我們如何來了解電離層的行為？

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空少問答

小課堂

第三十八期

5

月

22

日

周

一

太空繩索——像放風箏一樣放衛星？

上周六，空少為大家留了1個問題，來看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧！

想要查看原問題背景介紹的朋友們可以點擊《我們如何來了解電離層的行為？

》~下面就讓我們來看看空少的解答吧！

空少正解

答：電離層是大氣層中特殊的一層，因其與人類的生活息息相關而得到大家廣泛的關注。它的位置也非常特殊，下啟大氣層，上接磁層。

我們都知道磁層是完全電離的等離子體區域，因此也有人把磁層看作是電離層向太空的延伸，磁層的許多物理過程都能在電離層上反映出來，因此電離層還有一個動感的名字—磁層活動的「顯示器」，極光就是它呈現出來最精彩的節目。

正如問題中所描述的一樣，電離層中成分眾多，且相互影響，單一影響因素的作用就能對其的結構形態產生較大的變化，所以對它的研究有許多假設，而這些假設就構建了一個初級的電離層理論—查普曼理論。

電離層中最主要的變化反映為電子的變化，根據電子密度的變化把電離層分為了不同的層次，通常有D、E、F 層，F層時常發生分裂，又被分為F1層和F2層。電離層中電子不會不斷產生，也不會憑空複合消失，查普曼理論建立了太陽天頂角與某一高度電子生成率的關係，隨著高度的變化，總有一個平衡區間，讓電子的生成率和複合率相等，此時電子濃度達到最大值。

這個由光複合和電離過程決定電子分布區域的層級就被稱為查普曼層，電離層的D、E、F1層的電子分布很好地複合查普曼理論模型，因此也被稱為查普曼層。

在電離層的這些結構里經常會發現一些不規則的結構，例如拓展F層和散見E層。拓展F層是根據觀測形態命名的，在用測高儀探測電離層時，當發射頻率等於電離層某高度上的等離子頻率時，電波就會被反射回來，通過測時間我們可以知道其高度，這個高度與電波的頻率是一一對應的。

但是當拓展F層出現時，電波返回出來的波形對應的不是一條直線，而是彌散的一片，這表明在該高度範圍內電離層結構是不穩定動態結構，從而造成了漫反射。這種情況通常出現在F層，因此也被形象的成為「拓展斧」。

北京十三陵台站數字測高儀獲得的電離層頻高圖，反映了電子濃度隨高度的變化曲線

另一種不規則結構是散見E層，在E層的高度上，會出現薄層結構，這個結構在頻率很寬的範圍內反射電波，有時會透射出去，從上部電離層反射下來，這個薄層結構可以綿延數千平方公里，由於它的出現方式和規律還未探明，因此被稱作散見E層。

這些電離層的不規則結構之所以這麼受重視，是因為當電波通過電離層時，這些不均勻結構會導致，信號振幅和相位發生不規則變化，這些不規則變化嚴重時會導致通信系統和衛星導航系統受影響，這個現象就是我們經常說的電離層閃爍。

目前對電離層研究的主要工具仍然是測高儀，它的常規探測已經有60多年的歷史了，但是隨著技術的發展，它除了展示頻率與高度的關係外，還會展示其他數字化的信息，例如散射角、場強、多普勒頻移速度等。

但是根據測高儀的記錄反演電離層結構依然有許多困難，其中一個就是無法獲得F2層峰以上的電離層信息，因為F2層峰電子數密度達到最大，高於這一頻率的電波無法反射回來。但是這依舊難不倒我們，我們可以從F2層峰的上方自上而下進行頂部探測，通過這種方法我們為電離層研究得到了許多有用的數據嗎，從而能夠反演出完整電離層的形態結構。

除此之外，大功率雷達也是探測電離層的強有力手段，它接收的不是單一的反射波而是各種不規則體結構的散射波，通過分析這些散射波，我們能夠根據多普勒頻移得到規則體結構的速度信息，以及相對應電場和風場的信息。除了通過間接反演的方法了解電離層外，直接發射探空火箭和探空氣球也是重要的探測手段。

上述方法雖然對了解電離層起到了一定的作用，但是探測範圍實在是太小了，只能對局部進行探測，這也為了解電離層形態大範圍變化帶來了困難。發射衛星能很好地解決一部分這個問題，未來我國將發射MIT衛星（磁層-電離層-熱層耦合小衛星星座探測計劃），相信它的升空對我們了解電離層和磁層的關係將起到巨大作用。讓我們拭目以待吧！

留言區·精選

@ 水蛇?????????

盛行風 中層大氣環流的上延部分，它是低電離層中的主要風系。由於低電離層中碰撞頻率很高，大氣中性成分與電離成分一道運動。 大氣湍流 低電離層中的主要運動形式。中層大氣的湍流運動由下向上一直延伸到120公里,導致電離層中出現不均勻電離結構。 用探空火箭

@ 星

極光吧，只能想到這個了，如果說了解它的行為，那就是通過發射電磁波的方式是最好了解它對信號干擾什麼之類的

@ 郭金涵

可以通過地基GPS觀測解算出電離層Tec參數，然後通過研究Tec變化來了解電離層的行為，一般地，在某些空間天氣比如日冕物質拋射和耀斑，大的地質活動如高級別的地震的影響下電離層Tec都會有一定的異常值出現。

@ 人之初

我不知道我的想相是否對，但我一直很迷惑不解。大家都知道「水」分子是由氫原子和氧原子組成的，在所為的大氣層中就含有大量的氧氣，我們見到的「雨水」是不是就是電離層這個特定的環境下，將氫氣與氧氣組合成的。

感謝大家的支持，我們下期再見！

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