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让人又爱又恨的电离层究竟是啥

    在地球上空大约60公里~1000公里范围内,有一个特殊的区域,人们对它可谓又爱又恨因为它的存在,使无线通信成为现实,同时它又GPS定位“捣乱鬼”

    这就是电离层。

     电离层的区域也属于高层大气的高度范围, 它之所以单独命名主要是由于其中存在自由电子,虽然电子的密度不到中性成分的1%,但这些自由电子足以影响无线电波的传播

    今天我们就来简单认识一下地球的电离层。

1.电离层的发现

        1901,扎营守候在加拿大讯号山的意大利科学家马可尼,用风筝架高接收天线,接收到了从英格兰发出的跨大西洋的无线电信号。

    这不禁让人们疑惑,无线电波是如何绕地球弯曲的表面传播的?因为按照当时的理论来解释,从英国发射的无线电波一定直太空,怎么可能到达加拿大?

1   马可尼在1901年那次著名实验中的留影

    当时美国科学家肯涅利和英国科学家亥维赛德不约而同地提出:在地球大气层中有电子层的存在,它可以像镜子般把无线电波反射回地面,这种反射回的信号,使得远方的电台可以互相通信。当时把这个电子层叫做肯涅利-亥维赛德层,这就是现在我们所称的电离层。

1924年,英国物理学家阿普尔顿利用新英国广播公司发射的周期性变频信号进行试验,接收到的信号显示距地面90公里处存在一个反射层。据此,证实了电离层的存在。

    从此,电离层作为近地空间环境的一个重要组成部分,成为人们认识自身生存环境的一个重要方面,随后建立了电离层物理学这一学科。

    另一方面,凡涉及电波传播和电磁环境的技术领域,例如通信、广播、导航、定位等都十分重视电波传播电离层效应的研究,以至于电离层无线电波传播成为电离层物理之外的另一研究领域。

    按国际无线电工程师协会(IRE)的定义,电离层就是“存在足够多的自由电子,能够显著地影响无线电波传播”的区域。

2. 电离层如何形成

   电子的产生

    电离层能够导电的原因是其中存在自由的电子和离子。在中性的原子和分子里,电子被原子核牢牢的吸引着,要使电子脱离原子核,必须消耗一定的能量。那么,是什么力量迫使电子离开它所紧紧依附着的原子或分子呢?

    这个看不见的力量来自于太阳。太阳辐射的极紫外线、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过程。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。

2    光电离

    但是,并不是所有高度的大气成分都能电离产生大量自由电子。电离层的形成需要特殊的天时地利条件

        “天时”是指接收到的太阳辐射足够强,能够使中性成分发生电离;“地利”是指正好在地球上空约60公里~1000公里高度范围内,中性大气稀薄适中,电子能够自由存在,并且足够多以致能影响无线电波传播。

    在电离层以下,中性大气稠密,电子和离子很快复合而消失,电子不能自由存在。而在电离层以上的磁层,大气十分稀薄,电子密度极低

 3    电离层的形成示意图

   电子的复合与输运

    电离层中的自由电子、离子,还有中性大气分子和原子都处在不停的运动状态中。它们迅速向各个方向移动着,互相碰撞并向不同的方向分开,并继续不停的运动,然后重复着碰撞和分开的过程。

    电子的质量最小,因此也是最“调皮”的,它在大气中迅速到处游走,有时,它会出现在一个正离子的附近,由于相互吸引,电子就跑进了相遇的离子中,结果重新生成一个中性原子或分子,这就是复合过程。

    有时,自由电子也可能碰上一个中性粒子,它会调皮地在这个粒子上,这时就得到一个带负电的离子,这个负离子也可能遇上带正电的离子,重新复合成中性的分子或原子由于上述的复合过程,电离层中的电子消失了。

    除了电离产生电子、复合损失电子外,电离层中还有一个重要的过程既不产生新的电子也不使电子消失,只是电子在重力,电场和磁场等外力的作用从一个地方被输送到另一个地方,这个重新分布的过程就是输运过程。

电离层的分层

    电离层中低高度的电子主要因复合而损失,而随着高度的增加,电子的输运过程变得越来越重要。电子的产生与损失在不同高度上达到平衡时的结果不同,从而形成了电离层特殊的电子密度随高度分布的结构。

