内容简介
地球高层大气中电离层的物理特性能够使我们利用它开展越来越广泛的通信应用。《高纬电离层及其对无线电传播的影响》以现代的视角分析了高纬高层大气的物理和现象，以及极光和极地地区无线电传播的形态。
涵盖无线电传播的基础知识和电离层研究中无线电技术的使用，以及对高纬电离层物理和形态的描述。高纬无线电传播的许多研究以前只发表在会议和研究报告中，《高纬电离层及其对无线电传播的影响》陈述了许多平静和受扰的高纬高频传播行为的例子。
目录
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译者序
原书前言
第 1 章 电离层基本原理 1
1.1 引言 1
1.1.1 电离层与电波传播 1
1.1.2 高纬电离层特征 2
1.2 大气的垂直结构 3
1.2.1 命名 (术语) 3
1.2.2 大气流体静力学平衡 4
1.2.3 逸散层 5
1.2.4 中性大气的温度剖面 6
1.2.5 成分 8
1.3 高层大气物理 10
1.3.1 引言 10
1.3.2 Chapman 函数 12
1.3.3 化学复合原理 14
1.3.4 垂直输运 16
1.4 电离层的主要层 18
1.4.1 引言 18
1.4.2 E 层和 F1 层 20
1.4.3 D 层 25
1.4.4 F2 层和质子层 30
1.4.5 F2 层异常 32
1.4.6 太阳黑子周期的影响 36
1.4.7 F 层电离层暴 37
1.5 电离层电导率 39
1.5.1 引言 39
1.5.2 无磁场时的电导率 39
1.5.3 磁场的影响 39
1.5.4 电导率的高度变化 40
1.5.5 电流 42
1.6 声重力波和电离层行扰 42
1.6.1 引言 42
1.6.2 理论 43
1.6.3 电离层行扰 46
1.6.4 文献 46
1.7 参考文献 47
第 2 章 影响高纬电离层的地球物理现象 51
2.1 引言 51
2.2 磁层 51
2.2.1 地磁场 51
2.2.2 太阳风 52
2.2.3 磁层顶 58
2.2.4 磁鞘和激波 60
2.2.5 极隙 61
2.2.6 磁尾 61
2.3 磁层中的粒子 61
2.3.1 主要粒子群 61
2.3.2 等离子体层 62
2.3.3 等离子体片 65
2.3.4 俘获离子 66
2.3.5 环电流 69
2.3.6 Birkeland 电流 70
2.4 磁层动力学 71
2.4.1 环流型 71
2.4.2 场合并 74
2.4.3 磁层电场 75
2.4.4 等离子体层动力学 76
2.5 磁暴 77
2.5.1 引言 77
2.5.2 **的磁暴与 Dst 指数 77
2.5.3 高纬磁湾扰；极光带电集流 77
2.5.4 磁指数 79
2.5.5 大磁暴和一个案例 83
2.5.6 磁层波现象 85
2.6 高能粒子电离 86
2.6.1 电子 87
2.6.2 轫致辐射 X 射线 87
2.6.3 质子 88
2.7 参考文献 90
第 3 章 无线电传播基础 95
3.1 引言 95
3.2 电磁辐射 95
3.2.1 真空中的视距传播基础 95
3.2.2 雷达原理 97
3.2.3 折射率的意义 99
3.2.4 无线电波与物质的相互作用 101
3.3 中性大气中的传播 102
3.3.1 中性大气的折射 102
3.3.2 地形影响 105
3.3.3 噪声与干扰 107
3.4 电离层传播 115
3.4.1 磁离子理论 115
3.4.2 无线电波电离层反射 118
3.4.3 斜入射与垂直入射的关系 120
3.4.4 穿越电离层传播 122
3.4.5 无线电闪烁原理 125
3.4.6 包括陡峭边界反射和全波解的传播 133
3.4.7 哨声 138
3.5 电离层散射 140
3.5.1 相干散射 141
3.5.2 前向散射 142
3.5.3 非相干散射 142
3.6 HF 传播预测程序 144
3.7 总结 145
3.8 参考文献 146
第 4 章 电离层探测技术 151
4.1 引言 151
4.2 地基系统 151
4.2.1 电离层测高仪 151
4.2.2 相干斜向无线电探测系统 156
4.2.3 非相干散射雷达 168
4.2.4 D 层吸收测量 170
4.2.5 HF 发射改变电离层 175
4.3 天基系统 178
4.3.1 地球卫星和无线电火箭探测的历史 178
4.3.2 无线电信标实验的工作原理和当前部署 178
4.3.3 顶部 (电离层) 探测器 179
4.3.4 卫星和火箭的原位技术 179
4.3.5 能力和局限 180
4.4 其他技术 181
4.4.1 HF 阵列接收机和多普勒系统 181
4.4.2 HF 多普勒技术 182
4.4.3 电离层成像 182
4.5 总结 182
4.6 参考文献 183
第 5 章 高纬 F 层和槽 189
5.1 高纬 F 层环流 189
5.1.1 引言 189
5.1.2 环流模式 189
5.2 高纬 F 层的状态 195
5.2.1 极盖 F 层 195
5.2.2 极隙效应 198
5.2.3 极风 198
5.2.4 极光卵形环内和附近的 F 层 201
5.3 高纬 F 层不规则体 203
5.3.1 引言 203
5.3.2 增强：补片和斑块 203
5.3.3 不规则体产生的闪烁 208
