電波傳播環(huán)境介紹

電波傳播環(huán)境介紹在無線電系統(tǒng)中，信息的傳遞是靠電磁波的傳播來實現(xiàn)的。無線電波從發(fā)射點傳輸?shù)浇邮拯c必定要經(jīng)過一定的空間場所（媒質(zhì)），這個空間場所會對無線電波的傳播產(chǎn)生各種各樣的影響，如反射、折射、繞射、散射和吸收等。其中，最基本的空間場所就是地球及其周圍附近的區(qū)域（或稱為近地空間），因此在研究具體電波傳播問題之前，有必要了解地球及其外圍空間的概況。無線電波傳播主要受其傳播媒質(zhì)的影響，因此在介紹無線電波傳播之前，必須要弄清無線電波傳播要經(jīng)歷的電磁環(huán)境。一般情況下，無線電波是在大氣介質(zhì)中傳播的，當(dāng)然還有的是在水下或地下傳播，因此要搞清楚大氣或地面的環(huán)境參數(shù)，掌握環(huán)境的規(guī)律和特性，并對它們進行建模，以提供給無線電波傳播的分析、計算和研究。3一、地球及外圍空間地球是太陽系中的一個行星，形狀為一略扁的球體，長半軸約為6378km，短半軸約為6357km，長短半徑相差約為21km，一般取平均半徑為6370km。在電波傳播研究中，一般把地球簡作為圓球來處理。根據(jù)地震波的傳播證明，地球從里到外可分為地核、地幔和地殼三層地核：半徑約為3460km，溫度估計高達(dá)5000°C左右。地核的體積只有地球體積的1/6，而質(zhì)量卻幾乎占了1/3，這證明它是由較重的元素（例如鐵等）組成的。地幔:地核的外面厚度約為2850km左右的灼熱熔巖。地殼：地球的表層,厚度各處不同,海洋下面較薄,最薄處僅5

km左右,大陸所在的地下比較厚,最厚處可達(dá)60

km,地殼的平均厚度約為33

km。地殼的基部是玄武巖,某些地

區(qū)在玄武巖的上面還有花崗巖,再上面是電導(dǎo)率較大的沖積層由層由等于等于。地。地球的內(nèi)部作用，例如地殼運動、火山爆發(fā)等,以及外部的風(fēng)化作用,使得地球的表面形成了高山、深谷、江河、平原等地形地貌,再加上人為所創(chuàng)造的城鎮(zhèn)等環(huán)境,這些不同的地形地物和不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)都在一定程度上影響著無線電波的傳播。地球本身有一個很大的磁場。地磁軸線不通過地心,而是偏心的,它與地球南北極軸的夾角約為11.4°。地球上各地區(qū)的磁場強度并不相同,在磁極附近的總磁感應(yīng)強度約為(6～7)×10－5特斯拉,在磁赤道上總磁感應(yīng)強度值約為3×10－5特斯拉。地磁場的空間范圍非常廣闊,除了地面范圍外,還一直延伸到數(shù)萬千米的高空,與星際磁場聯(lián)系,直接影響著外層空間的物理狀況。當(dāng)然,它對無線電波的傳播也有一定的影響。近地空間是指地球周圍附近的區(qū)域,通常是指地球的大氣層和磁層。它是與人類生活密切相關(guān)的上層環(huán)境,是實現(xiàn)地面通信與空間通信的無線電波的基本傳播場所,也是傳輸宇宙信息及太陽能源的渠道。大氣層是包圍地球表面的氣體層,其厚度可達(dá)上千千米,就像是地球的“氣體外殼”。地面上空的大氣是分層的,分層的方法很多,但一般是按其溫度狀況或電離狀況來分層的。以大氣溫度隨高度垂直分布的特性來分,可分為對流層、平流層、中層、熱層和外層等。地面上不同高度的溫度變化大體上,自地面向上溫度隨高度以-6.5℃/km的速率逐漸降低。大約在13±5

km處(在中國大陸地區(qū)一般為11~13

km),溫度達(dá)到大約208

K(相當(dāng)于－65℃)的恒定值,這一高度稱為對流層頂,它是對流層和平流層的分界區(qū)域。平流層內(nèi)溫度隨著高度增加而上升,到了50

km左右的高度,溫度出現(xiàn)最大值約為263K,這里就叫做平流層頂。平流層頂以上就是中層,中層內(nèi)溫度隨高度增加而迅

速下降,是一個低溫帶,到了90

km左右的高度,溫度

出現(xiàn)最小值約為183

K左右,這就是中層頂。中層頂以上就是熱層,熱層內(nèi)溫度隨著高度增加而上升,到了40km左右的高度,溫度可達(dá)上千度。熱層頂(300～600

km)以上的大氣層,統(tǒng)稱為外層大氣(或稱逃逸層),那里大氣(主要是氫和氦)極其稀薄,

地球引力也很小,氣體分子大部分處于電離狀態(tài)。如果氣體分子在受到最后一次碰撞而向上運動時,若速度足夠大,就有可能脫離地球引力的束縛向星際空間逃逸,故逃逸層也是地球大氣的最外層。以電離或非電離狀態(tài)來分層,大氣層可分為電離層與非電離層。大約在60

km以下的高空,大氣中各種成分(氧占20.95%、氮占78.09%，還有水汽及少量氫、氦等)混合均勻,氣體多呈中性狀態(tài),故稱為非電離層,在電波傳播研究中一般稱為低層大氣層。在60