    科学家们喜欢用来给不同的区域命名,实际上这些层之间并没有明显的边界

① 底部:距地面大约60公里以下,电子密度极低,以致于无线电波感觉不到它们的存在,因此认为60公里就是电离层的底部。

② D层:距地面60公里到90公里左右的区域,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。

③ E 高度90公里到120公里左右。E层的自由电子峰值浓度约是D层峰值的100倍。在夜间,E层电子也会由于复合而迅速减少。

④ F高度120公里到1000公里左右。F层电子复合过程较慢,夜间仍然存在,这与夜间电离层顶部向下输送等离子体有关。F层在白天分裂成F1层和F2层,夜间则只有一个F2层。

    F层是自由电子最稠密的区域自由电子密度远远高于D层和E层,对无线电波的反射能力最强。它的存在是短波能够进行远距离通信的主要原因。

 4    电离层的分层

 3. 电离层与电波传播

    从电离层的发现历程可以看出电离层与无线电波传播是密不可分的,那么,无线电波在电离层中究竟是怎样传播的呢?

    光在水或者其它媒质中传播时,会发生折射和反射等效应。同样,无线电波进入电离层时也会发生传播路径的改变。电子密度越大,电波折射得越厉害。

    在一定条件下,从电离层的D层到F2层的峰值处,电波到达某一高度后将开始全反射向下传播,返回地面。对于不同频率的电波,穿过电离层时的传播路径不同,频率越高,越容易穿出电离层。

    例如,甚低频波一般只能在电离层底部和地面构成的腔体内进行传播,长波、中波、短波会在电离层的不同高度被反射,超短波、微波在一般情况下可以穿透电离层而不返回地面。

5    电离层中的电波传播A:折射B吸收C散射D反射

        另外,电波在电离层中传播时,电子从电波获取了能量,又会与中性粒子发生碰撞,从而将部分能量传递给中性粒子,导致无线电波损失了能量。当电离层中的电子足够多,而电波的能量又不够高时,电子对电波的吸收很强,甚至会将电波全部吸收。

    电离层中的D层中性成分的浓度很高,因此这一层是电波吸收的主要区域。D层电离的程度越高,吸收无线电波的能力越强。E层与D层类似,它主要在白天影响传播。F层在白天能把比较高频率的电波反射回地面,而到了晚上由于电子密度的降低,这些较高频率的电波会穿透电离层。因此在晚上,短波的通信频率应比白天低。

1    无线电波频段的划分

        人们利用不同频段的电波,通过电离层实现了各种方式的无线电通信和导航。例如,长波和超长波穿透海水的能力很强,人们利用它们实现对潜艇的通信;利用中波实现广播;利用短波实现远距离通信和广播。

    卫星上天后,利用较高频率的电波,人们实现了全球的卫星通信和卫星导航。卫星信号都是穿过电离层进行传播的。这时,电离层已经不再是信号传播的媒介,而纯粹是一个扰乱者的角色了。例如,人们常常使用的GPS导航设备,会因为电离层的折射误差而降低定位的精度。

    电离层是离我们最近的太空圈层,对无线电通信、卫星导航定位、雷达探测等都会产生重要影响,可以说,它与人类高新技术活动乃至日常生活息息相关。虽然让人又爱又恨,还真是离不开它呢!

 

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11月13日发生中等高能电子暴事件

受重现性冕洞高速流影响, 2017年11月7-10日地磁发生扰动。11月9-12日,地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到小高能电子暴水平,13日,高能电子日积分通量超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2·sr·day),达到橙色警报等级,日积分通量为1.0E+09个/cm2·sr·day。预计未来2天高能电子日积分通量仍可能达到小高能电子暴水平。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

关于近地空间环境的发展态势,我们将密切关注并及时通报。具体的预报情况请关注我们的网站www.sepc.ac.cn

图1 2017年11月13日发生中等高能电子暴事件

 

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“中元节”太阳风暴回顾

       2017年9月4以来,太阳连续爆发了一系列大耀斑,剧烈增强的电磁辐射、大量的高能带电粒子和等离子体云接连扑向地球,太阳风暴的三轮大攻击依次冲击着地球空间环境,中科院空间环境预报中心将这次大事件命名为“中元节”太阳风暴!此次事件是如何发生的?其威力又如何呢?

