灵鹊做题网电离层是由什么组成的?
来源：学生作业帮 编辑：灵鹊做题网作业帮 分类：综合作业 时间：2024/05/01 08:19:40
电离层是由什么组成的?
电离层是地球大气层被太阳射线电离的部分,它是地球磁层的内界.由于它影响到高频电波的传播,它有非常重要的实际意义.
地球物理
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地球大气层最下面的一层是对流层,它从地面延伸到约10千米的高处.10千米以上为平流层,再向上为中间层.在中间层里入射的阳光形成臭氧层.在约80千米以上的热成层大气已经非常稀薄,在这里阳光中的紫外线和X射线可以使得空气分子电离,自由的电子在与正电荷的离子合并前可以短暂地自由活动,这样在这个高度造成一个等离子体.在这里自由电子的数量足以影响电波的传播.
在电离层中阳光电离大气分子与离子重新捕获自由电子的过程平衡.一般来说高度越高,大气约稀薄,则电离过程约占上风.不过电离层的特性还随许多其它因素影响.
电离过程的主力是太阳及其活动.电离层内电离度主要由获得的太阳辐射所影响.因此电离层随周日和季节（冬季半球远离太阳,因此受到的辐射比较少）而变化.太阳活动主要随太阳黑子周期而变化.一般来说太阳表面黑子越多,太阳活动越强烈.除此以外随地球表面纬度的不同当地受到的太阳辐射强度也不同.耀斑和太阳风中的带电粒子可以与地球磁场相互作用,导致对电离层的扰乱.
分层
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太阳辐射对不同高度不同成分的空气分子电离造成电离层不同的分层：
D层
D层是电离层最低的一层,离地球表面50至90千米.这里主要是波长为121.5纳米的赖曼-α氢光谱线的光电离一氧化氮.在太阳活动非常强烈时（超过50个黑子）,硬X射线还可以电离空气中的氮气和氧气的分子.夜间宇宙射线造成一个剩余电离.这个层里离子对自由电子的捕获率比较高,因此电离效应比较低,因此它对高频无线电波没有影响.日间这里自由电子与其它粒子的碰撞率约为每秒1000万次.10MHz以下的电波会被D层吸收,随着电波频率的增高这个吸收率下降.夜间这个吸收率最低,中午最高.日落后这个层减弱非常大.D层最明显的效应是白天远处的中波电台收不到.
E层
E层是中层,在地面上90至120千米.这里的电离主要是软X射线和远紫外线对氧气分子的电离.这个层只能反射频率低于10MHz的电波,对频率高于10MHz的电波它有吸收的作用.E层的垂直结构主要由电离和捕获作用所决定.夜间E层开始消失,因为造成电离的辐射消失了,由于捕获在低处比较强,因此其高度开始上升.高空周日变化的风对E层也有一定影响.随着夜间E层的升高,电波可以被反射到更加远的地方.
ES层
ES层也被称为偶现E层.它是小的、强烈电离的云,它可以反射频率在25至225MHz之间的电波.偶现E层可以持续数分钟到数小时不等,其形成原因可能有多种,而且还在研究中.夏季偶现E层出现得比较多,持续时间一般也比冬季长.电波的反射距离一般为1000千米左右.
F层
F层离地面120至400千米.在这里太阳辐射中的强紫外线（波长10至100纳米）电离单原子氧.F层对于电波传播来说是最重要的层.夜间F层合并为一个层,白天分为F1和F2两个层.大多数无线电波天波传送是F层形成的.在白天F层是电离层反射率最高的层.
异常
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实际上电离层不象上面所叙述的那样由规则的、平滑的层组成.实际上的电离层由块状的、云一般的、不规则的电离的团或者层组成.
冬季异常
夏季由于阳光直射中纬度地区的F2层在白天电离度加高,但是由于季节性气流的影响夏季这里的分子对单原子的比例也增高,造成离子捕获率的增高.这个捕获率的增高甚至强于电离度的增高.因此造成夏季F2层反而比冬季低.这个现象被称为冬季异常.在北半球冬季异常每年都出现,在南半球在太阳活动低的年度里没有冬季异常.
