電離層環(huán)境及其影響

電離層環(huán)境及其影響摘要：電離層是指位于地面約60km至1000km處的被電離了的大氣層。電子密度的不均勻分布是電離層的重要特性之一，這種不均勻的密度分布的尺度為數(shù)米一數(shù)十公里量級，亦稱為電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)。電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)會引起衛(wèi)星電波閃爍，從而導致數(shù)據(jù)通信線路、廣播、測距信號等的一時中斷或質(zhì)量劣化。太陽事件、地磁活動等會引起電離層電子密度的增大，電子密度增大將導致信號延遲增大，從而影響導航定位精度。關(guān)鍵字：電離層衛(wèi)星導航飛行器1引言電離層(Ionosphere)是地球大氣的一個電離區(qū)域(如圖1所示)。60千米以上的整個地球大氣層都處于部分電離或完全電離的狀態(tài)，電離層是部分電離的大氣區(qū)域，完全電離的大氣區(qū)域稱磁層。也有人把整個電離的大氣稱為電離層，這樣就把磁層看作電離層的一部分。電離層從離地面約50公里開始一直伸展到約1000公里高度的地球高層大氣空域，其中存在相當多的自由電子和離子，能使無線電波改變傳播速度，發(fā)生折射、反射和散射，產(chǎn)生極化面的旋轉(zhuǎn)并受到不同程度的吸收［1］。BubbleEanhCurrcmtsMagneticAtlilucteCookol泊帕舉h她Curr且咽￡FtadloWarwDiEudb日ncaSo⑹BubbleEanhCurrcmtsMagneticAtlilucteCookol泊帕舉h她Curr且咽￡FtadloWarwDiEudb日ncaSo⑹Fla/oProsanaTrtwoffwminfcattoflCabteDisnjpb^nRfiintellWalerVm?1i!xnaulSafety■Sigwl■■購帕仙AJrlrf^PassengerRadiationEBMiieityGridDisrup^iton■MnEronwi&orojtfeSoleirCellW\XOamiQQ圖1電離層位置示意圖2電離層環(huán)境大氣的電離主要是太陽輻射中紫外線和X射線所致。此外，太陽高能帶電粒子和銀河宇宙射線也起相當電離層知識的拓寬重要的作用。地球高層大氣的分子和原子，在太陽紫外線、X射線和高能粒子的作用下電離，產(chǎn)生自由電子和正、負離子，形成等離子體區(qū)域即電離層。電離層從宏觀上呈現(xiàn)中性。電離層的變化，主要表現(xiàn)為電子密度隨時間的變化。而電子密度達到平衡的條件，主要取決于電子生成率和電子消失率。表1列出了電離層的一些基本參數(shù)。表1電離層基本參量數(shù)據(jù)[2]高度￡左里〉&00100020M25D03000平Q屮性粒亍密度2*9xIO115,&x10lDt*,Ix10JI'4心LO*Lfl1平均電子巒,度叫侏口）G.Zx10N1,4XItj71l,Gx10ls113Xt&uIt2x20J,J,IX1Q,U平墳電子溫度Tt（eK>1000l&OU20002^C025DQ2fiQ02700屯子熱逋度￥仇｛詵/秒）V*=（kTjmA"1*2x105i,Sx10^1xio5].9x1?1.9x10&3,0KIQ6書均分子離子富量20,2ie.7g昇332.92,42.0占統(tǒng)治地位的離子咸恰0*0*iwIIe+Hb^H+H十離子熱速度￥期聚/秒）也=住口曲」“6.4x丄臚8,6xIO1IJxlQa2.3X1032.7XIQ"3.0XIO33.7XIQ3JJ.星速度硏（米/秒）7.7KIO07.&XJO37Ax07.1x10*弓?9乂1護B.lXIO0建埼％g斯｝0*440t370.320.270.190J5T：均電子一詔子盛據(jù)頻率佻Mg沖780 i230：!（■；302414電子—離子平此自山衣"J：汁味2.5X10^1.1x訶“Il.OxJO*ljx10*1,7^10*2,3x10*太陽輻射對不同高度不同成分的空氣分子電離，根據(jù)電子濃度的變化，電離層也可分成幾個區(qū)域（如圖2所示），即D層（60?90km）、E層（90?140km）、F1層（140?200km）F2層（200?1000km或2000km）和外電離層（F2層以上）⑶。