km以上的大氣,主要在太陽輻射的作用下,氣體電離現(xiàn)象十分顯著,故該區(qū)域稱為電離層。由于大氣電離或非電離狀態(tài)對電波傳播的機理不同,因此,對于電波傳播研究與應(yīng)用來講,應(yīng)按低層大氣和電離層來研究大氣分層情況。對流層主要是靠地面間接加熱的。在太陽照射下,對流層的空氣很少直接吸收太陽輻射的熱量而是在地面受熱后,通過地面輻射和大氣的垂直對流作用使對流層變熱。因此,一般情況下,對流層的溫度、氣壓、濕度都是隨著高度的增加而減少的。某些局部地區(qū),有時可能出現(xiàn)溫度隨高度增加而增加的現(xiàn)象,形成逆溫層。由于空氣的湍流運動,使得對流層的溫度、氣壓、濕度又有隨機的小尺度起伏。其他如雷電、云、霧、雨、雪等自然現(xiàn)象,都會對無線電波的傳播特別是對微波傳播有著較大的影響。平流層在大氣層中處于對流層與電離層之間。一般來說,層內(nèi)幾乎沒有水汽,只有溫度有較明顯的變化。由于該層內(nèi)有臭氧層,它強烈地吸收太陽中的紫外線,使溫度隨高度的增加而增加。平流層內(nèi)的大氣以水平運動為主。通常,在電波傳播中所說的低層大氣層包括對流層和平流層兩部分。由于對流層大氣和平流層大氣的折射率(大氣溫度、濕度和氣壓的函數(shù))與氣象參數(shù)的關(guān)系基本一樣,因此,在無線電波傳播研究中,有時把低層大氣直接稱為對流層大氣。電離層是高空大氣層的一部分。它從60

km延伸到大約1000

km的高度。在這個區(qū)域,主要是在太陽輻射的作用下,大氣電離形成等離子體層(凡部分或全部電離了的氣態(tài)物質(zhì),其中帶負(fù)電的電子、離子和帶正電的離子具有相等的電量,就稱為等離子體所以宏觀上它是電中性的)。根據(jù)實測,在電離層內(nèi)存在著幾個電子濃度不同的區(qū)域:約在60～90

km高度的區(qū)域稱為D區(qū)在100～110

km處的區(qū)域稱為E區(qū)在E區(qū)以上是F區(qū),夏季的白天此區(qū)域又可分為F1區(qū)(高度約為180

km)和F2區(qū)(高度約為0～400

km)。D區(qū)只在白天存在,而E區(qū)和F區(qū)是經(jīng)常存在的。各區(qū)電子濃度(有時稱為電子密度)N(電子數(shù)目/米3)隨高度變化并有一極大值。D區(qū)電子濃度最低,而F區(qū)電子濃度最高。各區(qū)之間沒有明顯的分界面。在400

km以上,電子濃度隨高度的上升而緩慢地減小,一直延伸到離地面幾萬千米的高度。由于電離層的主要特征是有著大量的自由電子存在,從這一特征出發(fā),IRE(無線電工程師學(xué)會)于1950曾建議把電離層定義為“地球大氣層中含有自由電子數(shù)多至能對無線電波傳播產(chǎn)生重要影響的那部分空間”。根據(jù)這個定義,它包括了從60

km高度直到磁層頂?shù)恼麄€范圍。實際上磁層與電離層之間沒有明顯的邊界,因此它們的區(qū)域劃分也沒有統(tǒng)一的意見。目前,人們傾向性的看法是把地球磁場對帶電粒子運動起主控制作用的那部分電離區(qū)域稱為磁層。它是指由于“太陽風(fēng)”(通常指寧靜太陽輻射的帶電粒子流)與地球磁場相互作用,使得地球磁場變形的那部分區(qū)域。一般情況下,太陽輻射的任何變動成分,當(dāng)它們到達(dá)地球區(qū)域后,必然會引起電離層、磁層的相應(yīng)變化,這對無線電波的播都會產(chǎn)生一定的影響。二、太陽結(jié)構(gòu)及活動太陽的基本結(jié)構(gòu)根據(jù)太陽活動的相對強弱，我們把太陽分為寧靜太陽和活動太陽兩大類。寧靜太陽是一個理論上假定寧靜的球?qū)ΨQ熱氣體球，其性質(zhì)只隨半徑而變，而且在任一球?qū)又卸际蔷鶆虻?，其目的在于研究太陽的總體結(jié)構(gòu)和一般性質(zhì)。在這種假定下，按照由里往外的順序，太陽是由核心、輻射區(qū)、對流層、光球?qū)?、色球?qū)?、日冕層?gòu)成。光球?qū)又路Q為太陽內(nèi)部；光球?qū)又戏Q為太陽大氣。核反應(yīng)區(qū)：從中心到0.25R⊙（R⊙：太陽半徑）是太陽發(fā)射巨大能量的真正源頭，稱為核反應(yīng)區(qū)。在這里，太陽核心處溫度高達(dá)1500萬度，壓力相當(dāng)于3000億個大氣壓，隨時都在進行著四個氫核聚變成一個氦核的熱核反應(yīng)。根據(jù)原子核物理學(xué)和愛因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換關(guān)系式E=mc2，每秒鐘有質(zhì)量為6億噸的氫經(jīng)過熱核聚變反應(yīng)為5.96億噸的氦，并釋放出相當(dāng)于400萬噸氫的能量，正是這巨大的能源帶給了我們光和熱。根據(jù)目前對太陽內(nèi)部氫含量的估計，太陽至少還有50億年的正常壽命。輻射區(qū)：0.25R⊙～

