電離層探測

當電離層短波通信僅限于地面上不同點之間時，只須了解F2層最大電子密度處以下的電離層部分，一般電離層觀測站所用的探測儀也只能探測這一部分；但聯系到與空間進行無線電聯絡時，往往需要對整個電離層進行探測。除用探空火箭和星載儀器外，探測手段有兩種：一是用與地面垂直探測儀同樣的原理，研制成星載的頂部垂直探測儀，從星上向下對電離層的頂部進行探測；二是用大功率超短波雷達，收測由電子密度隨機不均勻結構所產生的散射回波，通過理論計算求得整個電離層的有關參數。

激光大氣傳播

20世紀60年代初激光器問世，從此能人工產生各種頻率和各種能量的相干光光源，研制出了與微波相對應的許多光元器件、激光雷達和激光通信設備。因此，激光束尤其是高能量密度的激光束在大氣中和其它媒質中的傳播受到重視。如激光束的能量密度足夠大，當它經過大氣及其它物體時將產生非線性效應以及加熱和膨脹效應，乃至產生電離和其它化學作用。

電離層9.1電離層圖

電離層圖顯示使用電離層探測儀測量的電離層層次的高度及其臨界頻率。電離層探測儀垂直向電離層發(fā)送一系列頻率（一般從0.1至30MHz）。隨頻率增高，信號在被反射前可以穿透更高的層。最后頻率高到不再被反射。

電離層9.2太陽流

太陽流是使用加拿大渥太華的一臺射電望遠鏡測量的太陽輻射在2800MHz頻率的強度。測量結果證明這個強度與太陽黑子活動相稱。不過導致地球大氣上層電離的主要是太陽的紫外線和X射線。地球靜止業(yè)務環(huán)境衛(wèi)星可以測量太陽的X射線流。這個數據與電離層的電離度更加相應。

電離層9.3研究項目

科學家使用不同手段研究電離層的結構，包括被動觀測電離層產生的光學和無線電信號，研究不同的射電望遠鏡被反射的信號，以及被反射的信號與原信號之間的差別。

1993年開始的為期20年的高頻主動極光研究計劃以及類似的項目研究使用高能無線電發(fā)射機來改變電離層的特性。這些研究集中于研究電離層等離子體的特性來更好地理解電離層，以及利用它來提高民用和軍事的通訊和遙測系統(tǒng)。

超級雙子極光雷達網研究高高度和中高度對8至20MHz頻率的相干散射。相干散射與晶體的布拉格散射類似，是由電離層密度差異造成的相增衍射散射。這個項目包括全球11個不同國家的多部雷達。

科學家還測量衛(wèi)星和其它恒星的無線電波經過電離層所產生的變化。位于波多黎各的阿雷西博天文臺本來就是打算用來研究地球電離層的。

介紹

電離層參量的時間、空間變化特征，主要是電子密度N的時空變化。

地球大氣的電離源主要是太陽。太陽上發(fā)生的各種過程、地球和太陽相對運動、地球磁場等因素都會對電離層產生影響，使其形態(tài)非常復雜，具有晝夜的、季節(jié)的、太陽黑子周的、緯度的和受地磁場制約的多種變化。由于電離層各層的化學結構、熱結構不同，各層的變化情況也不盡相同。

D層形態(tài)　交叉調制法(見低電離層探測)得到的一組白天不同時間 D層電子密度隨高度的變化曲線，它反映了電子密度隨太陽天頂角的變化和對正午的不對稱性。　白天D層電子密度分布的一個最顯著特征是，在中低緯度地區(qū)約80～90公里高度存在很陡的梯度，或稱為“緣”。它的高度受太陽天頂角、季節(jié)、太陽活動性和地磁場的制約。

D層電離有季節(jié)變化。夏季，中緯地區(qū)D層電子密度逐日變化甚小，且極有規(guī)律；但在冬季，逐日有相當大的變化，且比較復雜。冬季的某些天，在80公里左右電子密度的增加，造成中波和短波的異常吸收,這就是D層“冬季異?！?。一般，電子密度正午值夏季高于春秋季，春秋季又高于冬季，只是在“冬季異?！睍r例外。

