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电离层:地球大气的高空魔镜

来源:科技日报    发布日期:2018-03-22

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   已进入预定轨道的美国“GOLD”航天器,将全景式观测电离层和高层大气,研究飓风及地磁暴等对它们的影响。 

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    在距离地面约60到1000千米范围内,存在着一个特殊区域,尽管很多人不熟悉它,但日常的通讯、广播、导航、定位都离不开这个区域,它就是电离层。

    美国航天局近期公布了两项探索电离层的新计划,目的就在于了解空间天气、地磁暴等现象如何影响大气层上部的电离层。

 

    天生不安分 存在着大量自由带电粒子

    在地球引力的作用下,地球大气聚集在地球周围而形成了大气层,大气层受到太阳辐射、日月引力等作用,处于不停的运动之中。它的密度、温度、压力、成分和电离度等随着高度、经纬度时而变化。

    我们熟悉的对流层、平流层、散逸层等,是按地球大气温度随高度分布的特征来分的。如果按大气电离状况分层,则可分为中性层、电离层和磁层。

    与“老实”的中性层相比,电离层可谓是相当不安分。在中性层中,原子和分子的电子被原子核牢牢吸引住,因而中性层并不导电。而电离层如同它的名字一样,是被电离的大气层,存在着大量的自由电子和离子。

    中科院地质与地球物理研究所刘立波研究员介绍,要迫使电子离开牢牢依附着的原子或分子,就需要足够高的能量,而这个神秘力量正是太阳辐射中的紫外线、X射线等。当紫外线、X射线到达地球上空时,被大气吸收,消散的能量引起中性大气电离,这个产生自由电子的过程称为光电离。此外,进入大气层的高能粒子也能产生大气的电离,称为微粒电离。

    电子密度是衡量电离层的重要物理量,其决定于两个相反的过程:一个是中性大气吸收太阳辐射而电离的过程;另一个是正负带电粒子碰撞而复合成中性粒子的过程。

    那为什么只有电离层能产生大量的自由电子和离子呢?原来在很高的高度上,太阳辐射虽强,但空气密度很小,可供电离的成分有限,所以电子密度不会很大;在较低高度处,空气密度大,可供电离的中性成分很多,但太阳辐射透过厚厚的大气时变得愈来愈弱,而且复合过程变强,因此,这里的电子密度也不会很大。

    由此可知,电子密度在某一中间高度将达到最大值,因而电离层就成了大气层中的特殊成员。由这个高度往下,电子密度迅速减小;由此往上,电子密度缓慢减小,到约1000千米处与磁层衔接。

 

    像一面反射镜 能改变短波无线电传播路径

    按照无线电工程师协会(IRE)的定义,电离层是以地面60千米以上到磁层顶之间的整个空间。虽然电离层中的电子密度不到中性成分的1%,但足以影响无线电波的传播。

    1901年,意大利发明家、无线电工程师马可尼使用了一个通过风筝竖起的400英尺(约122米)长的天线,接收到从相隔3000千米外、横跨大西洋的英国普尔杜发送的无线电信号,开辟了无线电远距离通讯的新时代。这也不仅让人产生了疑问,按照当时的理论,从英国发射的无线电波应该直奔太空,怎么能绕地球传播呢?

    1924年英国科学家阿普顿证明了上层大气有所谓的电离层存在。在英国广播公司的合作下,他从波内茅斯发送台发射电波到上层大气,检验是否会被反射并折返回来,实验取得了完全的成功。

    电离层对电波的反射,和我们平时照镜子的原理很像。在日常生活中,我们几乎天天都要照镜子,对着它梳洗打扮、整理衣冠。但并不是所有镜子都能准确呈现我们的容貌,像哈哈镜中反映出的像就和现实相差甚远。这是因为反射像的形状是由反射平面的形状和光滑程度决定的,哈哈镜虽然光滑,但表面却不是平面,呈现出的像自然歪曲了。铜板镜不能照人,但打磨光滑了就能见到人像,这就是古人用的铜镜。可见反射像的好坏和镜子的好坏密切相关。

    同样,电离层就是短波无线电长距离传播的一面镜子,可以说短波无线电通讯是否有效和电离层有极大的关系。如同光在水中传播时会发生反射和折射一样,短波无线电进入电离层时也会发生传播路径的改变。

 

    让人欢喜让人忧 可能突然“兴奋”造成破坏性后果

    实际上电离层并不是一面平滑的镜子。刘立波告诉科技日报记者,季节、昼夜、太阳活动等都是影响电离层的重要因素。电子密度越大,电波折射得越厉害。通常我们将电离层分为D、E、F三层,F层还可分为F1层和F2层。

    D层是距地面60千米到90千米左右的区域,它只存在于白天。在夜间,由于没有太阳辐射,D层自由电子迅速复合成中性成分而消失。

    E层的高度在90千米到120千米,电子密度高于D层。在夜间,E层电子也会由于电子复合而迅速减少。

    F层是电子密度最大的区域,对无线电波的反射能力最强,是短波能够进行远距离通讯的主要原因。它的高度从120千米到1000千米,电子复合过程较慢,夜间仍然存在。F层在白天分裂成F1层和F2层,夜间则只有一个F2层。

    电离层的变化规律虽然有迹可循,但有时突然出现的扰动也会让人十分头疼。电离层的急剧变化,会使地面的无线电通讯受到严重影响。1989年3月13日23时,加拿大魁北克省的供电网络全部瘫痪,全省陷入长达9小时的黑暗和寒冷之中,灾难的元凶就是太阳风暴。

    因受到太阳辐射而形成的电离层,始终受到太阳活动的影响。表面上气定神闲的太阳,实际上暗流涌动。在太阳大气中,经常发生“爆炸”现象,这就形成太阳风暴,向广袤的宇宙空间喷射大量的高能带电粒子,正是它扰乱了地球上空的电离层。

    可见电离层与我们的生活息息相关,它一方面让导航通讯、雷达探测等成为可能,另一方面又可能突然“兴奋”,给我们的生产生活带来破坏性后果,真是让人欢喜让人忧。

 

    新闻链接

    美国公布两项电离层计划

    美国航天局官网近期公布“全球尺度臂盘观测器”(简称GOLD)和“电离层连接探索”(简称ICON)两项计划。GOLD已经搭乘SES-14商业通信卫星进入西半球上空地球同步轨道,而ICON航天器将在今年晚些时候发射,进入电离层。

    美国航天局表示,两项任务相互补充,距地表约560千米的ICON将在目标区域飞行,可更好地获得现场数据;距地表约35000千米的GOLD则可全景式观测电离层和高层大气。它们可同时观测一个区域,从不同角度获取数据,比如一个共同目标是系统性观测飓风及地磁暴等地球和空间天气变化对高层大气造成的影响。

    地磁暴是太阳喷射的带电粒子流与地球磁场发生作用所导致的一种现象。美国航天局ICON任务科学家道格·罗兰说:“人们过去认为只有太阳射出的带电粒子流(太阳风)会影响电离层,而另一方面只有底层大气受地球天气影响,现在可以看看两种能量是如何交织在一起的。”

    此外,这两项任务还将验证厄尔尼诺现象可能影响电离层的理论。该理论认为,厄尔尼诺现象使太平洋变暖,导致更多水蒸气进入大气层,使得大气层吸收太阳光的热量增加,从而导致一系列变化并影响电离层。

作者:翟冬冬编辑:林观夏
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