电离层及其对无线电波的作用

1901年无线电信号从欧洲传到美洲之后，人们曾企图用光学中的绕射原理来说明无线电波能绕过这样弯曲的地球表面的现象，但是因为用绕射关系得到的电场强度远比实际测得的小，所以没有成功。以后科学家们又设想高空有一电波反射层，无线电波借这一反射层而达到远方，并且假设这一反射层是由太阳对大气的电离而形成的。到1926年，电离层的存在才被实验所证实。经近多年的研究，发现离地面50公里附近有一电离层，叫作D层；一百公里附近有一电离层，叫作E层；在更高的地方有一电子密度很大的电离层，叫作F层。在夏季白天，F层又分为两层：二百公里处的一层叫作F\(_{1}\)层，在三百公里处的一层叫作F2层。图1说明在不同高度处电子密度的分布关系。本文将要简略地说明：（1）电离层是怎样形成的，（2）电离层怎样随年份、季节和日夜而变化，（3）电离层对无线电波的传播起一些什么作用，（4）怎样探测电离层的高度。

太阳光里含有大量的辐射能，其中尤以紫外线里含的最多。太阳光照射到大气之后，大气原子里的电子便把紫外线的辐射能吸收。电子得到了“外援”（吸收的能量）便摆脱了原子核的引力作用而离开原子。这样一来，便使大气电离成为含有电子和离子的气体。如果大气的成份是固定的（即所含各种气体的比例不变），温度是不变的。离地面越高，大气越稀薄，当能电离大气的射线从高空射入大气时，大气上层不会产生很强的电离，纵然全被电离也不会有很大的电子密度；大气的最下层也不会产生很强的电离，因力射线的能量经过上层大气的吸收，到了下层所余无几，不足以产生很强的电离；所以在大气的中间可以有一个电子密度极大的地方，这个地方就是人们常说的“层”的所在。但是实际上，大气的结构十分复杂，就成份而论，在距地一百公里以内，大气成份基本上是固定的；一百公里以上，成份不再固定，较重的气体在下面，较轻的气体在上面它的分布情况如图2所示。此外，在离地面30到60公里的地方还有臭氧的存在，而氦和氢气则在大气层的极高地方。至于大气温度随高度的变化如图3所示，由地面上升时温度开始降低，到十几公里处又微微开始增高，到五六十公里处又开始降低，在八十公里处达到一个极小值，从此又开始增高直到二百公里附近。再者使气体电离的紫外线中有不同频率的成份，而且使气体电离的还有从太阳上来的具有很大功能的微粒。所有这些因素加起来，便形成了目前用实验证实了的电离层结构图（见图1）。

根据图1和图2的比较研究，可以看出D层和E层在成份固定的大气中，而F\(_{1}\)层则在氮分子层中，F3层则在氧原子层中。

白天在日光继续照射下，大气中的气体分子或原子不断被电离，同时一些电子和离子也因不断进行复合而消失。但是总的说来还能达到相当强的电离程度。到了晚间，大气受不到太阳照射的部分便只有复合作用在继续进行，因而电离的程度逐渐减弱。D层的电子密度很小，而气体密度则很大，所以到了晚间，电子和离子复合的机会很多，所以D层很快便消失了。E层的电子密度大，而其气体密度则很小，在晚间电子和离子复合的机会不多，所以仍能保持一定的电离程度。F1层和F2层在晚间合为一层，电子密度减低了。经过日蚀观察证明E层与F\(_{1}\)层几全为紫外线所产生，而F2层则不然，尚有其他重要来源。

各个电离层的高度和电子密度都随季节和昼夜时间而变化。D层的高度大约在50至60公里之间变化，电子密度约为10\(^{3}\) 电子／每立方公分。E层的高度约在100至130公里之间变化，在白天电子密度约为1.5×105电子／每立方公分，夜间则为10\(^{4}\)电子／每立方公分。冬季白天以及常年晚上，F\(_{1}\)与F2层重合，叫作F层。F层在冬季白天的高度为220—250公里；而F\(_{1}\)层在夏季白天的高度为200—300公里，F2层在夏季白天的高度为300—400公里。此外，F\(_{2}\)层在夏季白天的最大电子密度反比冬季白天F层的最大电子密度小。对于这种现象，目前有一种解释，认为在夏季白天太阳的电离作用虽然强，但是由于夏季白天F2层的温度也十分高，使气作发生膨胀，因而电子密度反而比冬季白天降低了。电离层除了有季节日夜的变化外，还受11年太阳黑子增减周期的影响。黑子是太阳大气中的风暴，比邻近区域温度低，所以显得黑暗。黑子数目的变化，以十一年为周期，叫作太阳的活动周期。黑子多的时候，太阳发出的光和热也增加，所以电离层的电子密度也增加。此外，太阳的非正常性的爆发产生带电的微粒，这种微粒进入大气后，受到地磁力的作用便弯向南北两极，破坏了电离层的正常情况。尤其对于F\(_{2}\)层及两极地区的影响最大，这就是所谓电离层的骚扰。在这种情形下，常常引起通信的中断。

