第10章天波传播.ppt

第10章 天波传播,10.1 电离层概况 10.2 无线电波在电离层中的传播 10.3 短波天波传播 10.4 中波天波传播的介绍,10.1 电离层概况,10.1.1 电离层的结构特点 包围地球的是厚达两万多千米的大气层，大气层里发生的运动变化对无线电波传播影响很大，对人类生存环境也有很大影响地面上空大气层概况如图10―1―1所示，在离地面约10～12km（两极地区为8～10km，赤道地区达15～18km）以内的空间里，大气是相互对流的，称为对流层由于地面吸收太阳辐射（红外、可见光及波长大于300nm的紫外波段）能量，转化为热能而向上传输，引起强烈的对流对流层空气的温度是下面高上面低，顶部气温约在-50℃左右对流层集中了约3/4的全部大气质量和90％以上的水汽，几乎所有的气象现象如下雨、下雪、打雷闪电、云、雾等都发生在对流层内离地面大约10～60km的空间，气体温度随高度的增加而略有上升，但气体的对流现象减弱，主要是沿水平方向流动，故称平流层平流层中水汽与沙尘含量均很少，大气透明度高，很少出现像对流层中的气象现象对流层中复杂的气象变化对电波传播影响特别大，而平流层对电波传播影响很小从平流层以上直到1000km的区域称为电离层，是由自由电子、正离子、负离子、中性分子和原子等组成的等离子体。

使高空大气电离的主要电离源有：太阳辐射的紫外线、X射线、高能带电微粒流、为数众多的微流星、其它星球辐射的电磁波以及宇宙射线等，其中最主要的电离源是太阳光中的紫外线该层虽然只占全部大气质量的2％左右，但因存在大量带电粒子，所以对电波传播有极大影响从电离层至几万千米的高空存在着由带电粒子组成的两个辐射带，称为磁层磁层顶是地球磁场作用所及的最高处，出了磁层顶就是太阳风横行的空间在磁层顶以下，地磁场起了主宰的作用，地球的磁场就像一堵墙把太阳风挡住了，磁层是保护人类生存环境的第一道防线而电离层吸收了太阳辐射的大部分X射线及紫外线，从而成为保护人类生存环境的第二道防线平流层内含有极少量的臭氧（O3），太阳辐射的电磁波进入平流层时，尚存在不少数量的紫外线，,这些紫外线在平流层中被臭氧大量吸收，气温上升在离地面25km高度附近，臭氧含量最多，所以常常称这一区域为臭氧层臭氧吸收了有害人体的紫外线，组成了保护人类生存环境的第三道防线臭氧含量极少，其含量只占该臭氧层内空气总量的四百万分之一，臭氧的含量容易受外来因素的影响图10―1―1 地面上空大气层概况,大气电离的程度以电子密度N（电子数/m3）来衡量地面电离层观测站以及利用探空火箭、人造地球卫星对电离层的探测结果表明，电离层的电子密度随高度的分布如图10―1―1所示。

电子密度的大小与气体密度及电离能量有关气体在90km以上的高空按其分子的重量分层分布，如在300km高度上面主要成分是氮原子，在离地90km以下的空间，由于大气的对流作用，各种气体均匀混合在一起，如图10―1―2所示对每层气体而言，气体密度是上疏下密，而太阳照射则上强下弱，因而被电离出来的最大电子密度将出现在几个不同的高度上，每一个最大值所在的范围叫做一个层，由下而上我们分别以D、E、F1、F2等符号来表示，电离层各层的主要数据见表10―1―1表10―1―1 电离层各层的主要参数,表中的半厚度是指电子密度下降到最大值一半时之间的厚度，临界频率是指垂直向上发射的电波能被电离层反射下来的最高频率各层反射电波的大致情况如图10 ― 1―3所示图10―1―2 大气的分层现象,图10―1―3 长、中、短波从不同高度反射,D层是最低层，因为空气密度较大，电离产生的电子平均仅几分钟就与其它粒子复合而消失，因此到夜间没有日照，D层就消失了D层在日出后出现，并在中午时达到最大电子密度，之后又逐渐减小由于该层中的气体分子密度大，被电波加速的自由电子和大气分子之间的碰撞使电波在这个区域损耗较多的能量D层变化的特点是在固定高度上电子密度随季节有较大的变化。