0.86R⊙是太陽輻射區(qū)，它包含了各種電磁輻射和粒子流。輻射從內(nèi)部向外部傳遞過程是多次被物質(zhì)吸收而又再次發(fā)射的過程。從核反應(yīng)區(qū)到太陽表面的行程中，能量依次以X射線、遠(yuǎn)紫外線、紫外線，最后是可見光的形式向外輻射。太陽是一個取之難盡，用之不竭的能量源泉。對流層：輻射區(qū)的外側(cè)區(qū)域，其厚度約有十幾萬千米，由于這里的溫度、壓力和密度梯度都很大，太陽氣體呈對流的不穩(wěn)定狀態(tài)。使物質(zhì)的徑向?qū)α鬟\動強烈，熱的物質(zhì)向外運動，冷的物質(zhì)沉入內(nèi)部，太陽內(nèi)部能量就是靠物質(zhì)的這種對流，由內(nèi)部向外部傳輸。光球?qū)樱簩α鲗由厦娴奶柎髿?，就是我們平時所見的太陽圓盤。光球是一層不透明的氣體薄層，厚度約500千米。它確定了太陽非常清晰的邊界，幾乎所有的可見光都是從這一層發(fā)射出來的。光球?qū)由嫌刑柡谧印⒐獍?、臨邊昏暗、米粒組織等現(xiàn)象。太陽黑子：太陽光球?qū)由系臏囟认鄬^低的區(qū)域，其溫度約為4500K，而光球其余部分的溫度約為5800K。這些溫度較低的區(qū)域在明亮的光球反襯下，就顯得很黑。光斑：在日面邊緣背景亮度較小的部分可以看到一些比周圍亮的斑點。臨邊昏暗：日面亮度向邊緣逐漸減小的現(xiàn)象。米粒組織：在比較好的大氣寧靜條件下，通過高分辨率的太陽望遠(yuǎn)鏡仔細(xì)觀測，可以看到光球表面的亮度并不均勻，存在著均勻分布的米粒狀的結(jié)構(gòu)，稱為米粒組織。這其實是對流層里對流現(xiàn)象在光球表面的一種表現(xiàn)形式，它和太陽活動區(qū)關(guān)系密切。色球?qū)樱何挥诠馇蛑希穸燃s2000千米。太陽的溫度分布從核心向外直到光球?qū)樱际侵饾u下降的，但到了色球?qū)?，卻又反常上升，到色球頂部時已達(dá)幾萬度。由于色球?qū)影l(fā)出的可見光總量不及光球的1%，因此人們平?？床坏剿?。只有在發(fā)生日全食時，即食既之前幾秒種或者生光以后幾秒鐘，當(dāng)光球所發(fā)射的明亮光線被月影完全遮掩的短暫時間內(nèi)，在日面邊緣呈現(xiàn)出狹窄的玫瑰紅色的發(fā)光圈層，這就是色球?qū)?。平時，科學(xué)家們要通過單色光（波長為6563埃）色球望遠(yuǎn)鏡才能觀測到太陽色球?qū)印Ｉ蛏辖?jīng)常出現(xiàn)一些暗的“飄帶”，稱為暗條，當(dāng)它轉(zhuǎn)到日面邊緣時，很像一只耳朵，人們俗稱它為日珥；在太陽黑子的正上方，有時出現(xiàn)一些局部亮區(qū)域，稱為譜斑；當(dāng)譜斑亮度突然增強時，就是通常人們所說的太陽耀斑。太陽耀斑釋放的能量極其巨大，其巨大的能量來自磁場。日冕：是太陽大氣的最外層，它由高溫、低密度的等離子體所組成。亮度微弱，在白光中的總亮度比太陽圓面亮度的百分之一還低，約相當(dāng)于滿月的亮度，因此只有在日全食時才能展現(xiàn)其光彩，平時觀測則要使用專門的日冕儀。日冕的溫度高達(dá)百萬度，其大小和形狀與太陽活動有關(guān)，在太陽活動極大年時，日冕接近圓形；在太陽寧靜年則呈橢圓形。自古以來，觀測日冕的傳統(tǒng)方法都是等待一次罕見的日全食——在黑暗的天空背景上，月面把明亮的太陽光球面遮掩住，而在日面周圍呈現(xiàn)出青白色的光區(qū)，就是人們期待觀測的太陽最外層大氣——日冕。用日冕儀將太陽光擋掉后看到的日冕太陽的基本活動太陽黑子在各種太陽活動現(xiàn)象中，最為醒目也最容易觀測到的現(xiàn)象就是太陽黑子。太陽黑子的主要性質(zhì)：中心溫度比周圍太陽表面低。黑子常成群出現(xiàn)。黑子是太陽表面的強磁場區(qū)域。太陽黑子周期約為11年。太陽黑子的分布–Maunder蝴蝶圖(Maunderbutterfly

diagram)不同年份觀察結(jié)果長期觀察結(jié)果太陽黑子的分布太陽黑子過去和將來現(xiàn)在的太陽黑子(2011年4月)光斑用白光觀測太陽光球時，一旦出現(xiàn)小黑子，就能在其周圍看到一些比寧靜光球明亮的小片區(qū)，稱為光斑。光斑是光球上明亮的斑點，常出現(xiàn)在日輪的邊緣，說明它存在于光球的上層，可能是光球上更熾熱的氣團。光斑一般環(huán)繞著黑子，與黑子有密切的關(guān)系。譜斑譜斑是在色球?qū)又锌梢越?jīng)常觀察到的比周圍明亮的大片明亮區(qū)域，處在光斑面上方。溫度比周圍高，常出現(xiàn)在黑子群和大黑子附近。其面積大小是太陽活動強強的一個標(biāo)志。日珥在日全食時，太陽的周圍鑲著一個紅色的環(huán)圈，上面跳動著鮮紅的火舌，這種火舌狀物體就叫做日珥，它像是太陽面的"耳環(huán)"一樣。按運動情況來看，日珥可分為爆發(fā)型、寧靜型和活動型這樣

