第一讲 内容概要+近地空间环境

1、Radio Wave Propagation 无线电波传播无线电波传播 第一讲第一讲 内容概要内容概要 电波传播环境与近地空间电波传播环境与近地空间 参参 考考 教教 材材 刘选谋，无线电波传播，高教出版社，刘选谋，无线电波传播，高教出版社， 19871987 吕保维，无线电波传播理论及其应用，科吕保维，无线电波传播理论及其应用，科 学出版社，学出版社，20052005 焦培南，雷达环境与电波传播特性，电子焦培南，雷达环境与电波传播特性，电子 工业出版社，工业出版社，20072007 J. A. Kong, J. A. Kong, 电磁波理论电磁波理论 电波传播环境与近地空间电波传播环境与近地

2、空间 波动现象与波动方程波动现象与波动方程 电磁波基础理论电磁波基础理论 多普勒频移多普勒频移 色散色散 介电常数介电常数 介质类型介质类型 内容概要内容概要 近地区域中性介质中的电波传播近地区域中性介质中的电波传播 近地区域离化介质中的电波传播近地区域离化介质中的电波传播 电离层中的电波传播电离层中的电波传播 电波传播的应用电波传播的应用 内容概要内容概要 电磁波与无线电波电磁波与无线电波 自然界人为或自然产生的电磁波通过各种不同自然界人为或自然产生的电磁波通过各种不同 媒质传播的过程，称为无线电波传播。媒质传播的过程，称为无线电波传播。 光波？光波？ 激光通信激光通信 无线电波使用的频段一

3、般分布在几赫兹到几百无线电波使用的频段一般分布在几赫兹到几百 千兆赫兹，波长从极长波到毫米波段千兆赫兹，波长从极长波到毫米波段 电磁波的频谱电磁波的频谱 无线电波频段无线电波频段 几个重要人物：几个重要人物： 麦克斯韦麦克斯韦：18311831年年6 6月出生于英国爱丁堡。月出生于英国爱丁堡。 麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的 伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、 毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实 验成果，验成果，18731873年建立了第一个完整的电

4、磁理论体年建立了第一个完整的电磁理论体 系，系，不仅科学地不仅科学地预言了电磁波的存在，预言了电磁波的存在，而且而且揭示揭示 了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理 学的又一次大综合学的又一次大综合。这一理论自然科学的成果，。这一理论自然科学的成果， 奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业 的基础。的基础。 赫兹赫兹：德国物理学家，生于汉堡。德国物理学家，生于汉堡。 赫兹对人类最伟大的贡献是赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的用实验证实了电磁波的 存在。存在。 18881888年年1 1月，赫兹

5、将他的研究成果总结在月，赫兹将他的研究成果总结在论动电效论动电效 应的传播速度应的传播速度一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世 界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论， 至此才取得决定性的胜利。至此才取得决定性的胜利。 18881888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的 发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的 真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。

6、 赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄 以更大期望时，他却于以更大期望时，他却于18941894年元旦因血中毒逝世，年仅年元旦因血中毒逝世，年仅 3636岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字“赫兹赫兹”来来 命名各种波动频率的单位。命名各种波动频率的单位。 马可尼马可尼：人类无线电通信的创始人人类无线电通信的创始人意大利的意大利的 马可尼（马可尼（Marconi,G.W., 1874Marconi,G.W., 187419371937）与俄国的与俄国的 波波夫（波波夫（oo,A.C. 1859oo,A.C.

7、 185919061906）成功地进成功地进 行了世界上最早的无线电通讯活动行了世界上最早的无线电通讯活动，开创了人类，开创了人类 通讯的新纪元。通讯的新纪元。 意大利意大利人马可尼人马可尼19011901年向新来临的年向新来临的2020世纪奉世纪奉 献上的珍贵礼品是一项科技创新与发明献上的珍贵礼品是一项科技创新与发明成功成功 地进行了地进行了首次无线电通讯首次无线电通讯，无线电技术的大发展，无线电技术的大发展 从而成为从而成为2020世纪的热门事情。世纪的热门事情。19061906年，美国物理年，美国物理 学家费森登发明无线电广播学家费森登发明无线电广播，使无线电波进入千，使无线电波进入千