刃一豈吒電狀分棗圖刃一豈吒電狀分棗圖2電離層結(jié)構(gòu)圖D層是電離層最低的一層，離地球表面50至100公里。該層電子濃度很低，為（103?104）/cm?，這里主要是波長為121.5納米的來曼-a氫光譜線的光電離一氧化氮。在太陽活動非常強烈時（超過50個黑子），硬X射線還可以電離空氣中的氮氣和氧氣的分子。夜間宇宙射線造成一個剩余電離。這個層里離子對自由電子的捕獲率比較高，因此電離效應比較低，從而它對高頻無線電波沒有影響。日間這里自由電子與其它粒子的碰撞率約為每秒1000萬次。10MHz以下的電波會被D層吸收，隨著電波頻率的增高這個吸收率下降。夜間這個吸收率最低，中午最高。日落后這個層減弱非常大。D層最明顯的效應是白天遠處的中波電臺收不到。E層是中層，在地面上100至150公里。這里的電離主要是軟X射線和遠紫外線對氧氣分子的電離。這個層只能反射頻率低于10MHz的電波，對頻率高于10MHz的電波它有吸收的作用。E層的垂直結(jié)構(gòu)主要由電離和捕獲作用所決定。夜間E層開始消失，因為造成電離的輻射消失了，由于捕獲在低處比較強，因此其高度開始上升。高空周日變化的風對E層也有一定影響。隨著夜間E層的升高，電波可以被反射到更加遠的地方。ES層也被稱為偶現(xiàn)E層。它是小的、強烈電離的云，它可以反射頻率在25至225MHz之間的電波。偶現(xiàn)E層可以持續(xù)數(shù)分鐘到數(shù)小時不等，其形成原因可能有多種，而且還在研究中。夏季偶現(xiàn)E層出現(xiàn)得比較多，持續(xù)時間一般也比冬季長。電波的反射距離一般為1000公里左右。F層在地面以上150至超過500公里。在這里太陽輻射中的強紫外線（波長10至100納米）電離單原子氧。F層對于電波傳播來說是最重要的層。夜間F層合并為一個層，白天分為F1和F2兩個層。Fl層（離地面約130?210公里）：白天，峰值密度NmFl及其相應高度hmFl的典型值分別為2x10厘米和180公里。F1層峰形夜間消失，中緯度F1層只出現(xiàn)于夏季，在太陽活動高年和電離層暴時，F(xiàn)1層變得明顯。NmF1和hmF1的變化與E層類似，大致符合簡單層的理論公式，這時a-4.30.01R,b".2。F2層（離地面約210公里以上）：反射無線電信號或影響無線電波傳播條件的主要區(qū)域，其上邊界與磁層相接。白天，峰值密度NmF2及其相應高度hmF2的典型值分別為10厘米；夜間，NmF2一般仍達5x10厘米。在任何季節(jié)，NmF2的正午值都與太陽活動性正相關(guān)。hmF2與太陽活動性一般也有正相關(guān)關(guān)系，除赤道地區(qū)外，夜間值高于白天值。在f2層，地球磁場大氣各風系、擴散和其他動力學因素起著重要的作用，其形態(tài)變化不能用查普曼的簡單層理論來描述，于是F2層比起E層和F1層便有種種“異常”。所謂日變化異常是指F2層電子密度的最大值不是出現(xiàn)在正午（通常是在本地時間13時至15時），同時NmF2還具有半日變化分量，其最大值分別在本地時間上午10?11時和下午22?23時。季節(jié)異常是指F2層正午的電子密度在冬季要比夏季高。赤道異常是指F2層電子密度并不在赤道上空最大，它明顯地受地磁場控制，其地理變化呈“雙峰”現(xiàn)象，在磁緯±20度附近達到最大值。在高緯度地區(qū)，可觀測到許多與帶電粒子沉降有關(guān)的異常現(xiàn)象。其中，最為重要的是F層“槽”，這是地球背陽面上從極光圈開始朝向低緯寬約5?10度的低電子密度的帶區(qū)［3］。電離層還處于地球磁場之中，其中的電子運動無疑將受到地磁場的約束。因此，電離層的電子濃度不僅有晝夜、季節(jié)的變化，而且還隨著緯度和太陽活動而變化。電離層受太陽活動的影響表現(xiàn)為電離層突然騷動和電離層暴，以及發(fā)生在極區(qū)的極蓋吸收事件和極光帶吸收事件。它們是因太陽色球?qū)右弑l(fā)、太陽局部地區(qū)擾動或磁擾而產(chǎn)生的。其中，以電離層突然騷擾最為嚴重。電離層除了正常分層外，還有各種不均勻結(jié)構(gòu)，這就是在背景電子濃度分布上漂浮著的各種大小電離云塊。