电离层传播

由Jairam Sankar

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电离层是高层大气的一部分,从大约85公里到600公里的高度,包括介质层,热圈和外层,热圈和偏僻的部分,尤其包括太阳辐射。它以大气电力发挥着重要的部分,形成磁层的内边缘。它具有实际重要性,因为在其他功能之外,它会影响到地球上的远处位置的无线电波传播。

在从大约90km的高度延伸到超过数千千克的区域中,大部分大部分分子都是通过来自太阳的辐射电离的。这个区域被称为电离层。

更大的的高度,电离辐射强度很高,可电离的分子很少,电离密度大

作为高度减少,由于大气压力降低,更多的分子可用,电离密度更高(更接近地球)

但随着高度的进一步下降,由于电离辐射的能量已经被用来制造离子,虽然有更多的分子可用,但电离密度降低了。

因此,在地球的不同高度上,电离是不同的,并受到时间和太阳活动的影响

电离层内有三个主要区域:

  • D地区:电离层内的D区是地球表面以上第一个有相当程度的电离足以影响无线电信号的区域。由于存在更高水平的分子,当信号通过时,这个典型的区域会衰减信号——当自由电子振动时,会发生更多的碰撞,从而导致信号衰减。结果发现,低频的衰减比高频的衰减要大——衰减随频率的平方而变化,即频率加倍,衰减程度降低到原来的四倍。这通常意味着低频信号无法到达电离层内较高的电离区,除非在夜间D区消失。
  • E和F地区:一旦信号通过D区域,它们就可以行进到更高的区域。第一个被称为E区域,并且上面是F区域。在这些区域的海拔地区,空气密度较小,当电子兴奋时,碰撞较少,但是信号仍然受到远离更高电子密度区域的自由电子水平的影响。在无线电频谱的HF部分中的信号的情况下,折射足以弯曲信号,使得它们返回地球。实际上似乎该区域“反射”信号。折射水平取决于频率和入射角以及电离层的状态。随着频率的增加,因此折射水平降低,直到达到频率,直到信号通过并达到下一层或甚至进入外部空间。

电离层的昼夜结构

电离层的变化

因为电离层的存在与太阳发射的辐射直接相关,所以地球对太阳的运动或太阳活动的变化将导致电离层的变化。这些变化是两个一般类型:

  • 这些或多或少地在循环中发生的那些,因此可以预先以合理的准确度预先预测,并且可以预测
  • 规则和不规则的变化对无线电波的传播都有重要的影响。

规律的变化

影响电离层中电离程度的规则变化可分为四个主要课程:每日,季节性,11年和27天的变化。

日报:电离层的每日变化是地球绕轴24小时自转的结果。不同层的日变化(图2-14)总结如下:

D层反射VLF波;是远程VLF通信的重要组成部分;折射低频和中频波用于短程通信;吸收高频波;对甚高频及以上频率影响不大;然后在晚上消失。在E层,电离取决于太阳的角度。在白天,E层将高达20兆赫兹的高频波折射到1200英里的距离。夜间电离作用大大减弱。F区的结构和密度取决于一天中的时间和太阳的角度。 This region consists of one layer during the night and splits into two layers during daylight hours.

  • 其主要作用是吸收通过F2层的高频波。
  • F2层是长距离HF最重要的层

它是一个非常多变的层,它的高度和密度随时间、季节和太阳黑子活动而变化。

季节:季节变化是地球围绕太阳旋转的结果;太阳的相对位置随着季节的变化从一个半球移到另一个半球。D、E和F1层的季节变化与太阳的最高角度相对应;因此,这些层的电离密度在夏季最大。然而,F2层并不遵循这一模式;它的电离在冬季最大,在夏季最小,这可能与预期相反。因此,F2层传播的工作频率冬季高于夏季。

太阳黑子周期:太阳表面上最值得注意的现象之一是被称为太阳黑子的黑暗,不规则形状的区域的外观和消失。太阳黑子的确切性质尚不清楚,但科学家认为它们是由于太阳的猛烈爆发而引起的,并且具有异常强的磁场。这些太阳黑子负责电离层的电离水平的变化。当然,太阳黑子可能出现意外,而个别太阳黑子的寿命是可变的;然而,也已经观察到常规的太阳黑子活动周期。此循环的最小和最大水平的太阳黑子活动均为大约每11年发生。