E层是电离层中高度大约在90～150km间的区域，可反射几兆赫的无线电波，在夜间其电子密度可以降低一个量级 F层在夏季白天又分为上下两层，170～200km高度为F1层，200km高度以上称F2层在晚上，F1与F2合并为一层F2层的电子密度是各层中最大的，在白可达2×1012个/m3，冬天最小，夏天达到最大F2层空气极其稀薄，电子碰撞频率极低，电子可存在几小时才与其它粒子复合而消失F2层的变化很不规律，其特性与太阳活动性紧密相关10.1.2 电离层的变化规律 天波传播和电离层的关系特别密切，只有掌握了电离层的运动变化规律，才能更好地了解天波传播由于大气结构和电离源的随机变化，电离层是一种随机的、色散、各向异性的半导电媒质，它的参数如电子密度、分布高度、电离层厚度等都是随机量，电离层的变化可以区分为规则变化和不规则变化两种情况，这些变化都与太阳有关1．电离层的规则变化 太阳是电离层的主要能源，电离层的状态与阳光照射情况密切相关，因此电离层的规则变化有以下4种： （1）日夜变化日出之后，电子密度不断增加，到正午稍后时分达到最大值，以后又逐渐减小夜间由于没有阳光照射，有些电子和正离子就会重新复合成为中性气体分子，D层由于这种复合而消失；E层仍然存在，但其高度比白天低，电子密度比白天小；F1层和F2层合并称为F层且电子密度下降。

到拂晓时各层的电子密度达到最小一日之内，在黎明和黄昏时分，电子密度变化最快2）季节变化由于不同季节，太阳的照射不同，故一般夏季的电子密度大于冬季但F2层例外，F2层冬季的电子密度反而比夏季的大，并且在一年的春分和秋分时节两次达到最大值，其层高度夏季高冬季低这可能是由于F2层的大气在夏季变热向高空膨胀，致使电子密度减小的缘故F1层多出现在夏季白天3）随太阳黑子11年周期的变化太阳黑子(Sunspot)是指太阳光球表面有较暗的斑点，其直径一般有105km或更大由于太阳温度极高，它的运动变化极其猛烈，可以极粗浅地把太阳黑子类比于地球上的火山爆发，当然，黑子运动的猛烈程度是火山爆发的亿万倍，从地球上看，当中是巨大的旋涡，黑子上巨大的旋风将大量带电粒子向上喷射，体积迅速膨胀因而使温度下降，比太阳表面一般的温度低一千多摄氏度因此看上去中间部分形成凹坑，颜色较暗，故称黑子太阳黑子数与太阳活动性之间有着较好的统计关系，人们常常以黑子数的多少作为“太阳活动”强弱的主要标志黑子数目增加时，太阳辐射的能量增强，因而各层电子密度增大，特别是F2层受太阳活动影响最大黑子的数目每年都在变化，但根据天文观测，它的变化也有一定的规律性，太阳黑子的变化周期大约是11年，如图10―1―4所示。

因此电离层的电子密度也与这11年变化周期有关图10―1―4 太阳黑子数随年份的变化,（4）随地理位置变化由于地理位置不同，太阳光照强度也不相同在低纬度的赤道附近，太阳光照最强，电子密度最大越靠近南北极，太阳的光照越弱，电子密度也越小我国处于北半球，南方的电子密度就比北方的大2．电离层的不规则变化 电离层的不规则变化是其状态的随机的、非周期的、突发的急剧变化，主要有以下3种： （1）突发E层（或称Es层）有时在E层中约120km高度会出现一大片不正常的电离层，其电子密度大大超过E层，有时比正常E层高出几个数量级，有时可反射50～80MHz的电波因此当突发E层时，将使电波难以穿过Es层而被它反射下来，产生“遮蔽”现象，对原来由F层反射的正常工作造成影响，使定点通信中断一般Es层仅存在几个小时，在我国夏季出现较频繁，在赤道和中纬度地区，白天出现的概率多于晚上，而高纬度地区则相反另外，在黑子少的年份里，突发E层多图10―1―5 电离层骚扰时电子密度增大,（2）电离层突然骚扰(Sudden Ionospheric Disturbances)太阳黑子域常常发生耀斑爆发，即太阳上“燃烧”的氢气发生巨大爆炸，辐射出极强的X射线和紫外线，还喷射出大量的带电微粒子流。

