中低緯電離層現(xiàn)象2014

1、中低緯電離層環(huán)境中低緯電離層環(huán)境電離層的發(fā)現(xiàn)電離層的發(fā)現(xiàn)電離層的定義電離層的定義電離層探測(cè)電離層探測(cè)都與電波傳播有非常密切的聯(lián)系都與電波傳播有非常密切的聯(lián)系電離層的發(fā)現(xiàn)電離層的發(fā)現(xiàn) 自從自從19011901年年MarconiMarconi成功進(jìn)行了跨越大西洋的無(wú)成功進(jìn)行了跨越大西洋的無(wú)線電傳輸試驗(yàn)，科學(xué)工作者就開(kāi)始解釋電波傳播線電傳輸試驗(yàn)，科學(xué)工作者就開(kāi)始解釋電波傳播的方式。的方式。 19021902年，年，KennelyKennely與與HeavisideHeaviside獨(dú)立提出，存在一獨(dú)立提出，存在一個(gè)由自由電荷組成的、能反射電磁波的導(dǎo)電層。個(gè)由自由電荷組成的、能反射電磁波的導(dǎo)電層。對(duì)于

2、這種導(dǎo)電層的理論，存在了近對(duì)于這種導(dǎo)電層的理論，存在了近2020年的爭(zhēng)議。年的爭(zhēng)議。 19241924年年AppletonAppleton和和BarnetBarnet利用無(wú)線電波實(shí)驗(yàn)，證利用無(wú)線電波實(shí)驗(yàn)，證明電離層的存在，并確定了電離層的高度。明電離層的存在，并確定了電離層的高度。19251925年年BreitBreit和和TuveTuve確認(rèn)了確認(rèn)了AppletonAppleton的實(shí)驗(yàn)，并研制的實(shí)驗(yàn)，并研制出最早的電離層無(wú)線電探測(cè)設(shè)備：垂測(cè)儀，一直出最早的電離層無(wú)線電探測(cè)設(shè)備：垂測(cè)儀，一直沿用至今。沿用至今。 電離層的發(fā)現(xiàn)成為空間物理學(xué)發(fā)端的標(biāo)電離層的發(fā)現(xiàn)成為空間物理學(xué)發(fā)端的標(biāo)志。在電離層

3、的發(fā)現(xiàn)和無(wú)線電波傳播理志。在電離層的發(fā)現(xiàn)和無(wú)線電波傳播理論的發(fā)展中，論的發(fā)展中，AppletonAppleton的貢獻(xiàn)最為突出的貢獻(xiàn)最為突出。 因?yàn)樗囊驗(yàn)樗摹皩?duì)于外層大氣物理現(xiàn)象的探對(duì)于外層大氣物理現(xiàn)象的探索，特別是阿普爾頓層的發(fā)現(xiàn)索，特別是阿普爾頓層的發(fā)現(xiàn)”，AppletonAppleton于于19471947年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 空間物理學(xué)研究領(lǐng)域的唯一諾貝爾獎(jiǎng)獲空間物理學(xué)研究領(lǐng)域的唯一諾貝爾獎(jiǎng)獲得者得者 電離層和磁層電離層和磁層 地球電離層地球電離層指地球高層大氣中被部分電離的區(qū)指地球高層大氣中被部分電離的區(qū)域，通常指地面以上域，通常指地面以上60-100060-

4、1000公里的高度范圍公里的高度范圍。按照國(guó)際無(wú)線電工程師協(xié)會(huì)。按照國(guó)際無(wú)線電工程師協(xié)會(huì)(IRE)(IRE)的定義，的定義，電離層是地面電離層是地面60km60km以上到磁層頂之間的整個(gè)空以上到磁層頂之間的整個(gè)空間，在那里間，在那里“存在著大量的自由電子，足以影存在著大量的自由電子，足以影響無(wú)線電波的傳播響無(wú)線電波的傳播”；而；而磁層磁層則是則是“地磁場(chǎng)對(duì)地磁場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)有決定性影響的那部分電離層電子運(yùn)動(dòng)有決定性影響的那部分電離層”。電。電離層與磁層沒(méi)有明確的分界，通常把離層與磁層沒(méi)有明確的分界，通常把10001000公里公里作為電離層上邊界作為電離層上邊界。電離層垂直結(jié)構(gòu)示意圖電離層垂直結(jié)構(gòu)