D層變化同太陽黑子數相關。一般可用電離層吸收的變化近似代表D層電子密度的變化,太陽黑子極大年和極小年的吸收比大約為2:1。在80公里附近,黑子高年電子密度N的平均值顯著大于低年的平均值。此外,當天頂角為常數時，在黑子低年期間,65～85公里夏季N值大于冬季N值,在更高的高度上沒有這種變化。但在黑子高年期間情況正相反，在82～95公里冬季N值大于夏季N值，而在較低的高度上沒有這種變化。

D層電子密度隨緯度而變。由于觀測數據不足(尤其是在中緯地區(qū)),其規(guī)律還不十分清楚。在70～90公里高度范圍內，電子密度有一異常的緯度變化，即在中緯度地區(qū)和磁赤道附近的電子密度數值大約是這兩地區(qū)之間（約在磁傾角±20°處）電子密度數值的一半。D層冬季異常主要發(fā)生在中緯地區(qū)，在低緯未見此種現象。而在高緯地區(qū)，磁暴引起的嚴重吸收較為普遍,加上D層處于漫長的黑暗期，難以判斷是否存在冬季異常。

E層形態(tài)　E層是電離層中最有規(guī)律的一層，其日變化、季節(jié)變化和全球變化受太陽天頂角和太陽活動的控制，但也存在某些異常。

E層最大電子密度NmE對應的臨界頻率f0E，在一級近似下有關系式：

f0E=0.9【(180 1.44R)cosx】1/4，

其中R為太陽黑子數,x為太陽天頂角。這一公式既反映了中緯地區(qū)f0E隨太陽黑子數的變化,又可表達日變化和季節(jié)變化；但在單獨表征日變化時，冪指數將在 0.1～0.4之間變動。

在春分和夏至時,f0E的全球形態(tài)。在緯度變化上,秋分同于春分，而冬至和夏至則恰恰相反,即將夏季圖形繞赤道線轉180°就成冬季圖形?？梢钥闯?無論在什么季節(jié)，f0E近似以正午時刻為對稱點?！層高度也存在著規(guī)律變化。一般在日出后隨著電子密度的增大而逐漸下降，中午時下降到最低高度，此后又逐漸升高，日落時恢復到日出時的高度，但這一高度變化只有數公里。高度的季節(jié)變化主要是由太陽高度的變化引起的，約為5～10公里，最大值在冬季。

Es層形態(tài)　由于它的偶發(fā)性，所以常用統(tǒng)計方法來研究它的變化規(guī)律，即計算其臨界頻率fEs超過某一參考值的時間和頻次，以及在頻高圖上呈現的不同類型Es的發(fā)生率。

Es層在全球具有赤道、中緯和極區(qū)3個地區(qū)特征。赤道區(qū)Es基本上是白天現象，無季節(jié)變化；它的分布寬度為磁傾角±7°，即約400～500公里,并具有最高的fEs值。在中緯地區(qū),fEs的季節(jié)變化是主要的,它基本上屬于夏季現象，在北半球出現于5～9月，在南半球出現于11月至第二年的2月；且fEs的值較小,日變化也不明顯。在極區(qū)，Es層的出現和極光相聯系，并多見于夜間，無季節(jié)變化。Es層出現頻次的日變化和季節(jié)變化至今尚未得到明確的解釋。

Es層高度的變化范圍約為105～125公里。Es層高度的全球表現有 4個特點：①小的日變化，②無季節(jié)變化，③與黑子數無關，④太陽半日變化約為0.5公里。

F1層形態(tài)　像E層一樣緊密地受太陽控制。它在黎明時出現，在正午過后幾分鐘電子密度達到當天的最大值，黃昏時消失。臨界頻率近似由下式描述：

f0F1=(4.3 0.01R)cos(0.2x)，

它反映了F1層電子密度隨時間和地區(qū)的變化規(guī)律。f0F1的晝夜、季節(jié)和緯度變化類似于E層形態(tài)。

F1層最大電子密度所在高度hmF1，在近傍晚時增高，夏季值大于冬季值，低緯值大于高緯值。

F2層形態(tài)　變化最為復雜，在太陽和地磁場的影響下，存在許多“異?！保茈y用簡單的理論來解釋。測定F2層臨界頻率f0F2要比測定F2層最大電子密度出現的高度方便得多,同時f0F2的變化也能提供F2層發(fā)生的一些主要過程的信息，因此F2層的形態(tài)常用f0F2（或NmF2）的變化來描述。

