电离层扰动效应监测

　　 电离层除了规律的周期变化以外，还有各种原因导致的扰动变化。这些扰动变化改变了电离层的正常形态，给电波传播带来显著的影响，产生吸收、折射、色散等各种效应，使得电波的频率、相位等参数发生改变。为保证短波通信、卫星通信等系统的正常运行，对电离层进行专门的扰动效应观测成为必需。由对电离层电波传播效应的直接监测，直观快速地给出扰动的影响程度。电离层扰动效应监测的手段多种多样，下面介绍几种常用的监测手段。

电离层吸收测量

　　
　　电离层对电波会有吸收现象，主要发生在低电离层D区（60-100km）。由于D区电子密度较低，中性分子的数密度很大，当电波穿过D区时，电子通过碰撞把能量转移给了中性分子，从而使电波能量损失于介质中，这就是电波的吸收现象。电波吸收现象在无线电通信特别是在中短波段（300kHz-30MHz）有极其重要的意义。考虑到在D区中的吸收随频率的减小而增加，短波通信总是使用尽可能高的频率，即靠近MUF的频率。
　　
　　宇宙噪声吸收法是一种常用的电波吸收效应的测量方法。它是通过测量从深空到地面的无线电噪声强度来监测电离层吸收的状况。我国的南极中山站设立了成像式宇宙噪声接收机（又称电离层相对浑浊仪）来进行极区的电离层吸收测量。

图1 南极中山站成像式宇宙噪声接收机 记录电离层对宇宙噪声的二维吸收变化

　　一些来自外层空间的天然射电源的辐射强度相当稳定，可以看作是一常数，例如十几到几十MHz范围内的宇宙无线电噪声。地面一固定接收系统收到的噪声功率应只是恒星时的函数。某一时刻的宇宙噪声吸收强度可用电离层吸收极小情况下同一恒星时接收到的信号强度与此时刻收到的信号强度之比给出。
　　
　　在电离层发生剧烈扰动时，电离层吸收效应的变化是非常显著的。例如，太阳质子事件期间，极盖地区的电离层吸收大大增加，短波在D区会被完全吸收，从而无法实现通信，而宇宙噪声吸收强度表现为反常地突然增大。

图2 2003年中山站观测到的太阳质子事件期间的极盖吸收效应

高频多普勒频移监测

　　
　　 正如声源的运动会引起声音的多普勒效应，电离层的运动变化同样会引起电波信号的频率产生偏移，称为多普勒频移。多普勒频移的幅度与电离层反射面的垂直运动速度成正比。

　　高频多普勒监测就是通过接收高频信号(3～30 MHz)，测量其多普勒效应，从而监测电离层的扰动变化。高频多普勒观测相对简易，只需要稳定信号源和频移测量精度达到0.01Hz的接收机。虽然它探测频率较少，但具有探测灵敏度高、时间延续性好和系统费用低廉等突出特点，仍然是电离层扰动变化监测的简单而有效的方法。

图3 耀斑爆发期间发生的突然频率偏移和短波通信中断

图4 中性大气波动引起的电离层扰动

电离层突然骚扰监测

　　
　　电离层突然骚扰（SID）是电离层对太阳耀斑爆发的响应。增强的远紫外和X射线辐射使得向日面的电离层电子浓度显著增大，有时甚至可增加一个量级，从而导致短波在D区发生严重吸收，信号衰减，可用频段变窄，甚至会造成短波通信完全中断，骚扰可持续几十分钟到几个小时。电离层突然骚扰的监测对短波通信和甚低频（VLF）导航有重要作用。
　　
　　甚低频波段的电波在地面与电离层底部之间进行反射传播，对电离层底部的变化非常敏感，当耀斑爆发时，信号强度发生明显的变化。因此可以利用甚低频波段的信号对SID进行监测，研制出甚低频电离层突然骚扰监测仪。SID发生时，VLF波的信号强度显著增大。监测仪观测曲线的变化与X射线流量的变化相符合。

图5 X射线耀斑和电离层突然骚扰监测仪的观测结果

电离层闪烁监测

　　
　　电离层闪烁现象是指无线电信号在通过电离层时，由于电离层中等离子体不均匀分布的区域及其时空变化引起的电波的幅度、相位的快速无规则变化。电离层闪烁影响自VHF/UHF一直到S波段（20MHz～10GHz）。这些频段的电波在穿越电离层时，都会出现程度不同的闪烁现象。一般来说，频率越高，发生闪烁的概率越低。闪烁现象往往发生在夜间。从地域分布看，高纬地区和赤道异常区为闪烁高发区。

图6 L波段电离层闪烁分布的统计

图6 电离层闪烁指数的变化