后来，阿普尔顿又发现：根据自由电子、离子的不同浓度及对电磁波反射的不同效果，电离层在垂直方向上呈分层结构。 1925年，G.布雷特和M.A.图夫发明的电离层垂直探测仪，是地面探测电离层的基本设备，为后来积累了大量的实测资料。他们用这部雏型雷达测量了无线电脉冲从电离层垂直反射的时间，验证了上述结论，为电离层研究起了重要的作用。 1926年，沃森-瓦特，R.A.首先提出“电离层”这一名称。 1949年，首次在V-2火箭上安装朗缪尔探针直接探测电离层，开创了直接探测的先例。 随着对电离层及其对电波传播影响的深入了解，1925～1932年，阿普尔顿和D.R.哈特里等人创立了磁离子理论，提出电磁波在电离层中传播的色散公式（阿普顿－哈特里公式），为解决预报天波传播最佳频率等应用问题、为研究电波在电离层中的传播奠定了理论基础。 1931年，S.查普曼提出电离层形成理论的简单（查普曼层理论），极大地推动了电离层的研究。电离层研究极大地促进了短波通信的发展。 § 形成 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。 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。带电粒子通过碰撞等过程又产生复合，使电子和离子的数目减少；带电粒子的漂移和其他运动也可使电子或离子密度发生变化。 § 形态 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、季节和太阳活动周期）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，电子迁移作用较小，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；在地球磁极，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NmD和相应高度hmD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。太阳活动最高年的吸收几乎是最低年的两倍。一年之中，NmD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。夜间，电离基本消失。 E层 离地面约90～130公里。白天，峰值密度NmE及其相应高度hmE的典型值分别为10厘米和115公里。NmE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个月内太阳黑子数流动平均值。夜间，NmE下降，hmE上升；NmE≈5×10厘米，hmE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。 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NmF2及其相应高度hmF2的典型值分别为10厘米；夜间，NmF2一般仍达5×10厘米。在任何季节，NmF2的正午值都与太阳活动性正相关。hmF2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NmF2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。 峰上固定高度的电子密度和电离层电子总含量的时间变化，与NmF2有类似之处。图2为电离层各层的峰值密度Nm和相应高度hm在中纬度地区的平均昼夜变化。 除上述各均匀厚层外，电离层还存在着两种较常见的不均匀结构：Es层即偶发E层（见Es层电波传播）和扩展F层（见电离层不均匀体）。 § 结构 太阳辐射使部分中性分子和原子电离为自由电子和正离子，它在大气中穿透越深，强度（产生电离的能力）越趋减弱，而大气密度逐渐增加，于是，在某一高度上出现电离的极大值。