在太陽活動最高和最低(黑子數表示)時分季的NmF2等值線分布，它反映了F2層的時空變化?！‰S著太陽升起，F2層電離加劇(在低緯度尤為明顯)，但很少在正午達到最大值。在地球的某些部分，午前達到最大值；而在另一些部分，午后才達到最大值。夜間的下降常是緩慢的。有時可在夜間觀測到第二個峰值。

在春秋分時節(jié)NmF2對地理赤道的對稱性并不明顯,但可見到較肯定的磁傾角對稱性。

白天f0F2的最大值不在地理赤道上，也不在磁赤道上，而是位于沿磁赤道兩側10°或15°的兩條帶上。于是存在一赤道壓縮，這就是赤道槽。赤道兩側的最大值稱為雙駝峰現象。1947年中國桂質廷、梁百先曾指出這種現象是受地磁控制的。雙峰的幅度隨太陽活動增強而增強；而且隨著高度的增加,雙峰向著磁赤道逼近。衛(wèi)星觀測表明，雙峰在最大電離值高度之上最終會合在一處。　F2層的季節(jié)變化還存在一些現象至今未得到滿意的解釋。一種現象被稱為“十二月異常”,即在地球上50°N和35°S之間的部分地區(qū),在11、12、1月每天正午測到的f0F2具有很大的數值。另一種現象稱為“季節(jié)異常”，即從中緯到高緯，冬季白天的f0F2值不小于對應的夏季值，特別是在太陽活動極大年，冬季值顯著地大于夏季值。在北半球，十二月屬于冬季，于是上述兩種異常疊加起來，使得f0F2的數值比這一年的其他季節(jié)大得多。

f0F2隨太陽黑子活動周期而變化,表示兩個黑子周期內f0F2與黑子相對數R的相關曲線?！U展 F形態(tài)　常用統(tǒng)計方法研究它出現的規(guī)律。擴展 F的出現有季節(jié)、緯度以及隨太陽活動和地磁活動的變化。

擴展 F的最大出現率只在兩個地區(qū)存在：一個是只在夜間才出現的赤道區(qū);一個是極區(qū)。在磁緯20°～40°地區(qū)較少觀測到擴展F。

赤道擴展 F常出現于午夜之前。在低磁緯區(qū),擴展F最大出現率是在21時到01時（地方時），黑子數最高時提早1小時，夏季出現率大于冬季。中緯地區(qū)的擴展F不是一種常有現象，主要發(fā)生在午夜之后。在較高緯度處，擴展 F常出現在冬季午夜和日出之間的時間。近磁極處，冬季的白天和夜間擴展F經常存在；夏季里,它的出現率在晚上仍保持很高頻次，而在正午只有50～60%。赤道擴展F的出現率在黑子低年要大于高年;而在磁緯60°以上地區(qū)，擴展F出現率隨黑子數的增加而上升。

擴展F與地磁活動有以下的關系：赤道區(qū)擴展F出現于磁靜日，并在磁暴開始時消失，這一區(qū)域包括以磁赤道為中心的整個60°緯度帶；在中緯區(qū)擴展 F基本上在磁暴時出現，而在磁緯60°以上的區(qū)域，當有磁暴時就不存在擴展F了。

F2層以上區(qū)域電子生成率和消失率（見電離層的形成）都很小，電離層等離子體的行為完全受輸運過程的控制。人造衛(wèi)星對這一廣大范圍內的電子密度進行了許多探測，基本上得到了其時空分布的平均結果。

參考書目

H. Rishbeth and O.K. Garriott,Introduction toionospherePhysics,Academic Press,New York,1969.2100433B