三大類。寧靜日珥，在觀測時間內(nèi)似乎是不動的，而活動日

珥，則老在不停地變化著。它們從太陽表面噴出來，沿著弧

形路線，又慢慢地落回到太陽表面上。但有的日珥噴得很快、很高，它的物質(zhì)沒有落回日面，而是拋射入宇宙空間了，爆

發(fā)日珥的高度可以達(dá)到幾十萬千米。1938年爆發(fā)的一個最大日珥，頃刻間上升到157萬千米的高空。地球的直徑不過1.3萬千米。日餌是巨大的扭曲磁場拖曳著游離的氣體所造成的，變化情形可持續(xù)數(shù)小時到幾周或幾個月。日珥及其相對地球尺寸日珥耀斑太陽耀斑是一種最劇烈的太陽活動。一般認(rèn)為發(fā)生在色球?qū)又校砸步?色球爆發(fā)"。其主要觀測特征是，日面上（常在黑子群上空）突然出現(xiàn)迅

速發(fā)展的亮斑閃耀，其壽命僅在幾分鐘到幾十分鐘之間，亮

度上升迅速，下降較慢。雖然它只是一個亮點，但一旦出現(xiàn)，簡直就是一次驚天動地的大爆發(fā)。這一增亮釋放的能量相當(dāng)

于相當(dāng)于上百億枚百噸級氫彈的爆炸；而一次較大的耀斑爆

發(fā)，在一二十分鐘內(nèi)可釋放1025焦耳的巨大能量。除了日面局部突然增亮的現(xiàn)象外，耀斑更主要表現(xiàn)在從射電波段直到x射線的輻射通量的突然增強；耀斑所發(fā)射的輻射種類繁多，除可見光外，有紫外線、X射線和伽瑪射線，有紅外線和射電輻射，還有沖擊波和高能粒子流，甚至有能量特高的宇宙射線。耀斑對地球空間環(huán)境造成很大影響。太陽色球?qū)又幸宦暠?，地球大氣層即刻出現(xiàn)繚繞余音。耀斑爆發(fā)時，發(fā)出大量的高能粒子到達(dá)地球軌道附近時，將會嚴(yán)重危及宇宙飛行器內(nèi)的宇航員和儀器的安全。當(dāng)耀斑輻射來到地球附近時，與大氣分子發(fā)生劇烈碰撞，破壞電離層，使它失去反射無線電電波的功能。無線電通信尤其是短波通信，以及電視臺、電臺廣播，會受到干擾甚至中斷。耀斑發(fā)射的高能帶電粒子流與地球高層大氣作用，產(chǎn)生極光，并干擾地球磁場而引起磁暴。太陽耀斑太陽耀斑NASA人員駁倒2012世界末日日冕物質(zhì)拋射日冕物質(zhì)拋射（coronal

mass

ejection）是巨大的、攜帶磁力線的泡沫狀氣體，在幾個小時中被從太陽拋射出來的過程。表現(xiàn)為在幾分鐘至幾小時內(nèi)從太陽向外拋射一團日冕物質(zhì)（速度一般從每秒幾十公里到超過每秒1000公里），使很大范圍的日冕受到擾動，從而劇烈地改變了白光日冕的宏觀形態(tài)和磁場位形。日冕物質(zhì)拋射是日冕大尺度磁場平衡遭到破壞的產(chǎn)物，日冕物質(zhì)拋射破壞了太陽風(fēng)的流動，產(chǎn)生的干擾會影響到地球，甚至引發(fā)悲劇結(jié)果。大量拋射物質(zhì)撞擊地球太陽活動對地球的影響太陽活動對地球的影響主要表現(xiàn)在以下四個方面：（1）對地球氣候的影響：地球上氣候變化與黑子數(shù)目變化周期密切相關(guān)，可是其具體的作用機制還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有搞清楚。世界許多地區(qū)降水量的年際變化，與黑子活動的11年周期有一定的相關(guān)性。另外，我們只是發(fā)現(xiàn)，亞寒帶的許多樹齡很高的樹木，它們的年輪恰恰有著與黑子活動11年周期相對應(yīng)的、有規(guī)律的疏密變化。同時從統(tǒng)計資料中，我們發(fā)現(xiàn)凡是黑子活動的高峰年，地球上特異性的反常氣候出現(xiàn)的機率就明顯地增多；相反，在黑子活動的低峰年，地球上的氣候相對就比較平穩(wěn)。（2）對地球電離層的影響：地球大氣層在太陽輻射的紫外線、X射線等作用下形成電離層，無線電通訊的無線電波就是靠電離層的反射向遠(yuǎn)距離傳播的。當(dāng)太陽活動劇烈，特別是耀斑爆發(fā)時，在向陽的半球，太陽射來的強X射線、紫外線等，使電離層D層變厚，造成靠