5、示意圖極尖極隙區(qū)極尖極隙區(qū)地磁平靜條件下，地磁平靜條件下，中午和午夜中緯電離層中午和午夜中緯電離層電子密度的典型剖面。美國(guó)電子密度的典型剖面。美國(guó)Millstone HillMillstone Hill非相干散射雷達(dá)（非相干散射雷達(dá)（4242 N N，7272 W W），），W W：冬季，：冬季，E E：兩分點(diǎn)，：兩分點(diǎn)，S S：夏季。：夏季。19631963年年7 7月月2020日日日食期間日食期間F F層的層的變化。變化。低緯電離層現(xiàn)象低緯電離層現(xiàn)象 赤道赤道F F層電動(dòng)力學(xué)抬升和噴泉效應(yīng)。層電動(dòng)力學(xué)抬升和噴泉效應(yīng)。 赤道異常區(qū)幾個(gè)高度上電子密度的緯度變化。赤道異常區(qū)幾個(gè)高度上電子密度的緯

6、度變化。 垂測(cè)儀觀測(cè)的電離層頻高圖垂測(cè)儀觀測(cè)的電離層頻高圖Brooker and Wells在在1938年利用年利用垂測(cè)儀首次觀測(cè)到的擴(kuò)展垂測(cè)儀首次觀測(cè)到的擴(kuò)展F現(xiàn)象現(xiàn)象 在在100km100km高度上下存在強(qiáng)的回波，強(qiáng)度比高度上下存在強(qiáng)的回波，強(qiáng)度比3m3m波長(zhǎng)的熱起伏散射的回波強(qiáng)得波長(zhǎng)的熱起伏散射的回波強(qiáng)得多，最高強(qiáng)度達(dá)多，最高強(qiáng)度達(dá)50dB50dB。100km100km上下的薄不規(guī)則層隨時(shí)間周期性地上下運(yùn)動(dòng)。上下的薄不規(guī)則層隨時(shí)間周期性地上下運(yùn)動(dòng)。強(qiáng)的返回散射信號(hào)向上延伸到很高的高度的現(xiàn)象多次出現(xiàn)，這些高聳的回強(qiáng)的返回散射信號(hào)向上延伸到很高的高度的現(xiàn)象多次出現(xiàn)，這些高聳的回波特征稱作波特

7、征稱作“羽狀煙云羽狀煙云”(plumes)(plumes)。 (a) (a)振幅閃爍的一個(gè)例子，強(qiáng)度振幅閃爍的一個(gè)例子，強(qiáng)度(dB)(dB)隨時(shí)間的變化；隨時(shí)間的變化； (b)(b)累積概率分布；累積概率分布；(c)(c)衰落持續(xù)時(shí)間分布。衰落持續(xù)時(shí)間分布。 2004 2004年年1111月月1010日夜間，在武漢觀測(cè)到的振幅閃爍實(shí)例。日夜間，在武漢觀測(cè)到的振幅閃爍實(shí)例。 -20-10010P(dB)PRN 26 November 10 20043 min78 閃爍功率譜的三種類型閃爍功率譜的三種類型u低頻部分平坦低頻部分平坦, ,高頻部分以負(fù)律冪下降高頻部分以負(fù)律冪下降79u低頻部分上升，高

8、頻部分以負(fù)律冪下降低頻部分上升，高頻部分以負(fù)律冪下降80u高頻部分出現(xiàn)高頻部分出現(xiàn)“折斷折斷”折斷發(fā)生在頻率折斷發(fā)生在頻率0.25Hz0.25Hz15161718192021-20-10010P ow er/d B1516171819202100.40.8S 41516171819202104080T E C15161718192021-12-60612R O T P R N #2615161718192021U T /h r024R O T I151617181920-20-10010P o w er/d B15161718192000.40.8S 415161718192004080T E