赤道异常
在地球磁赤道左右约±20度之间F2层形成一个电离度高的沟,这个现象被称为赤道异常.其形成原因如下：在赤道附近地球磁场几乎水平.由于阳光的加热和潮汐作用电离层下层的等离子上移,穿越地球磁场线.这在E层形成一个电流,它与水平的磁场线的相互作用导致磁赤道附近±20度之间F层的电离度加强.
扰乱
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X射线：突发电离层骚扰
太阳活跃时期强烈的耀斑发生时硬X射线会射击到地球.这些射线可以一直穿透到D层,在这里迅速导致大量自由电子,这些电子吸收高频（3-30MHz）电波,导致无线电中断.与此同时及低频（3-30kHz）会被D层（而不是被E层）反射（一般D层吸收这些信号）.X射线结束后D层电子迅速被捕获,无线电中断很快就会结束,信号恢复.
质子：极冠吸收
耀斑同时也释放高能质子.这些质子在耀斑爆发后15分钟至2小时内到达地球.这些质子沿地球磁场线螺旋在磁极附近撞击地球大气层,提高D层和E层的电离.极冠吸收可以持续一小时至数日,平均持续24至36小时.
地磁风暴
地磁风暴是地球磁场暂时的、剧烈的骚扰.
地磁风暴时F2层非常不稳定,会分裂甚至完全消失.
在极地附近会有极光产生.
无线电应用
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电离层被用来反射和传送高频无线电信号.反射后的信号回到地球表面,可以再次被反射到电离层.
电波可以使得电离层里的自由电子以同样的频率振荡.假如此时自由电子被捕获的话电波中的部分能量消失.假如电离层里自由电子的碰撞频率小于电波频率,而且自由电子密度足够高的话可以产生全发射.
假如电波频率高于电离层内的等离子频率的话,则电子运动不够快来反射电波.在一个临界频率以下电离层可以垂直反射电波：
f{critical} = 9 \times 10^{-3} \sqrt{N}
N是每立方厘米电子密度,fcritical是频率（单位为MHz）.
最高可用频率是在一定时间里可以在两点之间传送信号的频率上限.
f{muf} = \frac{f{critical}}{ \sin{(I)}}
I是波与水平线之间的角度.
截止频率以下的电波无法在一定角度下穿透电离层.
其它应用
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有人建议使用电离层来从地球磁场里获取能量.目前有对这个建议的可行性的研究.
测量
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电离层图
电离层图显示使用电离层探测仪测量的电离层层次的高度及其临界频率.电离层探测仪垂直向电离层发送一系列频率（一般从0.1至30MHz）.随频率增高,信号在被发射前可以穿透更高的层.最后频率高到不再被反射.
太阳流
太阳流是使用加拿大渥太华的一台射电望远镜测量的太阳辐射在2800MHz频率的强度.测量结果证明这个强度与太阳黑子活动相称.不过导致地球大气上层电离的主要是太阳的紫外线和X射线.目前地球静止业务环境卫星可以测量太阳的X射线流.这个数据与电离层的电离度更加相应.
研究项目
科学家使用不同手段研究电离层的结构,包括被动观测电离层产生的光学和无线电信号,研究不同的射电望远镜被反射的信号,以及被反射的信号与原信号之间的差别.
1993年开始的为期20年的高频活动极光研究计划以及类似的项目研究使用高能无线电发射机来改变电离层的特性.这些研究集中于研究电离层等离子体的特性来更好地理解电离层,以及利用它来提高民用和军事的通讯和遥测系统.
超级双子极光雷达网研究高高度和中高度对8至20MHz频率的相干散射.相干散射与晶体的布拉格散射类似,是由电离层密度差异造成的相增衍射散射.这个项目包括全球11个不同国家的多部雷达.