8、家万户，预示着一个信息时代的肇始。家万户，预示着一个信息时代的肇始。 无线电通讯是利用电磁波的辐射和传播、经过空间传送信息的通信方式。无线电通讯是利用电磁波的辐射和传播、经过空间传送信息的通信方式。 18311831年，英国法拉第发现电磁感应年，英国法拉第发现电磁感应。18651865年，英国麦克斯韦从理论上预言了年，英国麦克斯韦从理论上预言了 电的任何波动可以在远处产生感应即电的任何波动可以在远处产生感应即电磁波的存在电磁波的存在、并且电磁波能够从产生、并且电磁波能够从产生 的地方以光的速度辐射出去，但他本人未能亲自作出实验验证。的地方以光的速度辐射出去，但他本人未能亲自作出实验验证。188

9、71887年，德年，德 国物理学家赫兹（国物理学家赫兹（Hertz,H.R., 1857Hertz,H.R., 185718941894）利用静电的火花放电实验，利用静电的火花放电实验， 证明了电磁波的存在证明了电磁波的存在，激起了人们利用电磁波的念头，而赫兹却英年早逝，激起了人们利用电磁波的念头，而赫兹却英年早逝， 未能在电磁波的应用技术方面开展科研工作。敏感的发明家们已经意识到电未能在电磁波的应用技术方面开展科研工作。敏感的发明家们已经意识到电 磁波可以用于无线电通讯。以意大利的马可尼和俄国的波波夫为代表的科学磁波可以用于无线电通讯。以意大利的马可尼和俄国的波波夫为代表的科学 家、发明家，

10、在前人已掌握的电磁学和电磁波知识的基础上，大胆探索、奋家、发明家，在前人已掌握的电磁学和电磁波知识的基础上，大胆探索、奋 勇实践，开启了电磁波应用的大门并开创了无线电通信这门新技术。勇实践，开启了电磁波应用的大门并开创了无线电通信这门新技术。 意大利人马可尼意大利人马可尼19011901年向新来临的年向新来临的2020世纪奉献上的珍贵礼品是一项科技世纪奉献上的珍贵礼品是一项科技 创新与发明创新与发明成功地进行了首次无线电通讯，成功地进行了首次无线电通讯，无线电技术的大发展从而成无线电技术的大发展从而成 为为2020世纪的热门事情。世纪的热门事情。19061906年，美国物理学家费森登发明无线电

11、广播，使无年，美国物理学家费森登发明无线电广播，使无 线电波进入千家万户，预示着一个信息时代的肇始。线电波进入千家万户，预示着一个信息时代的肇始。 电波传播方式电波传播方式 地球高层大气的垂直分层结构地球高层大气的垂直分层结构地球空间环境概述地球空间环境概述 对流层：温度以每公里大约对流层：温度以每公里大约1010 的梯度随高度递降，的梯度随高度递降， 直至直至10-12 km10-12 km，达到温度极小值，对应对流层顶。，达到温度极小值，对应对流层顶。 平流层：又称同温层，事实上，平流层的温度随高平流层：又称同温层，事实上，平流层的温度随高 度上升而平缓增高，由于臭氧对太阳紫外辐射的吸度上

12、升而平缓增高，由于臭氧对太阳紫外辐射的吸 收，在约收，在约50 km50 km高度有一个温度极大值，对应平流层高度有一个温度极大值，对应平流层 顶。顶。 中层：温度再次随高度而递降，至中层：温度再次随高度而递降，至80-85 km80-85 km，又出，又出 现一个温度极小值，对应中层顶。现一个温度极小值，对应中层顶。 热层：中层之上，太阳紫外辐射导致温度梯度为正热层：中层之上，太阳紫外辐射导致温度梯度为正 值，称作热层。随高度上升，最终热层温度仅随时值，称作热层。随高度上升，最终热层温度仅随时 间变化而基本上不随高度变化，同时温度很高，一间变化而基本上不随高度变化，同时温度很高，一 般达到般