5.4 主槽 216
5.4.1 引言 216
5.4.2 主槽的观测特性和状态 217
5.4.3 槽的极向边缘 223
5.4.4 单个槽运动 224
5.4.5 机制和模型 227
5.5 高纬槽和洞 228
5.6 总结和启示 231
5.7 参考文献 232
第 6 章 极光、亚暴和 E 层 237
6.1 引言 237
6.2 环带发生 237
6.2.1 极光带和极光卵形环 237
试读
第 1 章 电离层基本原理
1.1 引 言
1.1.1 电离层与电波传播
电离层是电离大气的一部分，通常由数量相等的自由电子和离子组成，呈现 电中性。尽管带电粒子在中性大气中占少数，但其对介质的电学特性有着显著影 响，而且正是它们的存在，使得利用一次或多次电离层反射进行远距离无线通信 成为可能。
电离层早期的历史与通信的发展息息相关。*次提出高层大气中存在带电层 的观点要追溯到 19 世纪，但实际发展始于 1901 年著名的马可尼 (Marconi) 跨 大西洋无线电传输实验 (从英国的康沃尔至加拿大的纽芬兰)。通过这个实验，肯 内利 (Kennelly) 与赫维赛德 (Aeaviside) 各自*立地认为，由于地球的*率存在， 无线电波不可能直接穿越大西洋，而是通过了一次电离层反射。“电离层” 一词 于 1932 年开始使用，由 Watson-Watt 命名。此后，开展了大量的相关研究，揭 示了大量关于电离层的信息：包括垂直结构、时空演化特性、形成机制与影响因 素等。
简单来说，电离层就像位于地球 100～400 km 上空的一面镜子，如图 1.1 所 示，它能够把信号反射到环绕地球凸起的一些点上。如何反射与信号的频率有关， 但通常会对高频 (HF) 段 (3～30 MHz) 产生反射，电离层介质的折射率随着高度 的增加而逐渐减小，射线逐渐向水平方向弯*。在一定条件下，通过电离层和地 面的多次反射可以把信号传播数千千米。在同一时间上，更高层 (F 层) 反射明显 比较低层 (E 层) 单跳传播的距离更远。更高频率的无线信号趋向从更高的高度反 射，但如果频率太高，将无法以反射形式传播，而是穿透电离层并消失在太空中。 这是电波传播的**个复杂性。
第二个复杂性是较低电离层对电波信号的吸收。这对低频信号及入射角更大 的波产生很大影响。因此，实际的无线电通信通常需要折中考虑。电离层经常发 生变化，因此传播预测就是在确定当前路径及电离层状态下如何选择*合适的无 线电频率。理解电离层机制是无线电有效通信的基础。
关于电波传播的更多细节将在第 3 章中讨论，而本书的主题主要是讨论高纬电离层的异常如何对电波传播产生影响。
图 1.1 在电离层与地面间多跳的长距离传播
1.1.2 高纬电离层特征
地球电离层可大致分为三个区域，由于地磁纬度的不同，其特征也有很大的 不同，其中对中纬电离层的探测和理解*为全面。在中纬电离层，电离几乎完全 由太阳发射的高能 X 射线及紫外线产生，并通过可能涉及中性大气与电离成分的 化学复合过程再次消除。离子的运动、产生和损失平衡受中性风的影响。中纬电 离层的典型过程同样在低纬和高纬发生，只不过在这两个区域还有其他的物理过 程起作用。
跨越地磁赤道两侧 20. 或 30. 的区域为低纬区域，因为地磁场在磁赤道上方 是水平的，该区域受到电磁力的强烈影响，主要导致赤道上空的电导率反常增大。 一个强电流 (电集流) 在 E 层流动，F 层受到电动力学抬升和喷泉效应的影响， 扰 动了整个低纬区域电离层的常规形态。
在高纬则是相反的情况，这里的地磁场几乎垂直，这个简单的自然现象却导 致了比中、低纬区域更加复杂的电离层。这是因为磁力线把高纬电离层和受太阳 风驱动的外部磁层连接在了一起；而在中纬是连接内磁层，而内磁层基本上随着 地球自转，因此对外部影响的敏感度较小。由此可得出四个结论：
(a) 高纬电离层是动态的，其环流模式由多变的太阳风控制。
(b) 该区域更容易受太阳抛射的高能粒子影响，产生额外的电离。因此其容易受偶发事件的影响，使极区电波传播产生严重的衰减。在限定的纬度范围内电 离层日侧会直接受太阳风物质的作用。
(c) 极光带发生在高纬地区。它们的位置取决于连接的磁层，这种情况下属于 磁层尾扰动。极光现象与电集流导致地磁扰动及亚暴，通过到达的高能电子使电 离率增加。极光带对于电波传播来说尤其复杂。
(d) 在极光带和中纬电离层间可能会形成电离较少的 “槽”。尽管导致槽的形 成机制尚未完全弄清，但可以确定的是其根本原因为磁层内部和外部间的环流模
式不同。
本书主要讨论高纬电离层，但是在考虑发生在这些区域的特殊行为之前，通 常需要回顾影响电离层的一些过程并总结中纬电离层较为常规的行为。为此*先 需要考虑形成电离层的高层大气的特性。
1.2 大气的垂直结构
1.2.1 命名 (术语)
静态行星大气可用四个特征参数来描述：压强 (P)、密度 (ρ)、温度 (T) 和成 分。由于这些参数并不是*立的，因此没有必要对它们进行详细说明。大气的命 名主要基于温度随着高度的变化，如图 1.2 所示。这里不同的区域和它们之间的 边界分别称为 “层” 及 “层顶”。*低的区域为 “对流层”，其温度随着高度的增加 以 10 K？km.1 或略小的速率降低。对流层的上边界为 “对流层顶”，高度为 10～ 12 km。“平流层” 位于对流层顶之上，曾被认为是等温的，而实际上其温度随着 高度的增加而增加。由于臭氧