D層反射的長波增強，而靠E層、F層反射的短波卻在穿過時

被D層強烈吸收受到衰減甚至中斷，如l970年11月5日長途臺曾因此中斷2小時；這被稱為“電離層突然騷擾”。這些反應(yīng)幾乎與大耀斑的爆發(fā)同時出現(xiàn)，因為電磁波的傳播速度就是光速，大約8分多鐘即可由太陽到達(dá)地球表面，所以反應(yīng)非常快。經(jīng)過一段肘間以后耀斑產(chǎn)生的帶電的高能粒子逐漸到達(dá)地球，它們受地球磁場的作用向地磁極兩極運動，因而影響極區(qū)的電離層，造成高緯度地區(qū)的雷達(dá)和無線電通訊的騷擾，甚至中斷。這被稱為“極蓋吸收”和“極光帶吸收”，它的影響時間較長。（3）對地球磁場的影響：擾動地球磁場，產(chǎn)生磁暴現(xiàn)象。整個地球是一個大磁場。地球的北極是地磁場的磁南極，地球的南極是地磁場的磁北極。地極和磁極之間有大約11度的夾角，因此地球的周圍充滿了磁力線，不同的位置有不同的地磁強度。平時地磁受多方面的影響，會有不同程度的擾動，而影響最大的就是磁暴現(xiàn)象。磁暴一般發(fā)生在太陽耀斑爆發(fā)后20－40小時，它是地磁場的強烈擾動，磁場強度可以變化很大。這時太陽風(fēng)速往往增加，并且向太陽一面的磁層頂面可由距地心8－11個地球半徑被壓縮到5－7個地球半徑，磁暴的發(fā)生對人類活動，特別對與地磁有關(guān)的工作都會受到影響。它會使羅盤磁針搖擺，不能正確指示方向，影響到海上航行之船、空中飛行之機、甚至信鴿的飛翔。在磁暴發(fā)生時，高緯度地區(qū)常常伴有極光出現(xiàn)。極光常常出現(xiàn)于緯度靠近地磁極地區(qū)25度－30度的上空，離

地面100－300千米，它是大氣中的彩色發(fā)光現(xiàn)象，形狀不一。常出現(xiàn)極光的區(qū)域稱為極光區(qū)。由于來自太陽活動區(qū)的帶電高能粒子流到達(dá)地球，并在磁場作用下奔向極區(qū)，使極區(qū)高層大氣分子或原子激發(fā)或電離而產(chǎn)生光。當(dāng)太陽活動劇烈時，極光出現(xiàn)的次數(shù)也增大。美國阿拉斯加州埃爾森空軍基地拍攝到的北極光（4）對航天活動的影響：大耀斑出現(xiàn)時射出的高能量質(zhì)子，對航天活動有極大破壞性。高能質(zhì)子達(dá)到地球附近肘，特別是容易到達(dá)無輻射帶保護的極區(qū)，會影響極區(qū)飛行；如遇衛(wèi)星則對衛(wèi)星上的儀器設(shè)備有破壞作用；太陽能電池在高能質(zhì)子的轟擊下，性能會嚴(yán)重衰退以至不能工作；如遇在飛船外工作的宇航員將危及生命。三、地面波傳播環(huán)境50地波是沿著空氣和大地交界面處傳播的，因此，地面對電波傳播的影響主要表現(xiàn)為兩個方面：地面的不平坦性，當(dāng)?shù)孛嫫鸱黄降某潭认鄬τ陔姴úㄩL來說很小時，地面可近似看成是光滑地面。對于長波和中波傳播，除高山外均可視地面為平坦的。地質(zhì)的情況，主要研究它的電磁特性。地面可以被作為非磁性介質(zhì)來看待，其導(dǎo)磁率與真空中的相同，即相對磁導(dǎo)率μr=1。描述大地電磁特性的主要參數(shù)是介電常數(shù)ε（或相對介電常數(shù)εr）和電導(dǎo)率σ。地面可以被作為非磁性介質(zhì)來看待,其導(dǎo)磁率與真空中的相同。地面對無線電波傳播的影響主要是地面的介電常數(shù)、導(dǎo)電率和地面的形狀、粗糙度與覆蓋物等。右圖為不同地面的介電常數(shù)和導(dǎo)電率地面的電參數(shù)判斷某種媒質(zhì)是呈現(xiàn)導(dǎo)電性還是介電性正弦無線電波在無源、線性、各向同性、半導(dǎo)電媒質(zhì)內(nèi)傳播時，大地電參數(shù)可用復(fù)介電常數(shù)εe來表示，即式中的實部就是大地的介電常數(shù)，它反映媒質(zhì)的極化特性；式中（σ/ω）表示媒質(zhì)的導(dǎo)電性，σ≠0說明媒質(zhì)是有耗媒質(zhì)。相對復(fù)介電常數(shù)εr為傳導(dǎo)電流密度Js與位移電流密度JD之比。衡量標(biāo)準(zhǔn)時，大地具有良導(dǎo)體性質(zhì);時，可將大地視為電介質(zhì);而二者相差不大時，為半電介質(zhì)。各種地質(zhì)的值海水在中、長波波段是良導(dǎo)體，微波波段呈現(xiàn)介質(zhì)性質(zhì)；濕土和干土在長波波段呈良導(dǎo)體性質(zhì)，在短波以上就呈現(xiàn)介質(zhì)性質(zhì)；巖石幾乎在整個無線電波段都呈現(xiàn)介質(zhì)性質(zhì)。與無線電波傳播相聯(lián)系的地面電特性,取決于傳播主區(qū)內(nèi)介質(zhì)的固有電特性及其不均勻結(jié)構(gòu),一般采用等效電特性來描述。影響地面等效電特性的因素有:沿路徑的電特性不均勻分布,如陸、海、沙漠與水網(wǎng)等地區(qū),影響的主要范圍為第一個菲涅爾橢圓帶域。地表地形地物,如山脈、建筑及森林覆蓋對波的吸收、反射和散射等引起的能量衰減,以綜合效應(yīng)反映于等效電

