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电离层及特性

归档日期:07-01       文本归类:非电离层      文章编辑:爱尚语录

  短波通信主要是利用天波传播来实现长距离通信的。所谓天波是无线电波经电离层反射回地面的部分,倾斜投射的电磁波经电离层反射后,可以传到几千千米外的地面。电离层成为短波通信的不可缺少的重要的组成部分。

  从地面到1000km的高空均有各种气体存在,这一区域成为大气层,在接近地面的空间里,由于对流作用,成分基本稳定,是各种气体的混合体。在离地面60km~80km以上的高空,对流作用很小,不同成分的气体不再混合在一起,按重量的不同分成若干层,而且就每一层而言,由于重力作用,分子或原子的密度是上疏下密。大气层在太阳辐射能的作用下,分子或原子中的一个或若干个电子游离出来成为自由电子而发生电离,使高空形成了一个厚度为几百km的电离现象显著的区域,称这个区域为电离层。

  电离层电子密度呈不均匀分布,按照电子密度随高度变化的情况,可把它们依次分为D层、E层、Fl层和F2层,如图1-2所示。F2层的电子密度最大,F1层次之,D层电子密度最小。就每层而言,电子密度也不是均匀的,而是在每层中的适当高度上出现最大值Nmax。其电离层的分布情况及相关数据(包括高度、浓度、成分及成因等)详见下表1-2。

  这些导电层对短波传播具有重要的影响,下表2做了详尽的说明,包括其昼夜变化情况及其对短波传播带来的影响。

  在白天,电离层包括D层、E层、Fl层和F2层。也就是说在白天F层有两层,它们的高度在不同季节和一天内不同时刻是不一样的。对F2层来讲,其高度在冬季的白天最低,而在夏天的白天最高。F2层和其他层不同,在日落以后并没有完全消失,仍保持有剩余的电离。其原因可能是在夜间由于F2层的低电子密度,复合的速度减慢,以及粒子辐射仍然存在。虽然夜间F2层的电子密度较白天降低了一个数量级,但仍足以反射短波某一频段的电波。当然夜间能反射的频率远低于白天。由此可以粗略看出,若要保持昼夜短波通信,则其工作频率必须昼夜更换,而且一般情况下夜间工作频率远低于白天工作频率。这是因为高的频率能穿过低电子密度的电离层,只在高电子密度的导电层反射。所以若昼夜不改变工作频率(例如夜间仍使用白天的频率),其结果,有可能是电波穿出电离层,造成通信中断。

  电离层的规则变化包括:日夜变化、季节变化、11年周期变化和随地理位置变化。

  1)日夜变化:由于日夜太阳的照射不同,故白天电子密度比夜间大;中午的电子密度又比早晚大,D层在日落之后很快消失,而E层和F层的电子密度减少。到了日出之后,各层的电子密度开始增长,到正午时达到最大值,以后又开始减少。F1层夜晚与F2合并,F2层变化复杂,一月份不同纬度处F2层24小时电子浓度的高度如图3-1-1-1所示。图3-1-1-2给出了F2层反射时最高可用频率与通信距离和时间关系。

  2)季节变化:由于在不同季节,太阳的照射不同,故一般夏季的电子密度大于冬季,但是凡层例外,F2层冬天的电子密度反而比夏季大,其原因至今还不清楚,可能是由于F2层的大气在夏季变热向高空膨胀,结果反而使电子密度减少。

  3)11年周期变化:太阳活动性一般用太阳一年的平均黑子数来代表,黑子数目增加时,太阳所辐射的能量增强,因而各层电子密度增大。黑子的数目每年都在变化,但是根据长期观测证明,它的变化也是有一定规律的,太阳黑子的变化周期大约为11年,因此电离层的电子密度也与这11年变化周期有关。

  4)随地理位置变化:电离层的特性随地理位置不同也是有变化的。这是因为,不同地点的上空受太阳的辐射不一样,赤道附近太阳照射强,南北极弱,因此赤道附近电子密度大,南北极最小。

  在电离层中除了上述几种规则变化外,有时还发生一些电离状态随机的、非周期的、突发的急剧变化,称这些变化为不规则变化。它主要包括:偶发E层(或称Es层)、电离层暴、电离层突然骚扰等,其概念详见下表3-2。出现不规则变化时,往往造成通信中断。

  1)偶发E层:在中纬度地区,Es层夏季出现较多,白天和晚上出现的概率相差不大。从全球来着,远东地区Es层出现概率较大,我国上空Es层强而且多,特别是在夏季出现频繁。Es层对电波有时呈半透明性质,即入射电波部分能量遭反射,部分能量穿过Es层。有时入射电波受到Es层的全反射而到达不了Es层以上的区域,形成所谓“遮蔽”现象。

  2)电离层暴:电离层暴在F2区表现最为明显。出现电离层暴时常使F2层的临界频率大大降低,因此就可能使原来使用的较高频率的电波,穿透F2层而不返回地面,造成通信中断。电离层暴的持续时间可从几小时到几天之久。当太阳出现耀斑时,喷射出大量微粒流,也常常引起地磁场的很大扰动,即产生磁暴。由于磁暴经常伴随着电离层暴,且又比电离层暴出现早,所以目前它是电离层暴预报的重要依据之一。此外,发生磁暴时,由于地磁场的急剧变化,会在大地中产生感应电流,这种地电流会在一些通信电路中引起严重干扰。

  3)电离层突然骚扰。电离层突然骚扰的持续时间由几分钟到几小时之久。因为这种现象是在太阳发生耀斑时产生的强辐射所致,所以只发生在地球上的太阳照射区。电离层突然骚扰,对不同频段的无线电波分别引起不同的异常现象。由于D区的电子密度大大增强,使通过D区在上面反射的短波信号遭到强烈吸收,甚至使通信中断,这种现象称为“短波消逝”。此外,D区的高度也有明显的下降(有时下降可达15km),因而使D区反射的长波和超长波信号的相位发生突然变化,这种现象称为“相位突然异常”,利用这一现象可以得知太阳耀斑的发生。

  电离层不仅有反射电波的作用,还有吸收电波能量的作用。电子密度N愈大,电离层对电波能量的吸收就愈大,即电波衰耗就愈大。电波频率愈低(波长越长),吸收越大。电离层对电波的吸收大小除了与上述两个因素有关外,还与电波在电离层中所走的路程有关,因为在电离层中传播的距离远,势必造成较大的吸收。

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