当无线电波投射到电离层的时候，电波在电子密度大的地方比在电子密度小的地方要前进得快些，其结果使无线电波连续向一方折射，最后可以回到地面。这种经过连续折射而回到地面的效果，可以想像为被一理想的反射面所反射，情况和光线被镜子反射类似，如图4所示。这一理想反射面的高度叫虚高，它比实际电波到达的高度小。无线电波在电离层中的折射轨迹弯曲的程度与电离层中电子密度的分布以及无线电波的频率有关。如果在某一电离层中投射波的频率增高了，电波折射缓慢，轨迹的弯曲度便小了；如果频率再增高就可达到电波不折射回来而穿透电离层的地步，如图5所示。无线电波穿透电子密度较小的电离层，还可以被电子密度较大的在更高处的电离层反射回来。如把同一频率的无线电波以不同仰角向电离层投射，则仰角越小，射线只有较轻微的弯曲；仰角越大，射线弯曲得便较厉害，或者经过轻微弯曲而穿透电离层，如图6中的曲线5。如果把不同频率的无线电波以90°的仰角向电离层投射；返回地面的无线电波中的最高频率叫作这一电离层的“临界频率”。频率比临界频率低的电波全可以反射回地面；而频率比临界频率高的电波，在垂直投射时一定穿透这一电离层，倾斜投射的仰角如果小于相应的某一临界角，仍能反射回地面。由图6可以看出，当这种电波的仰角增大时，电波射线跨越距离（返回地面点和发射点间的距离）缩短，如射线1、2，当仰角继续增大时，这小距离便继续缩短，一直达到一个最小的距离，如射线3。这个距离叫跳跃距离，这个距离以内的范围叫静区。若再稍微增大仰角时，跨越距离突然增大，如射线4；仰角再增大时，射线便穿透电离层了，如图中射线5。所以某一频率的跳跃距离是电离层可以反射此一频率的最小跨越距离。如果进行通信的两点间距离是某一频率的跳跃距离，那么这个频率就叫作这两点间进行通信的最大可用频率。

在某一频率的静区内，因地波衰减太快，天波反射不到地面上来，所以听不到此一频率的信号。同一频率的跳跃距离因季节和日夜而变化：晚上比白天大，冬天比夏天大。

实际上，无线电波在电离层中传播时还受到地磁场的影响，以及因电子和中性分子的碰撞而遭受到能量的损失。电波在电离层中使电子和离子产生运动。离子质量大，运动起来困难，其效果比起电子来可以略去不计。

当不考虑地磁影响时，电子在电场的作用下产生振动，这种振动又辐射电波，其总的效果是使走入电离层的电波产生折射现象。如果考虑地磁影响的话，由于电子在地磁场内运动要受到偏转的力量，所以电子在电场和地磁场的作用下要进行椭圆轨迹的运动，其总的效果是把原来进入电离层的无线电波的极化性质改变了。即原来进入电离层的平面波被改变成椭圆极化的非平面波。此外，地磁场使原来进入电离层的无线电波分解为两 个波：即寻常波和非寻常波。两者都是椭圆极化，不过电场旋转的方向相反。被分解的两个波在电离层中的折 射指数不一样，所以它们的轨迹也有一些差别。

虽然电离层中的气压很低，但是被电波振动起来的电子仍然常常和周围的中性分子互相碰撞。电子和中性 分子一碰撞，电子便把从电波中得来的动能交给了中性分子。中性分子得到这些能量便不再产生电的效应，所 以对于电波来说，就是一种能量损失。这种能量损失与气压、电波的频率和电子密度有关。气压高时，电子密 度大时，碰撞的机会就多，损失自然也就大了。频率低时电子得到的平均速度大，则每次碰撞所损失的能量也 大。所以电离层中，以D层和E层的下部能量损失较大，F层则甚小。短波的能量损失小，中波在白天受到D层的严重吸收作用。

前面所介绍的关于电离层的许多材料，都是借电离层观测站的观测而得到的。在现测站中装置了发射机和接收机，两者共用一付天线。发射机每秒钟发出16到60次的脉冲，每一脉冲的持续时间大约是50微秒。每一脉冲由发射机垂直向上发射出去的时候，接收机和天线断开了，但是脉冲信号总还能漏到接收机中来。这时在和接收机相连的示波管的萤光屏上便现出一个脉冲信号。当第一个脉冲由天线发出之后，第二个脉冲发出之前，天线与接收机相连。两个脉冲之间的间隔时间足以使第一个脉冲信号从最高的电离层反射回来。当反射波被天线接收，在示波管的荧光屏上现出信号时，便可以利用反射波比直接漏进接收机的直接波落后的时间差来计算反射层到地球的距离。拿落后时间的一半与光速相乘，便得到虚高。当频率逐渐变动，便能得到无线电波的频率与虚高的关系。在自动化的观测站中，可以直接得到频率一虚高特性曲线。从这种特性曲线中可以直接求得各电离层的临界频率。有了各地观测站一天24小时的观测记录，便可以画出世界各区的电离层图了。电离层图中表示出世界上某一地区在不同纬度上，在—天24小时内电离层的临界频率。有了这些数据便可以用其他方法算出通信中应该选用的工作频率。

从今年7月1日到明年年底是第三届国际地球物理年。在这一年半里，研究的内容十分广泛；有地球物理的各个部门，还有关系地球物理现象的天文和物理的几个分支。其中有电离层的观测。将有100多个电离层现测站分设在全球各地，每天进行24小时的观测。观测的内容有电离层的电子密度、吸收、散射以及对于无线电波的干扰等。国际地球物理年联合世界各电离层台站进行同时间的连续的观测，将给今后电离的研究提供极丰富而有价值的资料。（杨渊）