电离层定义、分层、异常、扰动与TEC


  • 电离层的定义  

根据美国电气和电子工程师协会(IEEE)的定义,电离层是指地面 60km 以上到磁层顶之间的整个空间,在那里存在着大量的自由电子,足以影响无线电波的传播。电离层中存在的大量电子,使得穿过其中的无线电波传播方向、速度、相位、振幅及偏振状态等发生变化。电离层对无线电信号的影响大小主要取决于信号传播路径上电子的总含量及其变化率,与电离层的各种物理与化学变化密切相关。

电离层的物理与化学变化受到太阳电磁辐射、微粒辐射、磁场扰动、地磁场变化及高层大气运动等多种因素的综合控制表现出复杂的变化特征,使得人们在现有认识水平下难以在时间与空间域上实现电离层的精确建模。 

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电离层与太阳、磁层关系图



  • 分层结构

太阳辐射对不同高度不同成分的空气分子电离造成电离层不同的分层:

D层:D层是电离层最低的一层,离地球表面50100公里。这里主要是波长为121.5纳米的来曼氢光谱线的光电离一氧化碳。在太阳活动非常强烈时(超过50个黑子),硬X射线还可以电离空气中的氮气和氧气的分子。夜间宇宙射线造成一个剩余电离。这个层里离子对自由电子的捕获率比较高,因此电离效应比较低,从而它对高频无线电波没有影响。日间这里自由电子与其它粒子的碰撞率约为每秒1000万次。10MHz以下的电波会被D层吸收,随着电波频率的增高这个吸收率下降。夜间这个吸收率最低,中午最高。日落后这个层减弱非常大。D层最明显的效应是白天远处的中波电台收不到。

E层:E层是中层,在地面上100150公里。这里的电离主要是软X射线和远紫外线对氧气分子的电离。这个层只能反射频率低于10MHz的电波,对频率高于10MHz的电波它有吸收的作用。E层的垂直结构主要由电离和捕获作用所决定。夜间E层开始消失,因为造成电离的辐射消失了,由于捕获在低处比较强,因此其高度开始上升。高空周日变化的风对E层也有一定影响。随着夜间E层的升高,电波可以被反射到更加远的地方。

F层:F层在地面以上150至超過500公里。在这里太阳辐射中的强紫外线(波长10100纳米)电离单原子氧。F层对于电波传播来说是最重要的层。夜间F层合并为一个层,白天分为F1F2两个层。大多数无线电波天波传送是F层形成的。在白天F层是电离层反射率最高的层。  

电离层电子密度分布图

电离层电子密度分布示意图  


  • 电离层异常

实际上电离层不像上面所叙述的那样由规则的、平滑的层组成。实际上的电离层由块状的、云一般的、不规则的电离的团或者层组成。

冬季异常:夏季由于阳光直射中纬度地区的F2层在白天电离度加高,但是由于季节性气流的影响夏季这里的分子对单原子的比例也增高,造成离子捕获率的增高。这个捕获率的增高甚至强于电离度的增高。因此造成夏季F2层反而比冬季低。这个现象被称为冬季异常。在北半球冬季异常每年都出现,在南半球在太阳活动低的年度里没有冬季异常。

赤道异常:在地球磁赤道左右约±20度之间F2层形成一个电离度高的沟,这个现象被称为赤道异常。其形成原因如下:在赤道附近地球磁场几乎水平。由于阳光的加热和潮汐作用电离层下层的等离子上移,穿越地球磁场线。这在E层形成一个电流,它与水平的磁场线的相互作用导致磁赤道附近±20度之间F层的电离度加强。

 

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朝阳面电离层里的电流

 


  • 电离层扰动

X射线:太阳活跃时期强烈的耀斑发生时硬X射线会射击到地球。这些射线可以一直穿透到D层,在这里迅速导致大量自由电子,这些电子吸收高频(3-30MHz)电波,导致无线电中断。与此同时及低频(3-30kHz)会被D层(而不是被E层)反射(一般D层吸收这些信号)。X射线结束后D层电子迅速被捕获,无线电中断很快就会结束,信号恢复。

质子:耀斑同时也释放高能质子。这些质子在耀斑爆发后15分钟至2小时内到达地球。这些质子沿地球磁场线螺旋在磁极附近撞击地球大气层,提高D层和E层的电离。极冠吸收可以持续一小时至数日,平均持续2436小时。

地磁风暴:地磁风暴是地球磁场暂时的、剧烈的骚扰。地磁风暴时F2层非常不稳定,会分裂甚至完全消失。在极地附近会有极光产生。

 



  • 电离层TEC

电离层电子浓度总含量(TEC)又称电离层电子浓度柱含量、积分含量等,是一个非常重要的电离层参量,对电离层物理的理论研究及电离层电波传播的应用研究均具有十分重要的意义。理论上,TEC的空间分布及时间变化,反映了电离层的主要特性,因此,通过探测与分析电离层TEC参量,可以研究电离层不同时空尺度的分布与变化特性,如电离层扰动,电离层的周日、逐日变化,电离层年度变化,以及电离层的长期变化等。

无线电波穿越大气层的时候,会被折射,从而引起相对于真空环境的附加时间延迟,从而严重影响导航、定位、授时登以无线电测量为基本手段的空间应用系统的精度,其中电离层是GNSS的最大误差源。对于电离层此误差与电波的频率以及电波传播链路上的TEC相关,根据此特点,可以进一步反演许多空间天气事件,如太阳耀斑、电离层暴等。随着GNSS的使用,采用GNSS观测量获取电离层TEC参量成为当前最为重要的和广泛采用的方法。

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电离层TEC的定义及其与卫星导航观测的关系

电离层影响

电离层对人类活动的影响示意图