科学家还测量卫星和其它恒星的无线电波经过电离层所产生的变化.位于波多黎各的阿雷西博天文台本来就是打算用来研究地球电离层的.
地球物理
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地球大气层最下面的一层是对流层,它从地面延伸到约10千米的高处.10千米以上为平流层,再向上为中间层.在中间层里入射的阳光形成臭氧层.在约80千米以上的热成层大气已经非常稀薄,在这里阳光中的紫外线和X射线可以使得空气分子电离,自由的电子在与正电荷的离子合并前可以短暂地自由活动,这样在这个高度造成一个等离子体.在这里自由电子的数量足以影响电波的传播.
在电离层中阳光电离大气分子与离子重新捕获自由电子的过程平衡.一般来说高度越高,大气约稀薄,则电离过程约占上风.不过电离层的特性还随许多其它因素影响.
电离过程的主力是太阳及其活动.电离层内电离度主要由获得的太阳辐射所影响.因此电离层随周日和季节（冬季半球远离太阳,因此受到的辐射比较少）而变化.太阳活动主要随太阳黑子周期而变化.一般来说太阳表面黑子越多,太阳活动越强烈.除此以外随地球表面纬度的不同当地受到的太阳辐射强度也不同.耀斑和太阳风中的带电粒子可以与地球磁场相互作用,导致对电离层的扰乱.
分层
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太阳辐射对不同高度不同成分的空气分子电离造成电离层不同的分层：
D层
D层是电离层最低的一层,离地球表面50至90千米.这里主要是波长为121.5纳米的赖曼-α氢光谱线的光电离一氧化氮.在太阳活动非常强烈时（超过50个黑子）,硬X射线还可以电离空气中的氮气和氧气的分子.夜间宇宙射线造成一个剩余电离.这个层里离子对自由电子的捕获率比较高,因此电离效应比较低,因此它对高频无线电波没有影响.日间这里自由电子与其它粒子的碰撞率约为每秒1000万次.10MHz以下的电波会被D层吸收,随着电波频率的增高这个吸收率下降.夜间这个吸收率最低,中午最高.日落后这个层减弱非常大.D层最明显的效应是白天远处的中波电台收不到.
E层
E层是中层,在地面上90至120千米.这里的电离主要是软X射线和远紫外线对氧气分子的电离.这个层只能反射频率低于10MHz的电波,对频率高于10MHz的电波它有吸收的作用.E层的垂直结构主要由电离和捕获作用所决定.夜间E层开始消失,因为造成电离的辐射消失了,由于捕获在低处比较强,因此其高度开始上升.高空周日变化的风对E层也有一定影响.随着夜间E层的升高,电波可以被反射到更加远的地方.
ES层
ES层也被称为偶现E层.它是小的、强烈电离的云,它可以反射频率在25至225MHz之间的电波.偶现E层可以持续数分钟到数小时不等,其形成原因可能有多种,而且还在研究中.夏季偶现E层出现得比较多,持续时间一般也比冬季长.电波的反射距离一般为1000千米左右.
F层
F层离地面120至400千米.在这里太阳辐射中的强紫外线（波长10至100纳米）电离单原子氧.F层对于电波传播来说是最重要的层.夜间F层合并为一个层,白天分为F1和F2两个层.大多数无线电波天波传送是F层形成的.在白天F层是电离层反射率最高的层.
异常
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实际上电离层不象上面所叙述的那样由规则的、平滑的层组成.实际上的电离层由块状的、云一般的、不规则的电离的团或者层组成.
冬季异常
夏季由于阳光直射中纬度地区的F2层在白天电离度加高,但是由于季节性气流的影响夏季这里的分子对单原子的比例也增高,造成离子捕获率的增高.这个捕获率的增高甚至强于电离度的增高.因此造成夏季F2层反而比冬季低.这个现象被称为冬季异常.在北半球冬季异常每年都出现,在南半球在太阳活动低的年度里没有冬季异常.
