空中的“魔镜”——电离层学术资讯

作者简介：赵秀宽，男，博士，中国科学院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室高级工程师。主要从事电离层数据建模、电离层参数预测、地球物理数据共享等工作。初识“魔镜” 1901年意大利发明家、无线电工程师马可尼（Marconi）率领一个小组在加拿大纽芬兰的圣约翰斯进行越洋通信试验，他使用了一个通过风筝竖起的400英尺长的天线，收听到从相隔3000公里以外的英国普尔杜横渡大西洋发来的信号，开辟了无线电远距离通信的新时代。1925年英国物理学家阿普尔顿（E. V. Appleton）和巴奈特（M. A. F. Barnett），用连续波进行了探测电离层高度的实验，他们利用变换频率的电磁波接收到来自电离层的回波，首次直接证实了电离层的存在。当电波以一定的入射角到达电离层时，它也会像光学中的反射那样以相同的角度离开电离层。对短波无线电讯号来说，电离层就像一面高悬天上、能反射无线电波的“大镜子”。电波从天线发出后可以沿着不同路径传播到接收点，一般有地波传播方式、天波传播方式，还有一些其他的传播方式。无线电通讯主要是使用高频与中频高端和甚高频低端的电磁波，经电离层反射送到地面接收点的天波传播方式。电离层对无线电波的作用与光通过玻璃类似，可以被反射回来，或透射出去，还有一部分被吸收。无线电波进入电离层时其方向会发生改变，出现“折射”。因为电离层折射效应的积累，电波的入射方向会连续改变，最终会“拐”回地面。当电波以一定的入射角到达电离层时，它也会像光学中的反射那样以相同的角度离开电离层。对短波无线电讯号来说，电离层就像一面高悬天上、能反射无线电波的“大镜子”。认识电离层我们通常认识的大气分层是按大气温度随高度分布的特征，把大气分成对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。如果按大气电离状况分层，可分为中性层和电离层。按大气运动受地磁场控制情况，可分有磁层。地球上空的大气按照不同的性质进行分层，可以有不同的分法和名称电离层是一个环绕地球的带电粒子层，是含有相当浓度的自由电子和离子的电离化区域。这个区域的高度一般为离地面60公里到1000公里。电离层介质是由电子、正离子、负离子和中性粒子组成的气体混合物。这种含有带电粒子的气体浸在地磁场中，带电粒子的运动必然受到地磁场的约束，而且电离层的电子密度会随着高度而变化。