大气不同成分，如分子氧、原子氧和分子氮等，在空间的分布是不均匀的。它们为不同波段的辐射所电离，形成各自的极值区，从而导致电离层的层状结构。电离层在垂直方向上呈分层结构，一般划分为D层、E层和F层，F层又分为F1层和F2层。最大电子密度约为10厘米，大约位于300千米高度附近。除正规层次外，电离层区域还存在不均匀结构，如偶发E层（Es）和扩展F。偶发E层较常见，是出现于E层区域的不均匀结构。厚度从几百米至一二千米，水平延伸一般为0.1～10千米，高度大约在110千米处，最大电子密度可达10厘米。扩展F是一种出现于F层的不均匀结构，在赤道地区，常沿地磁方向延伸，分布于250～1000千米或更高的电离层区域。 电离层分层结构只是电离层状态的理想描述，实际上电离层总是随纬度、经度呈现复杂的空间变化，并且具有昼夜、季节、年、太阳黑子周等变化。由于电离层各层的化学结构、热结构不同，各层的形态变化也不尽相同。 § 模式 电离层模式是电离层诸参量随高度变化的数学描述。这种变化与地理位置、季节、地方时，以及太阳和地磁活动性有关。复杂的电离层形态给实际应用带来极大困难，因此，人们在大量实测数据的基础上，用较简单的数学模式描述电离层形态和结构，以便在无线电通信和宇宙航行等工程设计中应用。研究最多的是对无线电波传播有直接影响的电子密度模式。 ①查普曼模式 ②线性模式 ③抛物模式 ④抛物平方模式： ⑤双曲正割平方模式 ⑥指数模式 式中N(h)为离地面高度h处的电子密度；h0为起算高度；α为常数；ɑ为层的半厚度。这些模式只能描述电离层电子密度剖面的某一部分。为了完整地描述剖面，须在不同部分采用不同的数学表达式。 对F层峰值以下的电子密度剖面，可按照不同的实际应用，采用不同的组合模式。国际无线电咨询委员会推荐用于短波场强计算的布雷德利－杜德奈模式，是抛物模式(F2层)-线性模式（F1层）-抛物模式（E层）的组合模式。模式参数可以从电离层观测站所得到的特性参数推算出来。一般情况下，所得的电子密度分布与实际分布的高度差别小于20公里。其他的模式还有：余弦模式（F2层）-正割模式（E-F层）-抛物模式（E层）的组合模式，可用于精度要求较高的射线追踪计算；抛物模式（F2）层与多项式组合模式，便于从电离层垂测仪的频率-高度图计算F2层的峰值高度、峰处标高和等效峰下平板厚度。 包括F层峰值区域在内的电子密度剖面中，较典型的有本特模式和宾夕法尼亚州1号电离层模式。本特模式的高度范围约从150公里到2000公里。峰值高度以下为抛物平方模式，峰值高度以上为抛物模式；更高的高度上为三个相接的指数模式。本特模式忽略剖面（特别是F部区域）的细节，着眼于精确地表达电离层电子含量。它适用于计算无线电波由于折射所造成的时延和方向的变化。宾夕法尼亚州1号电离层模式（120～1250公里）是在一个经验所得的高度范围内，模拟电离层的物理化学过程，通过调节电离反应速度和垂直电子流计算电子密度。这一模式主要用于研究输运过程和风的衰减等理论问题。 国际无线电科学联盟和美国空间研究委员会根据电离层的实测资料编制成《国际参考电离层》，它是一套专门的计算机程序，输入数据为地理经度和纬度、月份、本地时间、太阳黑子数。输出数据为电离层诸参量的垂直分布。图3为输出剖面示例。 由于来自外空，太阳和地球大气本身的各种扰动源的激发，电离层还会产生相应的扰动变化和不规则结构，表现各种不同的形态（见电离层扰动、电离层不均匀体、电离层调变）[1][2]。 § 扰动 电离层扰动（ionospheric disturbance）电离层结构偏离其常规形态的急剧变化，又称电离层骚扰。像太阳耀斑、地磁暴等电离源的突变、非平衡态动力学过程、不稳定的磁流动力过程和某些人为因素包括台风、地震和核爆炸等等，都可引起电离层扰动。它常严重影响电离层中无线电波传播。 电离层电子浓度总含量(TEC)又称电离层电子浓度柱含量、积分含量等，是单位面积内电离层电子浓度沿垂直高度的积分总含量，代表着在垂直方向上电离层电子的总数目。