| 词条 | 电离层 |
| 释义 | 电离层（Ionosphere）是地球大气的一个电离区域。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。 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。 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1899年尼古拉·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年12月12日古列尔莫·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可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·威尔克斯和约翰·拉克利夫研究了极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。 1962年加拿大卫星Alouette 1升空，其目的是研究电离层。其成功驱使了1965年Alouette 2卫星的发射和1969年ISIS 1号和1971年ISIS 2号的发射。这些卫星全部是用来研究电离层的。 形成原因 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。 内部分层综述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。 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）。 实际上电离层不像上面所叙述的那样由规则的、平滑的层组成。实际上的电离层由块状的、云一般的、不规则的电离的团或者层组成。 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。 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。 《国际参考电离层》(IRI，1979)给出的电子密度、电子温度和离子温度剖面。 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） 异常综述实际上电离层不像上面所叙述的那样由规则的、平滑的层组成。实际上的电离层由块状的、云一般的、不规则的电离的团或者层组成。 冬季异常夏季由于阳光直射中纬度地区的F2层在白天电离度加高，但是由于季节性气流的影响夏季这里的分子对单原子的比例也增高，造成离子捕获率的增高。这个捕获率的增高甚至强于电离度的增高。因此造成夏季F2层反而比冬季低。这个现象被称为冬季异常。在北半球冬季异常每年都出现，在南半球在太阳活动低的年度里没有冬季异常。 赤道异常朝阳面电离层里的电流在地球磁赤道左右约±20度之间F2层形成一个电离度高的沟，这个现象被称为赤道异常。其形成原因如下：在赤道附近地球磁场几乎水平。由于阳光的加热和潮汐作用电离层下层的等离子上移，穿越地球磁场线。这在E层形成一个电流，它与水平的磁场线的相互作用导致磁赤道附近±20度之间F层的电离度加强。 扰乱X射线：突发电离层骚扰太阳活跃时期强烈的耀斑发生时硬X射线会射击到地球。这些射线可以一直穿透到D层，在这里迅速导致大量自由电子，这些电子吸收高频（3-30MHz）电波，导致无线电中断。与此同时及低频（3-30kHz）会被D层（而不是被E层）反射（一般D层吸收这些信号）。X射线结束后D层电子迅速被捕获，无线电中断很快就会结束，信号恢复。 质子：极冠吸收耀斑同时也释放高能质子。这些质子在耀斑爆发后15分钟至2小时内到达地球。这些质子沿地球磁场线螺旋在磁极附近撞击地球大气层，提高D层和E层的电离。极冠吸收可以持续一小时至数日，平均持续24至36小时。 地磁风暴地磁风暴是地球磁场暂时的、剧烈的骚扰。 地磁风暴时F2层非常不稳定，会分裂甚至完全消失。在极地附近会有极光产生。 测量电离层图电离层图显示使用电离层探测仪测量的电离层层次的高度及其临界频率。电离层探测仪垂直向电离层发送一系列频率（一般从0.1至30MHz）。随频率增高，信号在被反射前可以穿透更高的层。最后频率高到不再被反射。 太阳流太阳流是使用加拿大渥太华的一台射电望远镜测量的太阳辐射在2800MHz频率的强度。测量结果证明这个强度与太阳黑子活动相称。不过导致地球大气上层电离的主要是太阳的紫外线和X射线。目前地球静止业务环境卫星可以测量太阳的X射线流。这个数据与电离层的电离度更加相应。 研究项目科学家使用不同手段研究电离层的结构，包括被动观测电离层产生的光学和无线电信号，研究不同的射电望远镜被反射的信号，以及被反射的信号与原信号之间的差别。 1993年开始的为期20年的高频主动极光研究计划以及类似的项目研究使用高能无线电发射机来改变电离层的特性。这些研究集中于研究电离层等离子体的特性来更好地理解电离层，以及利用它来提高民用和军事的通讯和遥测系统。 超级双子极光雷达网研究高高度和中高度对8至20MHz频率的相干散射。相干散射与晶体的布拉格散射类似，是由电离层密度差异造成的相增衍射散射。这个项目包括全球11个不同国家的多部雷达。 科学家还测量卫星和其它恒星的无线电波经过电离层所产生的变化。位于波多黎各的阿雷西博天文台本来就是打算用来研究地球电离层的。 和电波传播综述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。 和地震预测综述在地震多发区，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。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。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。 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。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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