在太阳黑子活动最活跃的时期,各层的电离密度都增加了。因此,D层的吸收增加,E、F1和F2层的临界频率更高。在这些时候,长距离通信必须使用更高的工作频率。

27天太阳黑子循环:太阳黑子的数量在任何时候都是不断变化的,因为一些黑子消失了,新的黑子出现了。由于太阳绕着自己的轴旋转,这些太阳黑子以27天的间隔可见,这大约是太阳完成一次旋转所需的时间。

27天的太阳黑子周期导致了各层电离密度的逐日变化。F2层的波动比其他任何层都大。因此,每天精确预测F2层的临界频率是不可能的。在计算远距离通信的频率时,必须考虑到F2层的波动。

不规则变化

电离层条件的不规则变化对无线电波的传播也有重要影响。由于这些变化是不规则和不可预测的,它们可以在没有任何预警的情况下极大地影响通信能力。

更常见的不规则变化是散发性E,突然的电离层干扰和电离层风暴。

零星e:不规则的云状异常高电离斑块,称为零星E,通常在正常E层附近的高度形成。造成这种现象的确切原因尚不清楚,也无法预测其发生。众所周知,它随着纬度的变化而显著变化,在北纬地区,它似乎与北极光或北极光密切相关。

在旋转型e如此薄的是,无线电波容易渗透并通过上层返回地球。在其他时代,它延伸到几百英里,并且是大量的电离。

这些特征可以是有害的或有助于无线电波传播。例如,零星e可以破坏使用更高,更有利的电离层层或在一些频率下引起无线电波的额外吸收。此外,它可能导致额外的多径问题并延迟RF能量光线的到达时间。

另一方面,散发E的临界频率非常高,可大于正常电离层临界频率的两倍。这种情况可能允许信号以异常高的频率远距离传输。它也可以允许短距离通信的位置,通常是在跳过区。

零星e可以在白天或黑夜在短时间内形成和消失。然而,它通常不会在所有发送或接收站同时发生。

突然电离层扰动(SID):电离层异常中最令人吃惊的是电离层突发性扰动(SID)。这些干扰可能在没有警告的情况下发生,并可能持续几分钟到几小时的任何时间。当发生SID时,高频无线电波的远距离传播几乎完全被“屏蔽”。直接的影响是,使用正常频率收听的无线电操作员倾向于相信他们的接收器已经失灵。

当SID发生时,对太阳的检查揭示了一次明亮的太阳喷发。全部或部分位于地球向阳面的所有观测站都受到影响。太阳爆发产生了异常强烈的紫外线,F2、F1和E层没有吸收紫外线,反而导致D层电离密度突然异常增加。因此,1或2兆赫以上的频率无法穿透D层,通常被D层完全吸收。

电离层暴风雨:电离层风暴是地球磁场中的干扰。它们以不完全理解的方式与太阳爆发和27天间隔相关联,因此对应于太阳的旋转。

科学家认为电离层风暴是由太阳的粒子辐射引起的。太阳喷发所辐射出的粒子的速度比太阳喷发所产生的紫外光的速度要慢。这将解释sid和电离层风暴之间18个小时左右的时间差。与太阳黑子活动有关的电离层风暴可能在活跃的太阳黑子穿过太阳中央子午线前2天开始,直到经过中央子午线后4天结束。然而,有时活跃的太阳黑子穿过太阳的中心区域,却没有发生任何电离层风暴。相反,当太阳上没有可见的黑点,也没有之前的SID时,就会发生电离层风暴。正如你所看到的,电离层风暴、sid和太阳黑子活动之间可能存在某种关联,但没有硬性规则。电离层风暴可以在没有预警的情况下突然发生。

电离层风暴最突出的影响是一种湍流的电离层和非常不稳定的天空波传播。临界频率低于正常,特别是对于F2层。电离层暴风雨首先影响更高的F2层,降低其离子密度。除非扰动很大,否则下层不会显着影响暴风雨。电离层暴风雨的实际效果是可以用于给定电路的通信的频率范围远小于正常,并且仅在较低的工作频率下进行通信。


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