13、达到10001000 K K以上，这是大气层最热的部分。以上，这是大气层最热的部分。 中性大气的垂直分层中性大气的垂直分层 地球空间环境概述地球空间环境概述 电离层和磁层电离层和磁层 地球电离层地球电离层指地球高层大气中被部分电离的指地球高层大气中被部分电离的 区域，通常指地面以上区域，通常指地面以上60-100060-1000公里的高度公里的高度 范围。按照国际无线电工程师协会范围。按照国际无线电工程师协会(IRE)(IRE)的的 定义，电离层是地面定义，电离层是地面60km60km以上到磁层顶之间以上到磁层顶之间 的整个空间，在那里的整个空间，在那里“存在着大量的自由电存在着大量的自由电

14、子，足以影响无线电波的传播子，足以影响无线电波的传播”；而；而磁层磁层则则 是是“地磁场对电子运动有决定性影响的那部地磁场对电子运动有决定性影响的那部 分电离层分电离层”。电离层与磁层没有明确的分界，。电离层与磁层没有明确的分界， 通常把通常把10001000公里作为电离层上边界。公里作为电离层上边界。 地球空间环境概述地球空间环境概述 电离气体和中性气体密度的高度变化电离气体和中性气体密度的高度变化 地球偶极磁场示意图地球偶极磁场示意图 地球空间环境概述地球空间环境概述 地球空间环境概述地球空间环境概述 地球空间被运行在行星际空间中的地球空间被运行在行星际空间中的“太阳风太阳风”包围着。包围

15、着。 地球磁层地球磁层示意图示意图 磁层顶磁层顶 磁鞘磁鞘 弓激波弓激波 磁层顶磁层顶 被太阳风包围着的地磁空腔被太阳风包围着的地磁空腔 地球空间环境概述地球空间环境概述 一些标志性发现一些标志性发现 和重要物理过程和重要物理过程 电离层的发现电离层的发现 自从自从1901年年Marconi成功进行了跨越大西洋的无成功进行了跨越大西洋的无 线电传输试验，科学工作者就开始解释电波传播线电传输试验，科学工作者就开始解释电波传播 的方式。的方式。 1902年，年，Kennely与与Heaviside独立提出存在一独立提出存在一 个由自由电荷组成的、能反射电磁波的导电层。个由自由电荷组成的、能反射电磁

16、波的导电层。 对于这种导电层的理论，存在了近对于这种导电层的理论，存在了近20年的争议。年的争议。 1924年年Appleton和和Barnet利用无线电波实验，利用无线电波实验， 证明电离层的存在，并确定了电离层的高度。证明电离层的存在，并确定了电离层的高度。 1925年年Breit和和Tuve确认了确认了Appleton的实验，并的实验，并 研制出最早的电离层无线电探测设备：垂测仪，研制出最早的电离层无线电探测设备：垂测仪， 一直沿用至今。一直沿用至今。 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 电离层的发现成为空间物理学发端的标志。电离层的发现成为空间物理学发端的标志。

17、在电离层的发现和无线电波传播理论的在电离层的发现和无线电波传播理论的 发展中，发展中，Appleton的贡献最为突出。的贡献最为突出。 因为他的因为他的“对于外层大气物理现象的探索，对于外层大气物理现象的探索， 特别是阿普尔顿层的发现特别是阿普尔顿层的发现”，Appleton于于 1947年荣获年荣获 诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖 空间物理学研究领域的唯一诺贝尔奖获得者空间物理学研究领域的唯一诺贝尔奖获得者 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 电离层的发现电离层的发现 太阳风的发现太阳风的发现 大约大约100年前，人们发现在太阳出现大耀斑之后年前，人们发现在太阳出现大耀斑

18、之后1-2 天，地磁场会发生显著变化，从而认识到太阳有动天，地磁场会发生显著变化，从而认识到太阳有动 力学输出的第一个证据。这力学输出的第一个证据。这1-2天的滞后时间表明在天的滞后时间表明在 日地之间的运行速度约为日地之间的运行速度约为1000km/s，这使人们想到，这使人们想到 这种输出可能是太阳的粒子发射。这种输出可能是太阳的粒子发射。 1930-31年，年，Chapman和和Ferraro提出从太阳提出从太阳偶尔偶尔 发射出的粒子流会压缩地磁场，地磁场在太阳风中发射出的粒子流会压缩地磁场，地磁场在太阳风中 形成一个地磁空腔，后来叫做形成一个地磁空腔，后来叫做“磁层磁层”。 1958年年