1个TEC单位的变化，对应的单频GPS定位误差为16cm。TEC随时间和空间的变化非常明显。在电离层暴期间，TEC会急剧变化，可对导航、定位、通讯等系统造成严重影响。 电离层突然骚扰 一种来势很猛但持续时间不长（一般为几分钟至几小时）的扰动，它仅发生在日照面电离层的D层。这种扰动由太阳耀斑引起，耀斑区发出的强烈远紫外辐射和X射线，大约8分钟后到达地球，使地球向阳面电离层特别是D层中的电子密度突然增大。这种现象称为电离层突然骚扰。当发生这种骚扰时，从甚低频到甚高频的电波传播状态均有急剧变化。例如，由于D层电子密度增大，经过D层传播的高频无线电波突然受到强烈吸收，常出现短波通信中断，称为短波消失现象。来自天外的宇宙噪声，由于D层吸收突然增加而强度突然减弱，称为宇宙噪声突然吸收。但从D层反射的长波和超长波信号突然变强，相位也发生突变，称为突然相位异常现象；而接收远处雷电产生的“天电干扰”的强度也明显增强，称为天电突增。甚高频低电离层散射传播信号也将增强。此外，耀斑期间，E层和F层底部的电子密度也突然增加，可引起短波频率突然偏离现象。 电离层暴 持续时间为几小时至近10天的常与磁暴相伴的强烈电离层扰动。太阳局部扰动除爆发出大量电磁辐射外，有时还辐射出大量带电粒子流。粒子流到达地球一般要1～2天左右，它们与磁层和高层大气相互作用，可使正常电离层（特别是F层）状态遭到破坏，称为F层骚扰。这种骚扰有负相（临界频率下降）、正相（临界频率上升）和双相（临界频率有升有降）骚扰之分。骚扰时临界频率变化一般大于30％。太阳质子事件或磁层亚暴期间，极区电离层电离激增，会引起急始吸收、极光带吸收、极盖吸收和长波相位异常等现象。极光带吸收是来自太阳扰动区的低能粒子流进入极区上空，使极光带或者比它略宽的环带（宽约6°～15°）内低电离层电离增加而引起碰撞增加，高频电波被强烈吸收。这时常伴随出现地磁场扰动和极光现象，在太阳活动峰年过后的两三年内它的出现最为频繁。极盖吸收是太阳扰动或磁层亚暴时所产生的高能粒子沿地球磁力线沉降在极区高层大气中，使磁纬64°以上的极盖地区上空电离层D层的电离强烈增大，致使高频电波被强烈吸收而中断。它通常在形成太阳质子耀斑后几十分钟到几十小时以后才发生，这时不一定出现地磁场扰动和极光现象。持续时间通常为1～3天，最长可达10天之久，在太阳活动峰年频繁发生。在磁层亚暴主相期间，与粒子沉降相伴的强电场和电急流，使极区电离层发生极复杂的热力学扰动、电磁场扰动和磁流动力扰动，并能波及到全球电离层。这种电离层暴的全球形态尚不十分清楚。由于电离层暴对电波传播有严重的影响，不少国家都建立有电离层骚扰预报业务。 电离层行扰 暴时极区激发的、向赤道方向以600～700米/秒的速度水平传播的大气重力波扰动。周期为半小时至几小时，东西向水平尺度可达几千公里，传播上千公里后波形变化不大。它可发生使F2层偏离正常值20％～30％的扰动，严重改变无线电波的传播环境。此外，火山喷发、地震、台风和雷暴可激发中尺度大气重力波扰动；地面核试验激发的重力波可影响几千公里外的电离层；高空核实验的各种电离辐射，更能显著地破坏电离层；大功率短波雷达加热等人工手段和空间飞行的释放物，也能引起电离层扰动。这些自然因素和人为因素激发的电离层扰动，都是外空环境监测的主要对象。 § 和电波传播 电离层对电波传播的影响与人类活动密切相关，如无线电通讯、广播、无线电导航、雷达定位等。受电离层影响的波段从极低频（ELF）直至甚高频（VHF），但影响最大的是中波和短波段。电离层作为一种传播介质使电波受折射、反射、散射并被吸收而损失部分能量于传播介质中。3～30兆赫为短波段，它是实现电离层远距离通讯和广播的最适当波段，在正常的电离层状态下，它正好对应于最低可用频率和最高可用频率之间。但由于多径效应，信号衰落较大；电离层暴和电离层突然骚扰，对电离层通讯和广播可能造成严重影响，甚至讯号中断。