同樣，地磁場也影響著電子云。這些不均勻的電離體時刻都在變化，背景電離層介質(zhì)可能轉(zhuǎn)化為不均勻體，電離云塊也可能逐漸擴散成為均勻的背景電離層介質(zhì)。3電離層的應用電離層被用來反射和傳送高頻無線電信號。反射后的信號回到地球表面，可以再次被反射到電離層。電波可以使得電離層里的自由電子以同樣的頻率振蕩。若此時自由電子被捕獲的話，則電波中的部分能量會消失。假如電離層內(nèi)自由電子的碰撞頻率小于電波頻率，且自由電子密度夠高，則電波能夠有全反射的現(xiàn)象。當電波頻率高于電離層內(nèi)的等離子頻率時，會因電子運動不夠快而使得電波得以穿透電離層。在電波頻率小于臨界頻率時，電離層可以垂直反射電波：化—I）w （1）式中，N是每立方厘米電子密度，f0是頻率（單位為MHz）。最高可用頻率（MUF,MaximumUsableFrequency）是在一定時間內(nèi)，可以在兩點之間傳送信號的頻率上限。（2）式中，I是波與水平線之間的角度⑷。4電離層的影響電離層和飛行器的影響通常所說的飛行體與電離層的相互作用問題，是指與其中帶電粒子的相互作用問題。這是因為地面上空高處的電離輻射（總量）比低處的大，中性粒子密度隨高度的增加而下降得遠比帶電粒子（電子、離子）快,所以在1000公里以上的飛行體與電離層的相互作用主要是受帶電粒子制約的，并且有關(guān)飛行體與中性粒子的相互作用問題被認為是了解的。如像微波波束經(jīng)電離層傳輸?shù)哪芰繐p耗及其擾動電離層所帶來的傳播問題,低軌衛(wèi)星的電流泄漏,火箭噴焰、排氣效應,等離子休鞘等等。電離層對衛(wèi)星通訊的影響電離層的發(fā)現(xiàn)和研究與電波傳播的研究緊密相關(guān)，短波通信就是靠電離層反射實現(xiàn)的。由于電離層是一種不均勻傳播介質(zhì)，因此，電波通過它傳播時將受到隨機起伏的調(diào)制，即所謂電離層閃爍現(xiàn)象。不僅如此，電離層的突然騷擾和電離層暴，以及極蓋吸收事件和極光帶吸收事件，將對短、中波產(chǎn)生嚴重的影響。尤其是電離層突然騷擾，可使地球向陽半球的短波、中波無線電信號立即衰落甚至完全中斷，延續(xù)時間最長可達數(shù)小時之久，因此也是衛(wèi)星通信的一大危害。衛(wèi)星的電波信號在到達地面之前，將穿過電離層。電離層電子密度在空間的不規(guī)則分布對通過的電波隨機散射，使得電波相位得到不規(guī)則的調(diào)制。這樣在地面接收點，信號幅度、相位將表現(xiàn)出不規(guī)則的起伏，沿用光學名稱稱為閃爍。在磁赤道附近的低緯區(qū)域，由等離子體氣泡形成的電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)能造成微波帶信號幅度10dB以上的浮動。就是在中緯區(qū)域，雖然沒有低緯區(qū)嚴重，不規(guī)則結(jié)構(gòu)也常常使得氣象衛(wèi)星的圖像劣化；地磁暴發(fā)生時，強閃爍亦在中緯地區(qū)發(fā)生，導致電波傳播障礙，影響衛(wèi)星通信質(zhì)量。電離層對衛(wèi)星導航的影響GPS定位測量的誤差（軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層誤差、對流層誤差、多徑誤差，接收機鐘差、接收機噪聲）中，電離層誤差的影響最大。它是制約單頻GPS接收機的測程不能超過20km左右的決定因素。從天頂?shù)降仄?，電離層引起的測距誤差，可從5m到150m。電離層對GPS定位測量的主要影響有七種，即：信號調(diào)制的碼群延（或稱絕對測距誤差）、載波相位的超前（或稱相對測距誤差）、多普勒頻移或稱距速誤差）、信號波幅衰減（或稱振幅閃爍），相位閃爍、磁暴和電離層對差分GPS的影響。對于衛(wèi)星導航（如單頻GPS系統(tǒng)），電離層延遲是最大的誤差源之一。目前應用于單頻GPS系統(tǒng)的電離層修正模式的效果約為50"60％。當與太陽事件、地磁活動相關(guān)的電離層電子密度增大時，電離層延遲亦將更加增大，從而影響定位精度[5]。5結(jié)語電離層是與空間飛行體相互作用的重要環(huán)境之一。近幾年出現(xiàn)的一些新問題尚沒有真正解決。電離層對飛行器、衛(wèi)星通訊和導航都有