1.“中元节”太阳风暴

    北京时间20179619:53,太阳爆发X9.3级特大耀斑!X9.3级大耀斑!!!这可是第24太阳活动周以来最大级别的耀斑!而上次出现超过这种级别的耀斑还要追溯到2005年,当时还处于第23太阳活动周的末期!由于这次事件恰逢中国的传统节日——中元节的第二天,中科院空间环境预报中心便将这次大事件命名为“中元节事件”!说起这次事件的起因,我们不得不说到一个黑子群AR2673!

1 SDO卫星观测到的X9.3级耀斑爆发

2.“中元节”事件,一个黑子群的表演

         AR2673,一个再普通不过的黑子群,它自829日转入日面时,并不起眼,面积一直比较小,也比较稳定,没有引起太大的关注。然而,9月3日后,它却发生了逆袭,面积迅速增大,从130个太阳面积单位很快地涨到了960个太阳面积单位,大致相当于几十个地球那么大!!自此,黑子群就活跃起来,连续不断的爆发耀斑,开始了它一个黑子群的表演!

2 黑子群AR2673的演化(8月29日-9月10日)

        AR2673从活跃到转出日面,共爆发了27个M级耀斑和4个X级耀斑。其中,4日爆发的M5.5级耀斑和6日太阳爆发X9.3级大耀斑都伴随有全晕日冕物质抛射,并且X9.3级耀斑伴有高能质子通量上升,受此影响,地球同步轨道大于10MeV的质子通量在9月5日至9月9日达到中等质子事件水平,最大通量为844pfu。

        9月10日,即将转出日面的AR2673再次爆发了一个X8.2级耀斑,并伴随有日冕物质抛射,这是AR2673送给人类的一个回眸。受此影响,地球同步轨道大于10MeV的高能质子通量再次快速上升,并达到了大质子事件水平,最高通量达到1490pfu 。

3  X8.2级耀斑及受太阳质子事件影响的LASCO观测图像

4  9月4-12日的耀斑爆发和太阳质子事件

        AR2673在日面的时间虽然只有短短十几天,但其表演可谓精彩、惊人!!在其表演之后,我们不得不防范其带给我们的影响了。

3. “中元节”太阳风暴给我们带来了什么?

        “中元节”太阳风暴,我们直接看到的是太阳耀斑绚丽的爆发,但与太阳耀斑伴随的,是剧烈增强的电磁辐射、大量的高能带电粒子流、海量的等离子体云,这些都会给地球空间环境造成严重的威胁,就是我们常说的太阳风暴三轮大攻击,将带来一系列的空间天气灾害。

5  太阳风暴的三轮攻击

          AR2673的第一轮攻击——耀斑引起电离层突然骚扰!

6  随耀斑而来的电离层突然骚扰

    电离层突然骚扰会引起向阳面电离层的电离增加,影响短波通讯。北京时间95日白天发生的几次M级耀斑,导致我国绝大部分地区电离层发生短波吸收现象,部分地区发生全吸收。

        AR2673的第二轮攻击——耀斑喷发的高能粒子引起太阳质子事件!

7  中元节太阳风暴引起的太阳质子事件

     北京时间95日的M5级耀斑,引起了两年多都未曾出现的中等太阳质子事件,而96日爆发的X9级特大耀斑,导致太阳质子通量的再次走高;9月10日的X8.2级耀斑,再次引发质子事件,并在短时间内迅速达到大质子事件水平。比较大的太阳质子事件会导致地球所有轨道的单粒子效应的明显增加。此次事件,引起了各类卫星用户的高度重视和关注。

        AR2673的第三轮攻击——耀斑爆发伴随的日冕物质抛射引起地磁暴!

8  X9级耀斑伴随的强烈日冕物质抛射

9  日冕物质抛射引发的大地磁暴

        X9.3级耀斑伴随的CME经过31小时快速传播,到达地球,引起9月8日至9月9日期间的大地磁暴事件;X8.2级耀斑伴随的CME由于其爆发位置位于日面西边缘,位置较偏,只引起了中等地磁暴事件。地磁暴的发生会导致地球低轨道大气密度的急剧增大,对卫星的拖曳效应迅速上升,引起卫星轨道的快速衰减;会导致磁尾热等离子体注入,地方时子夜到凌晨的中高轨卫星的表面充放电效应概率增高;地磁暴及其后数天,可能引发高能电子暴,高轨卫星的深层充电效应概率增大;可能发生电离层暴,引起全球导航定位精度下降。

    在“中元节”太阳风暴中,AR2673的对地球的三轮攻击完美的诠释了它的威力所在!!

