中低纬电离层现象2014

1、中低纬电离层环境中低纬电离层环境电离层的发现电离层的发现电离层的定义电离层的定义电离层探测电离层探测都与电波传播有非常密切的联系都与电波传播有非常密切的联系电离层的发现电离层的发现 自从自从19011901年年MarconiMarconi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。 19021902年，年，KennelyKennely与与HeavisideHeaviside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、能反射电磁波的导电层。对于

2、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2020年的争议。年的争议。 19241924年年AppletonAppleton和和BarnetBarnet利用无线电波实验，证利用无线电波实验，证明电离层的存在，并确定了电离层的高度。明电离层的存在，并确定了电离层的高度。19251925年年BreitBreit和和TuveTuve确认了确认了AppletonAppleton的实验，并研制的实验，并研制出最早的电离层无线电探测设备：垂测仪，一直出最早的电离层无线电探测设备：垂测仪，一直沿用至今。沿用至今。 电离层的发现成为空间物理学发端的标电离层的发现成为空间物理学发端的标志。在电离层

3、的发现和无线电波传播理志。在电离层的发现和无线电波传播理论的发展中，论的发展中，AppletonAppleton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对于外层大气物理现象的探索，特别是阿普尔顿层的发现索，特别是阿普尔顿层的发现”，AppletonAppleton于于19471947年荣获诺贝尔物理学奖年荣获诺贝尔物理学奖 空间物理学研究领域的唯一诺贝尔奖获空间物理学研究领域的唯一诺贝尔奖获得者得者 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区指地球高层大气中被部分电离的区域，通常指地面以上域，通常指地面以上60-100060-

4、1000公里的高度范围公里的高度范围。按照国际无线电工程师协会。按照国际无线电工程师协会(IRE)(IRE)的定义，的定义，电离层是地面电离层是地面60km60km以上到磁层顶之间的整个空以上到磁层顶之间的整个空间，在那里间，在那里“存在着大量的自由电子，足以影存在着大量的自由电子，足以影响无线电波的传播响无线电波的传播”；而；而磁层磁层则是则是“地磁场对地磁场对电子运动有决定性影响的那部分电离层电子运动有决定性影响的那部分电离层”。电。电离层与磁层没有明确的分界，通常把离层与磁层没有明确的分界，通常把10001000公里公里作为电离层上边界作为电离层上边界。电离层垂直结构示意图电离层垂直结构

5、示意图极尖极隙区极尖极隙区地磁平静条件下，地磁平静条件下，中午和午夜中纬电离层中午和午夜中纬电离层电子密度的典型剖面。美国电子密度的典型剖面。美国Millstone HillMillstone Hill非相干散射雷达（非相干散射雷达（4242 N N，7272 W W），），W W：冬季，：冬季，E E：两分点，：两分点，S S：夏季。：夏季。19631963年年7 7月月2020日日日食期间日食期间F F层的层的变化。变化。低纬电离层现象低纬电离层现象 赤道赤道F F层电动力学抬升和喷泉效应。层电动力学抬升和喷泉效应。 赤道异常区几个高度上电子密度的纬度变化。赤道异常区几个高度上电子密度的纬

6、度变化。 垂测仪观测的电离层频高图垂测仪观测的电离层频高图Brooker and Wells在在1938年利用年利用垂测仪首次观测到的扩展垂测仪首次观测到的扩展F现象现象 在在100km100km高度上下存在强的回波，强度比高度上下存在强的回波，强度比3m3m波长的热起伏散射的回波强得波长的热起伏散射的回波强得多，最高强度达多，最高强度达50dB50dB。100km100km上下的薄不规则层随时间周期性地上下运动。上下的薄不规则层随时间周期性地上下运动。强的返回散射信号向上延伸到很高的高度的现象多次出现，这些高耸的回强的返回散射信号向上延伸到很高的高度的现象多次出现，这些高耸的回波特征称作波特