19、Parker理论上证明太阳大气是理论上证明太阳大气是连续不断连续不断地向地向 外膨胀的。外膨胀的。1959年年“月球月球1号号”卫星首次测到太阳风，卫星首次测到太阳风， 1961年年“探索者探索者10号号”也观测到太阳风。也观测到太阳风。 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 磁层的一系列重要发现磁层的一系列重要发现 19571957年年1010月月4 4号，前苏联发射第一颗人造卫星号，前苏联发射第一颗人造卫星 Sputnik-ISputnik-I。19581958年初美国发射了年初美国发射了“探索者探索者1 1号号” 卫星，之后一大批人造卫星发射升空。卫星，之后一大批人造

20、卫星发射升空。 19581958年年“探索者探索者1 1号号”发现地磁赤道上空有一个发现地磁赤道上空有一个 高能质子密集带，也就是内辐射带（高能质子密集带，也就是内辐射带（Van Allen Van Allen BeltBelt），同年），同年“先锋先锋3 3号号”发现外辐射带。发现外辐射带。19591959 年年LUNIK-2LUNIK-2卫星发现等离子体层，卫星发现等离子体层，19681968年年OGO-1OGO-1和和 OGO-3OGO-3卫星观测到磁层等离子体片。卫星观测到磁层等离子体片。 19621962年年“探索者探索者1212号号”观测到磁层顶，观测到磁层顶，19631963年年

21、 IMP-1IMP-1卫星做出第一幅磁尾结构图，卫星做出第一幅磁尾结构图，19831983年年ISEE-ISEE- 3 3卫星探测到远磁尾。卫星探测到远磁尾。 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 磁层结构示意图磁层结构示意图 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 日地能量传输日地能量传输 19611961年年DungeyDungey首次提出磁层顶的首次提出磁层顶的磁场磁场 重联重联理论，认为地磁场和起源于太阳理论，认为地磁场和起源于太阳 的行星际磁场在特定条件下可以互相的行星际磁场在特定条件下可以互相 联通，形成开放磁力线，太阳风通过联通，形成开放磁力

22、线，太阳风通过 开放磁力线向地球空间传输物质和能开放磁力线向地球空间传输物质和能 量，这对于理解量，这对于理解日地能量传输过程日地能量传输过程 至关重要。至关重要。 1978-19791978-1979年，年，ISEEISEE系列卫星证实了向系列卫星证实了向 阳面磁层顶的稳态重联过程，并发现阳面磁层顶的稳态重联过程，并发现 瞬时重联产生的通量传输事件。瞬时重联产生的通量传输事件。 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 地球磁层中的对流地球磁层中的对流 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 能量储存和耗散能量储存和耗散 太阳风与磁层相互作用过程中，太阳风的

23、动能太阳风与磁层相互作用过程中，太阳风的动能 不断向磁层输运，并以磁能形式储存在磁尾。不断向磁层输运，并以磁能形式储存在磁尾。 在背阳面，磁力线被拉伸成尾状，处于不稳定在背阳面，磁力线被拉伸成尾状，处于不稳定 位型，在一定条件下，这些输入的能量会突然位型，在一定条件下，这些输入的能量会突然 释放，以激烈的方式耗散，极光带电离层、磁释放，以激烈的方式耗散，极光带电离层、磁 层和等离子体层以及磁尾整体受扰，表现出光、层和等离子体层以及磁尾整体受扰，表现出光、 电磁、等离子体等多方面现象。电磁、等离子体等多方面现象。亚暴亚暴就是这种就是这种 磁层能量释放的过程，是磁尾的一种激烈而频磁层能量释放的过程

24、，是磁尾的一种激烈而频 繁的运动形式。繁的运动形式。 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 极极 光光 磁尾的高能粒子（主要是电子）沉降到磁尾的高能粒子（主要是电子）沉降到 极区电离层高度，撞击中性大气，使其极区电离层高度，撞击中性大气，使其 产生受激辐射而发光。极光一般发生在产生受激辐射而发光。极光一般发生在 极区极区100-400100-400公里高度，经常出现产生公里高度，经常出现产生 极光的区域形成一个环状的带，称为极极光的区域形成一个环状的带，称为极 光椭圆带，大约在地磁纬度光椭圆带，大约在地磁纬度67-7767-77度，度， 但在强磁暴时也可能在低纬看到。但在强

