太阳活动和无线电通讯（第一章：电离层）

地理qq360 2017-09-18

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前言：

今年8月的时候，有个朋友带我去参加一个卫星通讯公司，回来自己查了一些资料，受到启发，碰巧现在也有点时间，写了这篇东西。由于没地方能发，就放在这里吧。题目虽然是“太阳活动和无线电通讯”，但里面是很多跑题的地方。知识是连通的，查下去的时候发现很多问题，一扯就能扯到很远。很多地方我自己尝试加以讨论，很多为自己个人理解，不排除很多错误，有错欢迎指正。注意，里面数据并不一定完全准确，不同网页可能会有些微差别，但靠谱。

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本章内容

1.1.1电离层是怎样形成？

1.1.2大气层如何对无线电波吸收和反射?

1.1.3电离层分层介绍

1.2臭氧层(ozone)

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第一章----------大气和无线电波传播

本节主要探讨大气的特性，从而了解其和无线电波传播的关系。

1.1电离层(ionosphere)

（大气分层结构）

太阳活动和无线电通讯（第一章：电离层）

(http://csep10.phys./astr161/lect/earth/atmosphere.html)

太阳活动和无线电通讯（第一章：电离层）

http://www./earth/Atmosphere/layers_activity_print.html

1.1.1电离层是怎样形成？

太阳辐射以0.137 Watts per cm²的功率到达地球（这个数叫“太阳常数/solar constant”）,频率覆盖由射电到X射线。当频率高于紫外波段的光子和大气气体粒子碰撞时，粒子会吸收部分辐射能量，之后就会发生电离，产生一个电子和离子(能够有足够能量产生电离的辐射称之为ionizing radiation)。宇宙线和太阳风粒子也可以引起大气层原子电离，但没太阳辐射厉害（宇宙线和太阳风粒子自身辐射是粒子辐射particle radiation,而这里的太阳辐射是指电磁波辐射electromagnetic radiation）。就是这些离子构成了电离层。高能粒子之所以不能到达地球就是有电离层的原因。而太阳辐射也因经过高层吸收而逐渐减弱。

在电离的进行同时，复合（recombination）也同时发生（复合即电子和离子结合，复原为原来的原子）。在不同的海拔有不同密度的气体原子，高海拔的密度较低，电离度也高，较低海拔的密度高，更容易复合，电离度较低。当电离和复合达到平衡时，就决定了该点的电离度。所以电离层有不同的电离度，整个电离层分为D,E,F1,F2（位置由下至上，电离度由低至高）层。（电离度越高，即自由电子数越多，能反射的无线电频率就越高。）

整个电离层对30MHz以下的无线电波会产生吸收，减弱，反射和折射（1.1.2详述）。200MHz以上大气对无线电波是完全透明。在整个电磁谱里，射电辐射为3kHz至 300GHz,但是太低频的是穿透不过大气，所以射电天文望远镜的波段主要在较高频，一般最少为几百MHz，到GHz的量级。在建的LOFAR(荷兰)应该是到目前为止，可观测的最低频射电望远镜，观测频率在10MHz - 230MHz。

地面的无线电通讯波段，需要靠电离层来传播，频率不会太高，但在空间的卫星，发射的波段往往是GHz量级，这和天文观测是有冲突的。什么波段为通讯用，什么为天文用是有规定的。有兴趣可参看

-United States Frequency Allocation http://www.ntia./files/ntia/publications/2003-allochrt.pdf

-Radio Astronomy Frequencies List

http:///luxorion/radioastro-frequencieslist.htm

1.1.2大气层如何对无线电波吸收和反射?

