电离层

来源：未知作者：佚名发布时间：2023-02-01 05:48:12

[拼音]：dianliceng

[外文]：ionosphere

地球大气的一个电离区域，高度范围大约在60～1000公里。由于太阳紫外线、X射线和高能粒子等的作用，60公里以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态。磁层是完全电离的大气区域，而电离层是部分电离的大气区域。在电离层中，含有足够多的自由电子，能显著地影响无线电波的传播。同时，这部分大气相对稠密，没有完全电离，带电粒子和中性分子的碰撞频繁，因而电子运动仍在很大程度上受这种碰撞的控制或影响。某些情况下，单从电离角度来看，也有人把整个电离的地球大气叫做电离层，这样就把磁层也看作是电离层的一部分。除地球之外，金星、火星和木星都有电离层（见行星电离层）。

研究简史

19世纪，为了解释地磁场的变化，C.F.高斯和开尔文(Kelvin)等曾提出高空存在导电层的设想；斯图尔特(B. Stewart)甚至提出由风激起导电层中电流的设想。1901年，马可尼(G.Marconi)成功地进行了横越大西洋的无线电波传输实验，它不仅在无线电通讯史，而且在利用无线电波探测电离层的发展史上揭开了新的一页。1902年肯内利（A.E.Kennelly）和亥维赛（O.Hea-viside）就认为高层大气中的导电层可能反射无线电波。1924年，英国的Sir E.V.阿普尔顿等通过向上发射变换频率的无线电波得到回波而直接证实了电离层的存在，次年美国的布雷特(G.Breit)和图夫(M.A. Tuve)也独立地接收到来自电离层的回波，布雷特等人使用了垂直向上发射无线电脉冲的方法，成为后来电离层垂直探测方法的基础。1926年，英国人沃森-瓦特(R.A.Watson-Watt)则首次提出了“电离层”这一名称。从20世纪20年代开始，人们在电磁波和电离气体相互作用的理论和实验研究方面进行了大量的工作。

1925～1932年间，阿普尔顿和哈特里 (D.R.Hartree)等人创立了磁离子理论，为研究电波在电离层中的传播奠定了理论基础。1931年S.查普曼又提出电离层形成理论，这样就揭开了电离层中各种动力过程研究的序幕。随着研究的深入，人们利用各种形式的电波传播探测方法对电离层进行了广泛的探测（见电离层探测）。特别是50年代以来，火箭和卫星的应用，使直接探测得以实现，获得了上部电离层的大量资料（见电离层直接探测、电离层顶部探测）。

1936年，中国在上海进行了日偏食期间的电离层探测。1946～1949年，武昌、兰州、重庆等地建立了电离层垂直探测站。1949年以后，先后增设了乌鲁木齐、满洲里、长春、北京、广州和海口等站，形成了中国电离层垂直探测网，积累了大量资料。1957年以来，探测站逐步实现了自动化，还进行了火箭和卫星对电离层的间接探测和直接探测。在此基础上，建立了电波传播的预报服务，较广泛地开展了电离层物理及电波传播研究。

结构和形态

表征电离层特征的主要参量是电子密度。依据电子密度随高度的分布特征，电离层分为 D层、E层和F层。白天F层又分为F1层和F2层。各层电子密度峰值分别处于90、110、180和300公里附近，最大电子密度可达106厘米-3(见电离层结构)。电离层的分层结构只是电离层状态的理想描述，实际上电离层总是随经度、纬度呈现着复杂的空间变化，并且有周日、季节和年变化（见电离层形态）。当太阳活动剧烈时，还会发生电离层骚扰。电离层作为地球大气的组成部分，时刻处于不停的运动之中。这种运动又在电离层中激发不稳定性过程和不均匀结构。

为了描述电离层状态的时空变化，人们建立了各种电离层模式，包括解析模式和经验模式。自1978年起，国际无线电科学联盟(URSI)和空间研究委员会(COSPAR)不定期颁布电离层经验模式（称国际参考电离层），由它可以计算各种电离层参量在任何时刻的全球分布，以供电离层研究和工程部门应用（见电离层模式）。

电离层和电波传播

电离层对人类经济活动的重大意义首先是和它对电波传播的影响联系在一起的，这涉及到无线电通讯、广播、无线电导航、雷达定位等方面的应用。受影响的波段从极低频(ELF)直到甚高频(UHF)。当然受到影响的机制和程度各不相同，对很低的频率，在地面和电离层之间无线电波以波导模传播；即使对很高的频率，电离层中的不均匀结构仍可使卫星和地面通信信号的相位和幅度产生随机起伏(或称闪烁)。不过，影响最大的仍然是中波和短波段，在中波和短波段，电离层作为一种传播介质使电波受到折射、反射、散射并损失它的一部分能量于介质中。此外，还使电波信号发生频率漂移以及相位和偏振状态的改变。对于强的无线电波，还会出现电离层非线性现象，即强无线电波可以影响电离层的某些参量，例如改变电子温度。受了电波影响的介质反过来再作用于电波，从而使电波受到的影响和磁离子理论的预言不同（见电离层无线电波传播）。