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第四章电离层第一节电离层概述第二节主要物理过程第三节电磁波在电离层中的传播第四节对电波传播的影响因素第五节电离层探测电离层概述研究历史1.19世纪80年代，为解释地磁观测中规则的日变化，预测高空中可能存在一个电流体系。2.20世纪初，短波越洋传播试验成功，人们再次提出高空中存在一个导电的且能反射电波的层结。3.20年代中叶，Appleton和Tuve等先后用垂直投射的电波脉冲接收到电离层回波，可以说这是首次成功的电离层探测。4.40年代末期发射了第一批高空探测火箭，随后是一系列的火箭和卫星对电离层、热层环境的直接测量，或通过电波传播及卫星大气阻力进行间接测量；地面则开展了高频波段大功率的相干散射或非相干散射雷达的研究，并通过大功率电波及人工释放钡云、电子束手段等开展主动实验。电离层定义地球大气被电离的部分称为电离层；高度范围：60~1000km；主要电离源：太阳的极紫外线、软X射线和带电粒子。电离层电子数密度变化电离层垂直分层D层：电离层的最低层，60~90km。主要电离源是太阳的拉曼辐射和软射线辐射。夜间D层基本消失。E层：90~160km，电子密度峰值在110km附近，主要电离源是太阳紫外线和软射线。F层：160km以上，电子密度峰值在300km左右，主要电离源F1（160~180）30.4nm的太阳紫外辐射，F2太阳远紫外辐射。电离层各层各电离层高度上的离子分布电离层水平结构电离层不规则性除了分层结构外，还存在各种空间尺度的高密度“斑”和低密度“泡”，统称为不规则性，或不均匀结构；最显著的两个不规则结构是散见E层和扩展F层。扩展F层(Spread-F)F区的不均匀结构，尺度范围从几厘米到几百公里。电子数密度较其背景低2个数量级。散见E层(SporadicE)在90~120km高度经常出现的不均匀结构，厚度约3~5km，水平尺度约几十至上百公里，宽度只有0.6~2km。电子数密度较其背景大10倍。电离层主要物理过程主要物理过程热力学动力学光化学电磁学复合电离辐射吸收焦耳加热环流潮汐漂移电流光化学过程-电离层的形成中性大气碰撞电离层碰撞+电磁磁层电磁吸收光子碰撞电离离子碰撞复合电磁波在电离层中的传播电磁波在电离层中的传播传播途径：地波、天波和视距传播无线电波频段的划分地波（groundwave)定义：沿地球表面附近的空间传播的无线电波。原理：根据波的衍射特性，绕过障碍物。长波、中波和中短波易于传播，短波和微波难于传播。优点：稳定性高，不受昼夜影响。缺点：传播过程中能量损失，且频率越高损失越大。因此，中短波传播距离不大。长波成本高。天波（skywave)定义：依靠电离层的反射来传播的无线电波。原理：反射或多次反射。优点：对短波吸收少，最适宜短波传播。缺点：对长波吸收强，稳定性差，夜间中波、中短波信号好。视距传播定义：依靠发射天线与接收天线之间的直视的传播方式。空间波属于此种传播方式。原理：近似直线传播。优点：适宜不能被电离层反射的超短波和微波传播缺点：传播距离近，易受高山和高大建筑阻挡，为了加大传输距离，必须架高天线。各种无线电波的传播电磁波在电离层中的传播原理传播形式：反射或多次反射；最大可用频率（MUF):在通讯距离给定情况下，地面短波通讯所能使用的最大频率。吸收限制的频率（ALF):可用频带的最低限制，低于此频率，电磁波将被D层吸收。传播原理典型的短波传播路径简单传播模式天线仰角为4°，E、F层的高度分别是100km和300km，则跳跃长度分别为1800km和3200km多种传播模式可用频率范围如果频率接近ALF，则可能在D区遇到吸收；如果频率高于EMUF,则传播穿过F层。仰角固定，频率增加频率固定，仰角增加影响电磁波在电离层传播的因素电离层不均匀结构：电离层扰动：突发电离层骚扰电离层暴极盖吸收事件电离层日变化电离层闪烁由于电离层存在不规则性结构，当电磁波通过时，使信号的幅度和相位发生变化，称为电离层闪烁。当散见E层出现时可能的路径电离层扰动突发电离层骚扰：太阳耀斑→紫外和X射线突增→向阳面电离层电离增强→短波和中波无线电信号衰落甚至完全中断；电离层暴：地磁场发生全球性变化时，电离层状态发生的急剧变化称为电离层暴。正常形态打乱，使得通信适用频率的选择困难。极盖吸收事件：太阳耀斑→高能质子沿磁力线沉降极盖区上层大气→50~90km电子数密度大大增加→强烈吸收极盖区的短波信号。短波吸收在甚低频端最严重电离层暴电离层暴的影响电离层暴的影响极盖吸收事件极盖吸收事件效应电离层的日、夜变化信号相位变化，导致导航误差最高和最低可用频率变化影响微波遥感信号被吸收，通讯中断数字通讯误码时间同步问题不均匀结构和扰动对电磁传播的效应重要性电离层探测间接探测/地面探测雷达电离层测高仪直接探测卫星探测火箭探测