当耀斑发生8分18秒左右，太阳辐射出的极强X射线到达地球，穿透高空大气一直达到D层，使得各层电子密度均突然增加，尤其D层可能达到正常值的10倍以上，如 图10―1―5所示突然增大的D层电子密度将使原来正常工作的电波遭到强烈吸收，造成信号中断由于这种现象是突然发生的，有时又称它为D层突然吸收现象图10―1―5,一般电离层骚扰发生在白天，由于耀斑爆发时间很短，因此电离层骚扰持续时间不超过几分钟，但个别情况可持续几十分钟甚至几个小时3）电离层暴(Ionospheric Storm)太阳耀斑爆发时除辐射大量紫外线和X射线外，还以很高的速度喷射出大量带电的微粒流即太阳风，速度约几百上千km/s，到达地球需要30h左右当带电粒子接近地球时，大部分被挡在地球磁层之外绕道而过，只有一小部分穿过磁层顶到达磁层带电粒子的运动和地球磁场相互作用使地球磁场产生变动，比较显著的变动称作磁暴带电粒子穿过磁层到达电离层，使电离层正常的电子分布发生剧烈变动，称之为电离层暴，其中F2层受影响最大，它的厚度扩展，有时电子密度下降，有时却使电子密度增加，最大电子密度所处高度上升当出现电子密度下降的情况时，将使原来由F2层反射的电波可能穿过F2层而不被反射，造成信号中断。

电离层暴的持续时间可从几小时到几天之久由于太阳耀斑爆发喷射出的带电粒子流的空间分布范围较窄，因此在电离层骚扰之后不一定会随之发生电离层暴电离层的异常变化中对电波传播影响最大的是电离层骚扰和电离层暴例如2001年4月份多次出现太阳耀斑爆发，发生近年来最强烈的X射线爆发，出现极其严重的电离层骚扰和电离层暴，造成我国满洲里、重庆等电波观测站发射出去的探测信号全频段消失，即较高频率部分的信号因电子密度的下降而穿透电离层飞向宇宙空间，较低频率部分的电波因遭受电离层的强烈吸收而衰减掉其它电波观测站的最低起测频率比正常值上升3～5倍，临界频率下降了50%电离层暴致使短波通信、卫星通信、短波广播、航天航空、长波导航、雷达测速定位等信号质量大大下降甚至中断10.1.3 电离层的等效电参数 在电波未射入电离层之前，电离层中的中性分子和离子与电子一起进行着漫无规律的热运动当电波进入电离气体时，自由电子在入射波电场作用下作简谐运动一般情况下，运动中的电子还将与中性分子等发生碰撞，将它由电波得来的能量转移给中性分子，变成热能损耗，这种损耗叫做媒质的吸收损耗设 v 为电子运动速度，e为电子电量，m为电子质量，υ为碰撞频率(υ表示一个电子在1秒钟内与中性分子的平均碰撞次数)，并设碰撞时电子原有动量全部转移给中性分子，故每秒钟动量的改变为m v υ，则电子运动方程为,对于谐变电磁场，上式可改写为,由此可得,(10―1―1),(10―1―2),(10―1―3),因为电子运动形成的运流电流密度为,(10―1―4),所以电离层中的麦克斯韦第一方程为,(10―1―5),式中,(10―1―6),(10―1―7),(10―1―8),当考虑地磁场的影响时，电子不仅受到入射电场的作用，还要受到地磁场的作用，其作用力为,(10―1―9),FB称为洛仑兹力。

式中，v为电子的运动速度； B0为地磁场的磁感应强度由上式可知，当电子沿入射波电场方向运动时，若电场方向与地磁场方向一致，则FB=0，地磁场对电子运动不产生任何影响若电场方向与地磁场方向垂直，则FB值最大，电子将围绕地磁场的磁力线以磁旋角频率ωH=eB0/m作圆周运动显然，不同的电波传播方向和不同的极化形式，都会引起不同的电子运动情况，表现出不同的电磁效应这时电离层就具有各向异性的媒质特性，等效介电常数具有张量的性质向任意方向传播的一个无线电波可以看成是两个无线电波的叠加：一个电波的电场与地磁场平行，另一个电波的电场与地磁场垂直，因为地磁场对它们的影响不同，使它们的传播速度也变得不同，因而这两个波在电离层中有不同的折射率和不同的传播轨。