电离层探测

当电离层短波通信仅限于地面上不同点之间时，只须了解F2层最大电子密度处以下的电离层部分，一般电离层观测站所用的探测仪也只能探测这一部分；但联系到与空间进行无线电联络时，往往需要对整个电离层进行探测。除用探空火箭和星载仪器外，探测手段有两种：一是用与地面垂直探测仪同样的原理，研制成星载的顶部垂直探测仪，从星上向下对电离层的顶部进行探测；二是用大功率超短波雷达，收测由电子密度随机不均匀结构所产生的散射回波，通过理论计算求得整个电离层的有关参数。

激光大气传播

20世纪60年代初激光器问世，从此能人工产生各种频率和各种能量的相干光光源，研制出了与微波相对应的许多光元器件、激光雷达和激光通信设备。因此，激光束尤其是高能量密度的激光束在大气中和其它媒质中的传播受到重视。如激光束的能量密度足够大，当它经过大气及其它物体时将产生非线性效应以及加热和膨胀效应，乃至产生电离和其它化学作用。

电离层9.1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。

电离层9.2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。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。

电离层9.3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。

介绍

电离层参量的时间、空间变化特征，主要是电子密度N的时空变化。

地球大气的电离源主要是太阳。太阳上发生的各种过程、地球和太阳相对运动、地球磁场等因素都会对电离层产生影响，使其形态非常复杂，具有昼夜的、季节的、太阳黑子周的、纬度的和受地磁场制约的多种变化。由于电离层各层的化学结构、热结构不同，各层的变化情况也不尽相同。

D层形态　交叉调制法(见低电离层探测)得到的一组白天不同时间 D层电子密度随高度的变化曲线，它反映了电子密度随太阳天顶角的变化和对正午的不对称性。　白天D层电子密度分布的一个最显著特征是，在中低纬度地区约80～90公里高度存在很陡的梯度，或称为“缘”。它的高度受太阳天顶角、季节、太阳活动性和地磁场的制约。

D层电离有季节变化。夏季，中纬地区D层电子密度逐日变化甚小，且极有规律；但在冬季，逐日有相当大的变化，且比较复杂。冬季的某些天，在80公里左右电子密度的增加，造成中波和短波的异常吸收,这就是D层“冬季异常”。一般，电子密度正午值夏季高于春秋季，春秋季又高于冬季，只是在“冬季异常”时例外。

D层变化同太阳黑子数相关。一般可用电离层吸收的变化近似代表D层电子密度的变化,太阳黑子极大年和极小年的吸收比大约为2:1。在80公里附近,黑子高年电子密度N的平均值显著大于低年的平均值。此外,当天顶角为常数时，在黑子低年期间,65～85公里夏季N值大于冬季N值,在更高的高度上没有这种变化。但在黑子高年期间情况正相反，在82～95公里冬季N值大于夏季N值，而在较低的高度上没有这种变化。

D层电子密度随纬度而变。由于观测数据不足(尤其是在中纬地区),其规律还不十分清楚。在70～90公里高度范围内，电子密度有一异常的纬度变化，即在中纬度地区和磁赤道附近的电子密度数值大约是这两地区之间（约在磁倾角±20°处）电子密度数值的一半。D层冬季异常主要发生在中纬地区，在低纬未见此种现象。而在高纬地区，磁暴引起的严重吸收较为普遍,加上D层处于漫长的黑暗期，难以判断是否存在冬季异常。

E层形态　E层是电离层中最有规律的一层，其日变化、季节变化和全球变化受太阳天顶角和太阳活动的控制，但也存在某些异常。

E层最大电子密度NmE对应的临界频率f0E，在一级近似下有关系式：

f0E=0.9【(180 1.44R)cosx】1/4，

其中R为太阳黑子数,x为太阳天顶角。这一公式既反映了中纬地区f0E随太阳黑子数的变化,又可表达日变化和季节变化；但在单独表征日变化时，幂指数将在 0.1～0.4之间变动。

在春分和夏至时,f0E的全球形态。在纬度变化上,秋分同于春分，而冬至和夏至则恰恰相反,即将夏季图形绕赤道线转180°就成冬季图形。可以看出,无论在什么季节，f0E近似以正午时刻为对称点。　E层高度也存在着规律变化。一般在日出后随着电子密度的增大而逐渐下降，中午时下降到最低高度，此后又逐渐升高，日落时恢复到日出时的高度，但这一高度变化只有数公里。高度的季节变化主要是由太阳高度的变化引起的，约为5～10公里，最大值在冬季。