赤道异常
在地球磁赤道左右约±20度之间F2层形成一个电离度高的沟,这个现象被称为赤道异常.其形成原因如下：在赤道附近地球磁场几乎水平.由于阳光的加热和潮汐作用电离层下层的等离子上移,穿越地球磁场线.这在E层形成一个电流,它与水平的磁场线的相互作用导致磁赤道附近±20度之间F层的电离度加强.
扰乱
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X射线：突发电离层骚扰
太阳活跃时期强烈的耀斑发生时硬X射线会射击到地球.这些射线可以一直穿透到D层,在这里迅速导致大量自由电子,这些电子吸收高频（3-30MHz）电波,导致无线电中断.与此同时及低频（3-30kHz）会被D层（而不是被E层）反射（一般D层吸收这些信号）.X射线结束后D层电子迅速被捕获,无线电中断很快就会结束,信号恢复.
质子：极冠吸收
耀斑同时也释放高能质子.这些质子在耀斑爆发后15分钟至2小时内到达地球.这些质子沿地球磁场线螺旋在磁极附近撞击地球大气层,提高D层和E层的电离.极冠吸收可以持续一小时至数日,平均持续24至36小时.
地磁风暴
地磁风暴是地球磁场暂时的、剧烈的骚扰.
地磁风暴时F2层非常不稳定,会分裂甚至完全消失.
在极地附近会有极光产生.
无线电应用
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电离层被用来反射和传送高频无线电信号.反射后的信号回到地球表面,可以再次被反射到电离层.
电波可以使得电离层里的自由电子以同样的频率振荡.假如此时自由电子被捕获的话电波中的部分能量消失.假如电离层里自由电子的碰撞频率小于电波频率,而且自由电子密度足够高的话可以产生全发射.
假如电波频率高于电离层内的等离子频率的话,则电子运动不够快来反射电波.在一个临界频率以下电离层可以垂直反射电波：
f{critical} = 9 \times 10^{-3} \sqrt{N}
N是每立方厘米电子密度,fcritical是频率（单位为MHz）.
最高可用频率是在一定时间里可以在两点之间传送信号的频率上限.
f{muf} = \frac{f{critical}}{ \sin{(I)}}
I是波与水平线之间的角度.
截止频率以下的电波无法在一定角度下穿透电离层.
其它应用
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有人建议使用电离层来从地球磁场里获取能量.目前有对这个建议的可行性的研究.
测量
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电离层图
电离层图显示使用电离层探测仪测量的电离层层次的高度及其临界频率.电离层探测仪垂直向电离层发送一系列频率（一般从0.1至30MHz）.随频率增高,信号在被发射前可以穿透更高的层.最后频率高到不再被反射.
太阳流
太阳流是使用加拿大渥太华的一台射电望远镜测量的太阳辐射在2800MHz频率的强度.测量结果证明这个强度与太阳黑子活动相称.不过导致地球大气上层电离的主要是太阳的紫外线和X射线.目前地球静止业务环境卫星可以测量太阳的X射线流.这个数据与电离层的电离度更加相应.
研究项目
科学家使用不同手段研究电离层的结构,包括被动观测电离层产生的光学和无线电信号,研究不同的射电望远镜被反射的信号,以及被反射的信号与原信号之间的差别.
1993年开始的为期20年的高频活动极光研究计划以及类似的项目研究使用高能无线电发射机来改变电离层的特性.这些研究集中于研究电离层等离子体的特性来更好地理解电离层,以及利用它来提高民用和军事的通讯和遥测系统.
超级双子极光雷达网研究高高度和中高度对8至20MHz频率的相干散射.相干散射与晶体的布拉格散射类似,是由电离层密度差异造成的相增衍射散射.这个项目包括全球11个不同国家的多部雷达.
科学家还测量卫星和其它恒星的无线电波经过电离层所产生的变化.位于波多黎各的阿雷西博天文台本来就是打算用来研究地球电离层的.