特性參數(shù)的改變,同樣涉及傳播主區(qū)內(nèi)的分布狀況。地下分層與電波滲透深度。其中，電波滲透深度δ為(4)隨季節(jié)變化,受地溫和地濕的影響。四、對流層電波傳播大氣環(huán)境1.低層大氣中的無線電氣象參數(shù)在對流層中,一般溫度隨高度以6.5℃/km的速率下降。在對流層頂(在中國境內(nèi),一般高度為11～13

km)時,溫度不再降低,一般達(dá)到大約－56℃的恒定值。當(dāng)然,有時會出現(xiàn)特殊情況,如在對流層的局部高度范圍內(nèi)有時會出現(xiàn)溫度隨高度上升的反常情況,這種現(xiàn)象稱為溫度逆增。另外,風(fēng)、雨、雷、電等現(xiàn)象都發(fā)生在對流層內(nèi),因此對流層的另一個重要特點就是含有大量的水份,如水汽和降水(形式如雨、霧、雪、雹等)。水份主要出現(xiàn)在近地面數(shù)千米的高度范圍內(nèi),它們對電波傳播有很大的影響。57對流層氣體主要由相對穩(wěn)定的永久性氣體(如氮、氧、氬和二氧化碳)與隨時間和地點而變化的可變性氣體(如水汽和臭氧)等組成。從地面直到90

km的高度范圍,相對穩(wěn)定的永久性氣體能夠保持穩(wěn)定的比例關(guān)系。水汽主要存在于貼近地面的低層大氣。水汽所占的比例隨地區(qū)和季節(jié)的不同有所差別,但一般不會超過4%。在海洋和低緯度地區(qū)的夏天,空氣中的水汽含量高。在高緯度地區(qū)(如干旱沙漠)的冬天,水汽含量就很少。氣壓及其沿高度的分布大氣的壓強(簡稱氣壓)：是橫截面為1

cm2的面積所承受的空氣體積的重量。在海平面上,大氣壓等于底面積為1cm2、高為76

cm的水銀柱的重量。其單位為百帕

(hPa),1大氣壓=1013.25

hPa。地面上的氣壓主要與當(dāng)?shù)氐暮０胃叨扔嘘P(guān)。同一地點,氣壓也隨季節(jié)和日期而有較小的變化。由于重力的作用,氣壓沿高度基本上成指數(shù)遞降。設(shè)地面氣壓為P0,高度為h處的氣壓為P,則有M0——氣體的分子量,干燥大氣按重量比例加權(quán)平均的分子量為M0=29.0g

——重力加速度R——干空氣的氣體普適常數(shù)，R=8.314×107爾格/度/克分子T

——氣體的絕對溫度在實際工作應(yīng)用上，還必須考慮大氣是潮濕的，所以必須對上式加以濕度修正由于氣壓與高度密切相關(guān),可以用不同高度的氣壓來計算高度值。工程上,常用的具有較高精度的壓高公式為hS——當(dāng)?shù)氐孛娴暮０胃叨?，單位為mφ——當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?，單位為rad——兩大氣層間的溫、壓、濕的平均值。氣溫與溫度逆增表示溫度的方法有三種:攝氏溫度t(℃)、絕對溫度T(K)和華氏溫度F(°F)。它們之間換算關(guān)系如下：大氣的溫度與地理緯度、大氣層高度和季節(jié)有關(guān)。平均說來,

由地球的赤道向兩極方向,

緯度每增加1度(相當(dāng)于111

km的地面距離),

地面氣溫降低1℃。高度每增加1

km,氣溫下降6.5℃。地面氣溫在一年內(nèi)的變化可高達(dá)70~80℃,隨地點不同而不同。在赤道附近,海洋性地區(qū)溫差小。在高緯度地區(qū)，沙漠地區(qū)溫差大。氣溫還有周日變化,特別是在近地面大氣層。與氣壓相比,低層大氣中的溫度是變化比較大的參量。引起氣溫變化的因素有太陽熱輻射引起的熱交換、熱傳導(dǎo)、對流、平流和絕熱變化過程。太陽熱輻射攜帶的巨大熱量通過大氣照射在地面上使地面的溫度增高，地面溫度的上升使貼近地面的空氣與地面之間以熱傳導(dǎo)的方式產(chǎn)生熱交換而達(dá)到熱平衡，這使近地面的大氣溫度隨之升高,空氣密度隨之變小,致使該熱空氣團有可能上升產(chǎn)生空氣對流,把熱量帶到很高的高度。另一方面,熱氣團上升后留下的空間則為周圍較冷的空氣所取代,這樣就產(chǎn)生溫度遞增現(xiàn)象。一般在晚上會發(fā)生相反的過程。已在白天被加熱的地面向

外輻射出熱量以致降低溫度,地面溫度的大大降低致使近地面的空氣層的溫度隨之下降,而較高高度上的溫度卻相對穩(wěn)定,這樣就容易產(chǎn)生溫度的遞增現(xiàn)象,下面氣溫低,上面氣溫高,這種溫度遞增叫地面輻射逆增。在沙漠地區(qū)出現(xiàn)幅射逆增的概率較高，尤其是在晴天、日出前最甚。濕度示。濕度的表示方法有許多種。其中,在無線電波大氣環(huán)境中，常用的方法主要有三種:水汽壓、相對濕度和露點溫度。水汽壓——水汽在大氣中的分壓強稱為水汽壓,用e表相對濕度u或RH——水汽壓e與同一溫度下飽和水汽壓E的比值,表示空氣中的水汽接近飽和的程度。飽和水汽壓E是氣溫的函數(shù)，露點溫度tD——指在氣壓不變的情況下為使空間所含水汽壓達(dá)到飽和狀態(tài)所必需冷卻到的溫度。其他的表示方法絕對濕度ρ——也稱水汽密度,指單位體積內(nèi)所含水汽的質(zhì)量,單位以g/m3表示,它與水汽壓的關(guān)系為比濕q——同一容積中水汽質(zhì)量與濕空氣質(zhì)量之比,單位為