4.针对“中元节”太阳风暴,我们做了什么?

    黑子群AR2673在“中元节”的爆发,正处在第24太阳活动周的下降阶段,它的爆发就像平静的湖面激起的一串涟漪,从它激情表演的那一刻起,中科院空间环境预报中心的工作人员也随之忙碌起来。从M5.5级耀斑,到X9.3级耀斑,再到X8.2级耀斑,预报中心及时启动了空间环境事件响应预案,认真对待每一次大的爆发,集中力量分析数据、预报发展趋势、评估影响。从AR2673的初次亮相,到它淡出日面,预报中心共发出13次预报、6次通报、19次警报(橙色以上级别警报)短信、7条微信文章、6条手机要闻短信,并通过空间中心网站、新浪微博、中科院之声、新华网、腾讯网、科技网、中央电视台等媒体渠道及时有效地把AR2673爆发及影响情况传向各个用户单位和公众,信息同时被多家国内外媒体引用和转发。针对特定保障任务,预报中心密切与有关部门沟通,及时加密预报频率。


10  空间环境预报中心发出的部分预报产品及媒体报道

    虽然“中元节”太阳风暴已经成为过去,但太阳爆发活动带有很大的不确定性,空间环境预报中心将密切监视空间环境变化,并及时向相关用户和公众通报。

5. 未来,空间科学卫星将揭示太阳风暴的更多秘密

    为了观测到太阳爆发的三轮攻击,科学家们设计了很多精妙的仪器,并把卫星推送到一些重要的位置来观测,得到太阳爆发和地球空间环境变化的各种观测信息。但遗憾的是,目前太阳观测的卫星图像还主要来自于国外。在我国空间科学先导二期项目支持下,未来5年左右,我国将陆续发射自主的空间科学卫星,为太阳风暴的研究和预报提供更多新的观测资料。其中先进天基太阳天文台(ASO-S致力于同时观测并研究太阳磁场和太阳耀斑、日冕物质抛射三者之间的关系,为空间天气预报提供数据保障;太阳风-磁层相互作用全景成像卫星(SMILE将首次实现对地球磁层的整体成像观测,揭示磁层大尺度结构及其对太阳风扰动的响应,将帮助人类进一步了解太阳活动对地球等离子体环境和空间天气的影响磁层-电离层-热层耦合小卫星星座探测计划(MIT致力于探测地球空间各圈层耦合机制以及这些机制在引起地球空间环境扰动的作用。这些空间科学卫星的升空,将会更加清晰地观测到太阳爆发和地球空间环境变化的过程,加强人类对太阳风暴的认知和理解。

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中等高能电子暴已持续4天

受地磁扰动影响,2017年10月13-14日,地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到小高能电子暴水平;15-18日,地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量连续4天超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2·sr·day),达到橙色警报等级,高能电子日积分通量分别为1.1E+09个/cm2·sr·day、1.2E+09个/cm2·sr·day、2.6E+09个/cm2·sr·day、2.9E+09个/cm2·sr·day。预计中等高能电子暴事件还将持续1天左右。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

关于近地空间环境的发展态势,我们将密切关注并及时通报。

具体的预报情况请关注我们的网站www.sepc.ac.cn

图1 2017年10月15-18日中等高能电子暴事件持续四天

 

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中等高能电子暴已持续3天

受地磁扰动影响,2017年10月13-14日,地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到小高能电子暴水平;15-17日,地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量连续3天超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2·sr·day),达到橙色警报等级,高能电子日积分通量分别为1.1E+09个/cm2·sr·day、1.2E+09个/cm2·sr·day、2.6E+09个/cm2·sr·day。

预计中等高能电子暴事件还将持续1天左右。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。关于近地空间环境的发展态势,我们将密切关注并及时通报。

具体的预报情况请关注我们的网站www.sepc.ac.cn

图1 2017年10月15-17日中等高能电子暴事件持续三天

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