9、 C151617181920-12-60612R O T P R N #29151617181920U T /h r024R O T I2004-11-102004-11-10在武漢觀測(cè)到的在武漢觀測(cè)到的GPSGPS衛(wèi)星信號(hào)衛(wèi)星信號(hào)振幅和相位閃爍示例。振幅和相位閃爍示例。電離層暴電離層暴概述概述在在8 8個(gè)地磁緯度帶上最個(gè)地磁緯度帶上最大電子密度的暴時(shí)變化。大電子密度的暴時(shí)變化?？v坐標(biāo)表示對(duì)靜日偏離縱坐標(biāo)表示對(duì)靜日偏離的百分比。的百分比。F F層暴期間中緯臺(tái)站的層暴期間中緯臺(tái)站的電子含量、電子密度電子含量、電子密度和層厚。和層厚。SCSC表示磁暴急始。同表示磁暴急始。同時(shí)給出了時(shí)給出了7 7天

10、平均以表天平均以表示正常特征。示正常特征。暴的現(xiàn)象學(xué)特征暴的現(xiàn)象學(xué)特征磁暴磁暴F F層暴層暴19891989年年1010月月20-2220-22日磁暴期間亞太區(qū)電離層日磁暴期間亞太區(qū)電離層f fo oF F2 2隨緯度和時(shí)間隨緯度和時(shí)間變化的等值線圖?？梢钥吹侥媳卑肭驈母呔暤降途暤膹V大區(qū)域變化的等值線圖?？梢钥吹侥媳卑肭驈母呔暤降途暤膹V大區(qū)域電離層暴呈現(xiàn)負(fù)暴相。電離層暴呈現(xiàn)負(fù)暴相。磁暴事件與電離層暴次數(shù)的總體統(tǒng)計(jì)磁暴事件與電離層暴次數(shù)的總體統(tǒng)計(jì)伴隨著磁暴的發(fā)生，不同經(jīng)度扇區(qū)電離層的響伴隨著磁暴的發(fā)生，不同經(jīng)度扇區(qū)電離層的響應(yīng)情況不同。這可能與地磁暴發(fā)生的地方時(shí)有關(guān)。應(yīng)情況不同。這可能與地磁暴發(fā)

11、生的地方時(shí)有關(guān)。5種電離層響應(yīng)類型的季節(jié)分布特征種電離層響應(yīng)類型的季節(jié)分布特征正暴較少的發(fā)生在夏季，冬季和春秋季較多；負(fù)暴較少的發(fā)生在冬季，在正暴較少的發(fā)生在夏季，冬季和春秋季較多；負(fù)暴較少的發(fā)生在冬季，在夏季和春秋季較多；正負(fù)暴在夏季和春秋季發(fā)生較多。負(fù)正暴以及電離層沒(méi)夏季和春秋季較多；正負(fù)暴在夏季和春秋季發(fā)生較多。負(fù)正暴以及電離層沒(méi)響應(yīng)的情況無(wú)明顯的季節(jié)特征。而響應(yīng)的情況無(wú)明顯的季節(jié)特征。而4個(gè)扇區(qū)之間也有細(xì)微的差別。個(gè)扇區(qū)之間也有細(xì)微的差別。 主相期間電離層正負(fù)暴的季節(jié)分布特征主相期間電離層正負(fù)暴的季節(jié)分布特征在所有扇區(qū)的所有季節(jié)均是正暴數(shù)目大于負(fù)暴數(shù)目，且在冬季正負(fù)暴在所有扇區(qū)的所有季節(jié)均是正暴數(shù)目大于負(fù)暴數(shù)目，且在冬季正負(fù)暴的比例大于其他的比例大于其他2季。不同扇區(qū)正負(fù)暴發(fā)生的比例具有較大差異，最大季。不同扇區(qū)正負(fù)暴發(fā)生的比例具有較大差異，最大差異發(fā)生在東亞扇區(qū)的冬季，正負(fù)暴比例高達(dá)差異發(fā)生