300千赫至3兆赫为中波段，广泛用于近距离通讯和广播。 无线电的诞生 百年前，三声短促而且微弱的讯号，向世界宣布了无线电的诞生。一九〇一年，扎营守候在讯号山(Signal Hill 位于加拿大东南角)的意大利科学家马可尼，终于接收到了从英格兰发出的跨过大西洋的无线电讯号，这个实验向世人证明了无线电再也不是仅限于实验室的新奇东西，而是一种实用的通讯媒介。此后短波用作全球性的国际通讯媒介便开始发达起来了。 § 和地震预测 在地震多发区，其上空的电离层常常异常，这是由俄罗斯及日本的学者组成的研究小组通过多年对电离层电子浓度的观测发现，最近得出的结论，它将对人类研究地震形成及地震前期预报提供帮助。他们分析了由原苏联发射的一颗卫星在五年半时间内对电离层观测得到的相关数据和全球各地的地震发生记录，并进行了比较[3]。电离层扰动，就像一盆水放在地面上，即使没有风吹，自己内部有泡泡也会导致水面不平静，因此，跟踪大气电离层电子浓度的变化可预测地震的发生，能够最大限度地减少地震带来的人员伤亡和财产损失。比较公认的地震影响电离层的理论有两种：一是地震区产生的内重力波对电离层的影响，二是地震区的异常垂直电场进入电离层从而引起电离层扰动。 研究发现 参与共同研究工作的是日本宇宙开发事业团及俄罗斯科学院航空宇宙监测科学中心通过多年研究发现，地震前震中上空大气电离层电子浓度发生着急剧改变。过去曾有科学家指出地震与电离层变化之间有联系，也有在地震发生的前后观测到地磁波的存在和电离层的变化等相关记录，但在关于“地面上的电磁波是不是会对电离层产生影响”这一问题，人们普遍存在怀疑。此次，科学家们将一九七七至一九七九年的记录数据进行分析，发现包括日本在内的太平洋西部地震多发区，在这段时间内共发生了一百五十次以上的里氏五级以上大地震，而这些地区的上空电离层的电子密度也远远高于平常密度。而那些很少发生地震的地区，电离层的电子相对较低。 监测方法 电离层中电子浓度的变化比较复杂，参与研究工作的日本专家儿玉哲哉指出，假如增加观测电离层的卫星数量，那么准确预报地震将不会再是一句空话。但借助于美国的GPS和俄罗斯的“格洛纳斯”全球卫星系统就可以监测电离层状态的变化[4]。该方法对预测短期地震很有价值，条件是大气电离层电子浓度的变化应该是周期性测量得到的。为了周期性的观测大气电离层的状态，俄研究人员使用了无线电信号，卫星释放出的双频无线电信号可以被地面站接收到。在卫星定位系统双频信号的基础上，科研人员研制出了计算信号参数变化的算法，并编制了计算机程序。 2009年3月，国内首个根据大气电离层变化来监测地震的探测试验站在聊城地震水化试验站建成[5]。 得到验证 研究人员指出，跟踪大气电离层电子浓度变化预测地震的这种方法在2004年9月16日至22日发生在俄罗斯加里宁格勒的地震事件中得到了验证。这次地震是在同一地方以2.5小时为间隔发生的，地面卫星信号接收站距离震中在260千米到320千米之间。观测数据表明，震前的3至5个昼夜的时间内电离层电子浓度在增长，而在震前2个昼夜的时间内电子浓度的最大值大大下降了，电离层电子浓度急剧下降只发生在震中附近，位于震中1100千米的地面设备记录的信号没有任何改变。因此，可以认为，电离层电子浓度的急剧下降是由于地震效应引起的，电离层的这种状态就是要发生地震的征兆[6]。以往的研究结果显示，对于5级以上的地震，在地震附近地区一般会出现电离层扰动，概率约为74.1%。 汶川地震震前异常 从2008年5月5日到15日，汶川以东至日本冲绳、南至海南南部地区的电离层出现明显扰动，电离层TEC出现了明显增加，而平时，这样的增加很少能看到。5月9日的扰动，则是“往水中扔了一块石头”，后来发生大地震的所在地附近出现了大范围的电离层参数异常增加。 |
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