Es层形态　由于它的偶发性，所以常用统计方法来研究它的变化规律，即计算其临界频率fEs超过某一参考值的时间和频次，以及在频高图上呈现的不同类型Es的发生率。

Es层在全球具有赤道、中纬和极区3个地区特征。赤道区Es基本上是白天现象，无季节变化；它的分布宽度为磁倾角±7°，即约400～500公里,并具有最高的fEs值。在中纬地区,fEs的季节变化是主要的,它基本上属于夏季现象，在北半球出现于5～9月，在南半球出现于11月至第二年的2月；且fEs的值较小,日变化也不明显。在极区，Es层的出现和极光相联系，并多见于夜间，无季节变化。Es层出现频次的日变化和季节变化至今尚未得到明确的解释。

Es层高度的变化范围约为105～125公里。Es层高度的全球表现有 4个特点：①小的日变化，②无季节变化，③与黑子数无关，④太阳半日变化约为0.5公里。

F1层形态　像E层一样紧密地受太阳控制。它在黎明时出现，在正午过后几分钟电子密度达到当天的最大值，黄昏时消失。临界频率近似由下式描述：

f0F1=(4.3 0.01R)cos(0.2x)，

它反映了F1层电子密度随时间和地区的变化规律。f0F1的昼夜、季节和纬度变化类似于E层形态。

F1层最大电子密度所在高度hmF1，在近傍晚时增高，夏季值大于冬季值，低纬值大于高纬值。

F2层形态　变化最为复杂，在太阳和地磁场的影响下，存在许多“异常”，很难用简单的理论来解释。测定F2层临界频率f0F2要比测定F2层最大电子密度出现的高度方便得多,同时f0F2的变化也能提供F2层发生的一些主要过程的信息，因此F2层的形态常用f0F2（或NmF2）的变化来描述。

在太阳活动最高和最低(黑子数表示)时分季的NmF2等值线分布，它反映了F2层的时空变化。　随着太阳升起，F2层电离加剧(在低纬度尤为明显)，但很少在正午达到最大值。在地球的某些部分，午前达到最大值；而在另一些部分，午后才达到最大值。夜间的下降常是缓慢的。有时可在夜间观测到第二个峰值。

在春秋分时节NmF2对地理赤道的对称性并不明显,但可见到较肯定的磁倾角对称性。

白天f0F2的最大值不在地理赤道上，也不在磁赤道上，而是位于沿磁赤道两侧10°或15°的两条带上。于是存在一赤道压缩，这就是赤道槽。赤道两侧的最大值称为双驼峰现象。1947年中国桂质廷、梁百先曾指出这种现象是受地磁控制的。双峰的幅度随太阳活动增强而增强；而且随着高度的增加,双峰向着磁赤道逼近。卫星观测表明，双峰在最大电离值高度之上最终会合在一处。　F2层的季节变化还存在一些现象至今未得到满意的解释。一种现象被称为“十二月异常”,即在地球上50°N和35°S之间的部分地区,在11、12、1月每天正午测到的f0F2具有很大的数值。另一种现象称为“季节异常”，即从中纬到高纬，冬季白天的f0F2值不小于对应的夏季值，特别是在太阳活动极大年，冬季值显著地大于夏季值。在北半球，十二月属于冬季，于是上述两种异常叠加起来，使得f0F2的数值比这一年的其他季节大得多。

f0F2随太阳黑子活动周期而变化,表示两个黑子周期内f0F2与黑子相对数R的相关曲线。　扩展 F形态　常用统计方法研究它出现的规律。扩展 F的出现有季节、纬度以及随太阳活动和地磁活动的变化。

扩展 F的最大出现率只在两个地区存在：一个是只在夜间才出现的赤道区;一个是极区。在磁纬20°～40°地区较少观测到扩展F。

赤道扩展 F常出现于午夜之前。在低磁纬区,扩展F最大出现率是在21时到01时（地方时），黑子数最高时提早1小时，夏季出现率大于冬季。中纬地区的扩展F不是一种常有现象，主要发生在午夜之后。在较高纬度处，扩展 F常出现在冬季午夜和日出之间的时间。近磁极处，冬季的白天和夜间扩展F经常存在；夏季里,它的出现率在晚上仍保持很高频次，而在正午只有50～60%。赤道扩展F的出现率在黑子低年要大于高年;而在磁纬60°以上地区，扩展F出现率随黑子数的增加而上升。

扩展F与地磁活动有以下的关系：赤道区扩展F出现于磁静日，并在磁暴开始时消失，这一区域包括以磁赤道为中心的整个60°纬度带；在中纬区扩展 F基本上在磁暴时出现，而在磁纬60°以上的区域，当有磁暴时就不存在扩展F了。

F2层以上区域电子生成率和消失率（见电离层的形成）都很小，电离层等离子体的行为完全受输运过程的控制。人造卫星对这一广大范围内的电子密度进行了许多探测，基本上得到了其时空分布的平均结果。

参考书目

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