由于 D,E层空气较厚(参考1.1.3电离层分层介绍)，即分子密度高，当无线电波经过大气层时，部分能量会传给自由电子和离子，引起他们以相同频率震动。如果这些高能自由电子和离子随后没跟气体分子碰撞，那么他们就会以相同频率把之前吸收的能量再辐射出去，而无线电波也可以继续传播，不过强度可能稍微减弱。然而，如果自由电子和离子在吸收无线电波能量后，和其他中性粒子碰撞，那能量就会转化和热能/动能，那原来的波的能量就被吸收了（ionospheric absorption）。当离子或电子密度越高时，碰撞越强，能量吸收也越多（因此在太阳活跃时吸收也越强）。另外，波的频率对吸收也是有影响的，当频率增加时，波长减短，引起的电子和离子以较短的波长震动，碰撞概率也低，被吸收少，就能把原来辐射再辐射出去。但当频率越来越高，波长短得只能和很少或没有自由电子发生相互作用，那么辐射就能逃离出去大气层（参考下图）。因此，在电离层而言，无线电波是波长越短穿透力厉害。信号在大气层减弱的程度是和频率平方成反比。

当信号通过D层到达E层及F层时，自由电子密度一直增高，当信号由密度低到密度高的地方时，会产生折射。而当信号能够和足够多的电子产生相互作用时，产生的折射足以令信号“反射”回去地球，被接收器接收，可以达到长距离传播。

这个“反射”跟信号频率及入射角有关，详见2.2入射频率。

http://www./ABCDx/Sections/Propagation.htm

太阳活动和无线电通讯（第一章：电离层）

如上图，低频的波长较长，一个周期可以和更多的自由电子相互作用，容易被吸收和反射。但当波长越来越短时，能够发生相互作用的电子就越少，就容易逃离大气层。

1.1.3电离层分层介绍

D层(D layer)

位于海拔约50 - 90公里，只在白天出现，最高电子密度~ 10⁸ - 10⁹电子/米³，对AM收音机无线电波（低频，一般为几百KHz到20多MHz）吸收厉害，对高频的则产生减弱。由于这层电离度最低，晚上复合 (recombination)厉害，因此晚上是没有D层出现的。没有此层，就表示没有吸收，所以白天听不到一些电台的广播，但晚上会收到的。收音机发射站也因此在日出和日落时要调整输出功率。

E层(E layer)

位于海拔90 - 140公里，最高电子密度~ 10¹¹电子/米³，此层可以反射100kHz - 20MHz或以下的无线电波。和D层一样，白天由于太阳辐射，这层存在，但由于电离度比D层高，需要复合时间较长，晚上不完全消失。

F层(F layer)

位于海拔200 – 500公里，分开F1及F2两个分层，F1最高电子密度~ 10¹¹电子/米³,F2则为10¹⁰电子/米³（白天）10¹²电子/米³（晚上）。当中F1只在白天出现，F2全天出现，在反射天波（下文详述）起主要作用，为长距离通讯最主要的一层，反射的主要为高频无线电波(High Frequency, HF, 3 – 300MHz)。由于这层位置最高，空气稀薄，气体分子少，所以复合概率比其它层要低，电子的寿命也最长，晚上还没来得及完全复合的时候，天就亮了，因此，这层是无论白天晚上都存在的。

（补充知识：E, F1及F2电子寿命分别为:20秒，1分钟及20分钟）

本节参考

-Radio Wave Propagation

http://www./neets/book10/40.htm

-地球上的射电望远镜概览

http://en./wiki/List_of_radio_telescopes

-About the Ionosphere(关于离子层，臭氧层形成)

http://www.haarp./haarp/ion1.html

1.2臭氧层(ozone)

臭氧层其实不在本文讨论范围之内，不过由于常常听见，就在此跑题一下。

在平流层（stratosphere）里，频率为紫外波段或更高的光子可以分解氧分子(O₂) 至氧原子(O)(过程1),而氧原子又会和氧分子结合形成O₃（过程2）。O₃就是臭氧层了。紫外线的能量由于被吸收了，所以臭氧层能抵挡紫外线。臭氧层其实只有几毫米薄。

O₂---------> O + O 过程1

O + O₂ ---------> O₃ 过程2

然而，化学污染物会阻碍以上过程，引致O₃不能产生。这些化学物质和O₂或O结合，生成其他化学物质。

紫外波段分为UVA(3 – 3.8eV),UVB(3.8 – 4.2eV), UVC(4.2-12.3eV)。氧分子的离解能为~5eV。UVC是最有害的，但是都被臭氧屏蔽了（大家可以比较一下理解能和不同紫外波段能量），所以平时也没人说它。UVB是大部分被臭氧屏蔽，至于UVA，其能量较低，不能离解氧分子，大部分就能穿透大气层到达地面。