g/g,它與水汽壓e的關(guān)系為空氣中的水汽主要存在于2~3km以下的高度。在4~5km以上高度,氣溫已達(dá)到0℃以下,水已經(jīng)被冷凝成冰粒。各地區(qū)的水汽壓的大小取決于當(dāng)?shù)氐臍夂蚝妥匀坏乩頎顩r。從平均情況看,水汽壓沿高度的變化遵守如下規(guī)律：e0——地面水汽壓h

——離地高度,單位為km2.大氣折射率對流層無線電波傳播主要受大氣溫度、氣壓和濕度的影響,而大氣折射率N或大氣折射指數(shù)n在對流層中是溫度、氣壓和濕度的函數(shù),在電離層中是電子密度和無線電波工作頻率的函數(shù)。因此,無線電波傳播的環(huán)境因數(shù)主要是大氣折射率N(或大氣折射指數(shù))。大氣折射率N是大氣溫度、壓力和濕度的函數(shù),即N——大氣折射率,單位為N;p——大氣壓強,單位為hPa;T——空氣熱力學(xué)溫度,單位為K(T=273+t,其中t為空氣攝氏溫度,單位為℃);e——大氣中水汽分壓強,單位為hPa。RH為空氣相對濕度(%)，a、b、c為與空氣溫度有關(guān)的系數(shù)當(dāng)空氣溫度為露點溫度td時,有在無線電波傳播計算中,為了簡化計算,有時采用折射指數(shù)n,因此可根據(jù)下式把大氣折射率N轉(zhuǎn)化為大氣折射指數(shù)3.大氣折射率變化特點研究大氣環(huán)境對電波傳播的影響,主要是研究大氣折射率

N隨時間和地點的變化及其特點。大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明,大氣折射率N的年變化很小,可忽略不計,主要需要研究它的季節(jié)變化、日變化以及隨高度與水平距離的變化。大氣折射率N隨水平距離的變化在小范圍內(nèi),可以認(rèn)為折射率是水平均勻的,但在較大范圍內(nèi)則有明顯差異。研究對流層折射率N的水平變化,主要是研究地球表面折射率N0的變化。不同地點的海拔高度不同,經(jīng)歸算可得海平面折射率Nsea與N0有如下關(guān)系:h0為地面海拔高度，單位為kmB為統(tǒng)計常數(shù),全國B的統(tǒng)計值見表通過對根據(jù)多年的平均結(jié)果做出的全國范圍內(nèi)的地面折射率N0和海平面折射率Nsea的月平均、年平均等值線可以看出,我國地面折射率N0的變化有以下幾個特點:從東到西總的趨勢是遞減,東南沿海地面折射率N0最高,年平均值在360N單位左右。這是由于該地區(qū)受東南暖濕氣流的影響,致使全年濕度較大的結(jié)果。西藏高原地勢高,氣壓低,空氣干燥,全年降雨少,因此地面折射率N0最低,年平均值在200

N單位左右。在東部沿海地區(qū)(包括整個華東、華南、華中和華北的東部地區(qū)),地面折射率是隨緯度增加而遞減的。平均來說,每往北走一個緯度(約111

km),地面折射率減少2

N單位。在廣東近海為370

N單位,到渤海灣附近的陸地上時,地面折射率減少到330

N單位。(4)云南、貴州、四川交界地區(qū),地面折射率N0的變化最激烈。這是由于該地區(qū)海拔迅速升高,又受橫斷山脈及長江上游幾條支流的影響,造成N0的變化大,等值線稠密。廣大西北地區(qū),大部分為沙漠,地勢平坦,氣候干燥。因此,地面折射率N0較小,在270

N單位左右,其變化也較小,從南到北很有規(guī)律地從240

N變化到290

N單位。N0的最小值出現(xiàn)在南疆的塔里木盆地。海平面折射率Nsea的變化也較有規(guī)律,從東向西和從南到北都呈遞減趨勢。從西沙到漠河的變化約為60

N單位。由月平均、年平均等值線看出:海平面折射率Nsea和地面折射率N0有較大差異,這是地形復(fù)雜造成的。大氣折射研究一般使用地面折射率N0。大氣折射率N隨高度的變化通常折射率N隨高度的增加而減小。從多年的統(tǒng)計資料可知,平均折射率N

隨高度的變化大致為負(fù)指數(shù)函數(shù),即N(h)——高度h處的折射率,單位為NN0——地面折射率,單位為Nh——海拔高度,單位為km

h0——地面海拔高度,單位為kmca——指數(shù)衰減系數(shù),單位為km-1不同地區(qū)低層折射率N差異較大,但隨著高度的增加差異逐漸減小,在海拔9km處,世界上大多數(shù)地區(qū)均可取為105

N單位左右對無線電波產(chǎn)生折射影響的主要是低層大氣。因此,研究折射率隨高度的變化主要應(yīng)研究離地面1

km范圍內(nèi)N值的變化,即北京等地區(qū)上午07∶00時的ΔN1年平均值(單位為N)夏季的ΔN1值明顯大于冬季。夏季溫度較高的地區(qū)(上海、武漢等地)ΔN1值偏大,冬季拉薩的ΔN1值最小。我國ΔN1的全年平均值為39.4