25、磁暴时也可能在低纬看到。 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理

26、过程 aurora.mov 一些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 磁磁 暴暴 磁暴磁暴是全球性强烈的地磁扰动，持续时间十是全球性强烈的地磁扰动，持续时间十 几到几十个小时。磁暴起因于剧烈的太阳活几到几十个小时。磁暴起因于剧烈的太阳活 动，包括太阳耀斑爆发和日冕质量抛射等动，包括太阳耀斑爆发和日冕质量抛射等。 随着磁暴的发生，全球热层风场和热层中性随着磁暴的发生，全球热层风场和热层中性 大气成分发生剧烈的变化，形成大气成分发生剧烈的变化，形成热层暴热层暴。 同时也引起全球电离层各种电离参量的剧烈同时也引起全球电离层各种电离参量的剧烈 变化，形成变化，形成电离层暴电离层暴。 一

27、些标志性发现和重要物理过程一些标志性发现和重要物理过程 地球空间环境与人类生活地球空间环境与人类生活 地球空间环境与人类生活地球空间环境与人类生活 地球空间环境与人类生活地球空间环境与人类生活剧烈太阳活动剧烈太阳活动对对地球空间环境可能造成的影响地球空间环境可能造成的影响 耀斑的电磁辐射（比如耀斑的电磁辐射（比如X X射线）射线）9 9分钟就可以到达地分钟就可以到达地 球球, ,并引起整个向阳面的短波中断。并引起整个向阳面的短波中断。1-21-2小时之后，小时之后， 高能粒子到达地球，对太空中的宇航员带来致命伤高能粒子到达地球，对太空中的宇航员带来致命伤 害，一些敏感的卫星也会造成毁灭性破坏。

28、害，一些敏感的卫星也会造成毁灭性破坏。 一次日冕物质抛射可以携带一次日冕物质抛射可以携带1010亿吨的物质并加速到亿吨的物质并加速到 数百万公里数百万公里/ /小时小时, ,其其2 2小时内的能量可以提供美国小时内的能量可以提供美国 1010万年的电力。万年的电力。 地球空间环境与人类生活地球空间环境与人类生活 太阳风暴历史重大灾难事件太阳风暴历史重大灾难事件1 1 1859年9月1日早晨，英国天文学家理查德卡林顿用 装着过滤器的望远镜观测太阳表面时，他发现太阳表 面喷射出了一道明亮的闪光。然而卡林顿不知道的是， 那团明亮的斑点是一团带着电荷的等离子云，它正朝 着地球的方向疾速飞来。48小时后

29、，“超级太阳风暴” 就袭击了地球，导致热带地区的夜空都能看到极光， 这些极光是如此明亮，以至于人们在午夜时分不用点 灯都能阅读报纸。“超级太阳风暴”导致当时的许多 电报机都瘫痪。此次太阳风暴是有记录以来强度最大 的一次，不过在1859年，世界主要还依靠蒸汽机和肌 肉劳力在运转，所以当年的“超级太阳风暴”并没有 给人类带来过于严重的灾难。 地球空间环境与人类生活地球空间环境与人类生活 太阳风暴历史重大灾难事件太阳风暴历史重大灾难事件2 2 19891989年年3 3月发生了近代科学史上罕有的灾害性空间天气事月发生了近代科学史上罕有的灾害性空间天气事 件。在此期间，大量飞行物轨道改变，造成跟踪辨认困难；件。在此期间，大量飞行物轨道改变，造成跟踪辨认困难； 对地静止通信卫星为维持其正常姿态，两天内所耗的燃料对地静止通信卫星为维持其正常姿态，两天内所耗的燃料 相当于正常运行一年的用量；电离层暴使低纬度无线电通相当于正常运行一年的用量；电离层暴使低纬度无线电通 讯几乎完全失效，轮船、飞机导航系统失灵；高能粒子流讯几乎完全失效，轮船、飞机导航系统失灵；高能粒子流 的突然增加，致使日本同步气象卫星指令系统一半失效或的突然增加，致使日本同步气象卫星指令系统一半失效或 永久损坏，宇航员眼睛的视网膜受到高能粒子轰击而闪光；永久损坏，宇航员眼睛的视网膜受到高