電離層
電離層（Ionosphere）
地球大氣的一個(gè)電離區(qū)域.60千米以上的整個(gè)地球大氣層都處于部分電離或完全電離的狀態(tài),電離層是部分電離的大氣區(qū)域,完全電離的大氣區(qū)域稱磁層.也有人把整個(gè)電離的大氣稱為電離層,這樣就把磁層看作電離層的一部分.除地球外,金星、火星和木星都有電離層,土星、天王星、海王星和冥王星的電離層結(jié)構(gòu),有待進(jìn)一步探測(cè)研究.
研究簡(jiǎn)史
為解釋地磁場(chǎng)的變化,19世紀(jì)時(shí),C.F.高斯和開(kāi)爾文等提出高空存在導(dǎo)電層的設(shè)想.1924年,Sir E.V.阿普爾頓等通過(guò)對(duì)無(wú)線電波回波的接收,證實(shí)了電離層的存在.R.A.沃森-瓦特于1926年首先提出“電離層 ” 這一名稱.1925年,G.布雷特和M.A.圖夫發(fā)明的電離層垂直探測(cè)儀,是地面探測(cè)電離層的基本設(shè)備,為后來(lái)積累了大量的實(shí)測(cè)資料,為電離層研究起了重要的作用.1949年首次在V-2火箭上安裝朗繆爾探針直接探測(cè)電離層,開(kāi)創(chuàng)了直接探測(cè)的先例.1925 1932年,阿普爾頓和D.R.哈特里等人創(chuàng)立的磁離子理論,為研究電波在電離層中的傳播奠定了理論基礎(chǔ).1931年,S.查普曼提出電離層形成理論,極大地推動(dòng)了電離層的研究.電離層研究極大地促進(jìn)了短波通信的發(fā)展.
電離層的形成
地球高層大氣的分子和原子,在太陽(yáng)紫外線、Χ射線和高能粒子的作用下電離,產(chǎn)生自由電子和(正、負(fù))離子,形成等離子體區(qū)域即電離層.電離層從宏觀上呈現(xiàn)中性.電離層的變化,主要表現(xiàn)為電子密度隨時(shí)間的變化.而電子密度達(dá)到平衡的條件,主要取決于電子生成率和電子消失率.電子生成率是指中性氣體吸收太陽(yáng)輻射能發(fā)生電離,在單位體積內(nèi)每秒鐘所產(chǎn)生的電子數(shù).電子消失率是指當(dāng)不考慮電子的漂移運(yùn)動(dòng)時(shí),單位體積內(nèi)每秒鐘所消失的電子數(shù).帶電粒子通過(guò)碰撞等過(guò)程又產(chǎn)生復(fù)合,使電子和離子的數(shù)目減少；帶電粒子的漂移和其他運(yùn)動(dòng)也可使電子或離子密度發(fā)生變化.
電離層結(jié)構(gòu)
可用電離層特性參量電子密度、離子密度、電子溫度、離子溫度等的空間分布來(lái)表征.但其研究主要是電子密度隨高度的分布.電子密度（或稱電子濃度）是指單位體積的自由電子數(shù).電子密度隨高度的變化與各高度上大氣成分、大氣密度以及太陽(yáng)輻射通量等因素有關(guān).
電離層在垂直方向上呈分層結(jié)構(gòu),一般劃分為D層 、 E 層和F層,F層又分為F1 層和F2層.最大電子密度約為106厘米-3,大約位于300千米高度附近.除正規(guī)層次外,電離層區(qū)域還存在不均勻結(jié)構(gòu),如偶發(fā)E層（Es）和擴(kuò)展F.偶發(fā)E層較常見(jiàn),是出現(xiàn)于E層區(qū)域的不均勻結(jié)構(gòu).厚度從幾百米至一二千米,水平延伸一般為0.10千米,高度大約在110千米處,最大電子密度可達(dá)106厘米-3.擴(kuò)展F是一種出現(xiàn)于F層的不均勻結(jié)構(gòu),在赤道地區(qū),常沿地磁方向延伸,分布于250～1000千米或更高的電離層區(qū)域.
電離層分層結(jié)構(gòu)只是電離層狀態(tài)的理想描述,實(shí)際上電離層總是隨緯度、經(jīng)度呈現(xiàn)復(fù)雜的空間變化,并且具有晝夜、季節(jié)、年、太陽(yáng)黑子周等變化.由于電離層各層的化學(xué)結(jié)構(gòu)、熱結(jié)構(gòu)不同,各層的形態(tài)變化也不盡相同.
電離層騷擾
太陽(yáng)擾動(dòng)以及其他原因?qū)е聦?duì)電離層正常狀態(tài)的顯著偏離.太陽(yáng)擾動(dòng)引起的電離層騷擾主要有電離層突然騷擾、電離層暴、極蓋吸收、極光帶吸收等.人為因素如核爆炸、大功率發(fā)射機(jī)對(duì)電離層加熱也能引起電離層騷擾.電離層騷擾對(duì)無(wú)線電波傳播會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響.①電離層突然騷擾.太陽(yáng)色球在耀斑爆發(fā)期間發(fā)出強(qiáng)烈的紫外線和Χ射線輻射 ,使 D 層的電子密度突然增大 ,對(duì)通訊造成嚴(yán)重影響,甚至中斷.突然騷擾持續(xù)時(shí)間一般為幾分鐘至幾小時(shí).②電離層暴.F2層狀態(tài)的異常變化.③極蓋吸收.在強(qiáng)烈的太陽(yáng)耀斑爆發(fā)時(shí),由太陽(yáng)噴射出來(lái)的高能質(zhì)子流沿地磁力線沉降到極蓋區(qū)上空,使 D 層的電離急劇增大,以至通過(guò)該區(qū)的無(wú)線電波被強(qiáng)烈吸收,常造成無(wú)線電通訊中斷.④ 極光帶吸收.來(lái)自太陽(yáng)擾動(dòng)區(qū)的高能電子和質(zhì)子沉降到極區(qū)上空,使極光帶低電離層的電離增強(qiáng),以至通過(guò)該區(qū)域的電磁波被強(qiáng)烈吸收.極光帶吸收甚至使電波訊號(hào)中斷.
電離層和電波傳播
電離層對(duì)電波傳播的影響與人類活動(dòng)密切相關(guān),如無(wú)線電通訊、廣播、無(wú)線電導(dǎo)航、雷達(dá)定位等.受電離層影響的波段從極低頻(ELF) 直至甚高頻(VHF),但影響最大的是中波和短波段.電離層作為一種傳播介質(zhì)使電波受折射、反射、散射并被吸收而損失部分能量于傳播介質(zhì)中.30兆赫為短波段,它是實(shí)現(xiàn)電離層遠(yuǎn)距離通訊和廣播的最適當(dāng)波段,在正常的電離層狀態(tài)下,它正好對(duì)應(yīng)于最低可用頻率和最高可用頻率之間.但由于多徑效應(yīng),信號(hào)衰落較大；電離層暴和電離層突然騷擾,對(duì)電離層通訊和廣播可能造成嚴(yán)重影響,甚至訊號(hào)中斷.300千赫至3兆赫為中波段