N單位/km。大氣折射率N的季節(jié)變化雖然平均折射率N的年變化不大(地面平均折射率N0的年變化一般在2～3

N單位),但在一年之中N隨季節(jié)的變化卻較為明顯。由大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知,大多數(shù)地區(qū)在4月份折射率達(dá)最小值。由于春季溫度回升、雨季未到和空氣干燥,因此折射率較

小。但在沿?；蛎酚杲蹬R的地區(qū),由于濕度大,折射率有所升高。全國的N值在冬季達(dá)到全年的最小值。夏季空氣濕潤,水汽壓升高,它們對N的影響遠(yuǎn)超過溫度升高的影響,致使N值在夏季達(dá)到最大值。北京等地區(qū)在不同季節(jié)的平均地面折射率N0值(單位為N)東南沿海和長江中游的折射率變化較大，因為這些地區(qū)全年的濕度變化較大。烏魯木齊地區(qū)，雖然溫度有較大的變化，但全年降雨較少，氣候干燥，濕度變化小，故該地區(qū)折射率的全年變化仍然很小。大氣折射率N的日變化實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明,地面大氣折射率N0的日變化非常明顯,且有明顯的周期性。通常在日出前的凌晨前后達(dá)到最大值,因為此時近地面的氣溫最低,濕度較大。最小值出現(xiàn)在14∶00時前后,因為此時地面空氣的溫度最高,濕度最小。最小值不出現(xiàn)在12∶00時而推遲了2小時左右,這是因為日出后,太陽對地面加熱,它將熱量傳遞給低層大氣要經(jīng)歷一定的時間。N0日變化的幅度約為10

N單位左右,對于不同的月份有所差別,當(dāng)天氣異常時,可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此值。北京地區(qū)N0的日變化(單位為N)五、電離層電波傳播環(huán)境1.電離層的形成從平流層以上直到1000km的區(qū)域稱為電離層，是由自由電子、正離子、負(fù)離子、中性分子和原子等組成的等離子體。使高空大氣電離的主要電離源有：太陽輻射的紫外線、X射線、高能帶電微粒流、為數(shù)眾多的微流星、其它星球輻射的電磁波以及宇宙射線等，其中最主要的電離源是太陽光中的紫外線。該層雖然只占全部大氣質(zhì)量的2％左右，但因存在大量帶電粒子，所以對電波傳播有極大影響。822.電離層的結(jié)構(gòu)按照電離層中電子濃度極值區(qū)的高度,可把電離層分為幾個層次,常規(guī)狀態(tài)下各層次的主要狀態(tài)參數(shù)如表。其中,Nem為最大電子濃度,hem為最大電子濃度所在的高度。電離層的分層結(jié)構(gòu)D層是最低層，因為空氣密度較大，電離產(chǎn)生的電子平均僅幾分鐘就與其它粒子復(fù)合而消失，因此到夜間沒有日照，D層就消失了。D層在日出后出現(xiàn)，并在中午時達(dá)到最大電子密度，之后又逐漸減小。由于該層中的氣體分子密度大，被電波加速的自由電子和大氣分子之間的碰撞使電波在這個區(qū)域損耗較多的能量。D層變化的特點是在固定高度上電子密度隨季節(jié)有較大的變化。E層的高度約在90～140

km之間。電子濃度大于D層,中性分子仍占相當(dāng)比例。由于電子濃度隨太陽天頂角而變,因而存在晝夜和季節(jié)性周期變化,其變化規(guī)律大體服從余弦定律。F層是電離層中持久存在、電子濃度最大的層次,其高度約在140

km以上。夏季的白天F層可分為兩層:下面是F1層,上面是F2層。F1層高度約在140～200

km之間。F2層是電離層中持久存在的層次,也是反射高頻電波的主要區(qū)域。F2層最大電子濃度所在高度以上至數(shù)千千米的區(qū)域統(tǒng)稱為上電離層,該高度以下稱為下電離層。從F2層峰值高度以上,電子濃度緩慢遞減。在1000

km高度上，約為105個電子/cm3;在2000～3000

km處,則為102~103個電子/cm3。該區(qū)電子濃度隨季節(jié)和晝夜的變化尤為明顯。與電波傳播緊密相關(guān)的電離層參數(shù)主要是電子濃度(或稱為電子密度),即單位體積內(nèi)所含的自由電子個數(shù)。電離層的電子濃度一般隨空間和時間而變,而隨高度的分布常稱為“電子濃度剖面”。電離層電子濃度剖面的三種基本形態(tài)為單層剖面、雙層剖面和三層剖面。在短波通信及超短波測速定位系統(tǒng)中,主要考慮E層以上電離層的影響。在工程中,夜間的電子濃度一般取為單層剖面,中緯度地區(qū)夏季白天的正午前后取三層剖面,其他時間一般取雙層剖面。描述電離層剖面的主要特征參數(shù)有:電離層下邊界的高;各以及電子含量NT;度he0;各層最大電子濃度所在高度層最大電子濃度平板層厚度和半厚度。電子含量：電離層中單位面積柱體內(nèi)所含電子數(shù),又稱

“積分電子含量”或“柱電子含量”Ne——為電子濃度h0——電離層的下邊界高度h——高度hT——柱體的上頂高度為了計算方便,常將TEC分為三部分:電離層峰值以下的電子含量稱為底部電子含量(或下電離層含量),表示為BEC;從F2層峰值高度到2000

km處的稱為上電離層電子含量,表示為UEC;2000

km以上到等離子體層頂?shù)姆Q為等離子體電子含

量,表示為PEC。如將電離層的各層等效為按