7、征称作“羽状烟云羽状烟云”(plumes)(plumes)。 (a) (a)振幅闪烁的一个例子，强度振幅闪烁的一个例子，强度(dB)(dB)随时间的变化；随时间的变化； (b)(b)累积概率分布；累积概率分布；(c)(c)衰落持续时间分布。衰落持续时间分布。 2004 2004年年1111月月1010日夜间，在武汉观测到的振幅闪烁实例。日夜间，在武汉观测到的振幅闪烁实例。 -20-10010P(dB)PRN 26 November 10 20043 min78 闪烁功率谱的三种类型闪烁功率谱的三种类型u低频部分平坦低频部分平坦, ,高频部分以负律幂下降高频部分以负律幂下降79u低频部分上升，高

8、频部分以负律幂下降低频部分上升，高频部分以负律幂下降80u高频部分出现高频部分出现“折断折断”折断发生在频率折断发生在频率0.25Hz0.25Hz15161718192021-20-10010P ow er/d B1516171819202100.40.8S 41516171819202104080T E C15161718192021-12-60612R O T P R N #2615161718192021U T /h r024R O T I151617181920-20-10010P o w er/d B15161718192000.40.8S 415161718192004080T E

9、 C151617181920-12-60612R O T P R N #29151617181920U T /h r024R O T I2004-11-102004-11-10在武汉观测到的在武汉观测到的GPSGPS卫星信号卫星信号振幅和相位闪烁示例。振幅和相位闪烁示例。电离层暴电离层暴概述概述在在8 8个地磁纬度带上最个地磁纬度带上最大电子密度的暴时变化。大电子密度的暴时变化。纵坐标表示对静日偏离纵坐标表示对静日偏离的百分比。的百分比。F F层暴期间中纬台站的层暴期间中纬台站的电子含量、电子密度电子含量、电子密度和层厚。和层厚。SCSC表示磁暴急始。同表示磁暴急始。同时给出了时给出了7 7天

10、平均以表天平均以表示正常特征。示正常特征。暴的现象学特征暴的现象学特征磁暴磁暴F F层暴层暴19891989年年1010月月20-2220-22日磁暴期间亚太区电离层日磁暴期间亚太区电离层f fo oF F2 2随纬度和时间随纬度和时间变化的等值线图。可以看到南北半球从高纬到低纬的广大区域变化的等值线图。可以看到南北半球从高纬到低纬的广大区域电离层暴呈现负暴相。电离层暴呈现负暴相。磁暴事件与电离层暴次数的总体统计磁暴事件与电离层暴次数的总体统计伴随着磁暴的发生，不同经度扇区电离层的响伴随着磁暴的发生，不同经度扇区电离层的响应情况不同。这可能与地磁暴发生的地方时有关。应情况不同。这可能与地磁暴发

11、生的地方时有关。5种电离层响应类型的季节分布特征种电离层响应类型的季节分布特征正暴较少的发生在夏季，冬季和春秋季较多；负暴较少的发生在冬季，在正暴较少的发生在夏季，冬季和春秋季较多；负暴较少的发生在冬季，在夏季和春秋季较多；正负暴在夏季和春秋季发生较多。负正暴以及电离层没夏季和春秋季较多；正负暴在夏季和春秋季发生较多。负正暴以及电离层没响应的情况无明显的季节特征。而响应的情况无明显的季节特征。而4个扇区之间也有细微的差别。个扇区之间也有细微的差别。 主相期间电离层正负暴的季节分布特征主相期间电离层正负暴的季节分布特征在所有扇区的所有季节均是正暴数目大于负暴数目，且在冬季正负暴在所有扇区的所有季节均是正暴数目大于负暴数目，且在冬季正负暴的比例大于其他的比例大于其他2季。不同扇区正负暴发生的比例具有较大差异，最大季。不同扇区正负暴发生的比例具有较大差异，最大差异发生在东亚扇区的冬季，正负暴比例高达差异发生