我们如何来了解电离层的行为和特征（我们如何来了解电离层的行为）

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空少问答

小课堂

第三十八期

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22

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周

一

太空绳索——像放风筝一样放卫星？

上周六，空少为大家留了1个问题，来看看空少的解答以及从留言中选出的最佳答案吧！

想要查看原问题背景介绍的朋友们可以点击《我们如何来了解电离层的行为？

》~下面就让我们来看看空少的解答吧！

空少正解

答：电离层是大气层中特殊的一层，因其与人类的生活息息相关而得到大家广泛的关注。它的位置也非常特殊，下启大气层，上接磁层。

我们都知道磁层是完全电离的等离子体区域，因此也有人把磁层看作是电离层向太空的延伸，磁层的许多物理过程都能在电离层上反映出来，因此电离层还有一个动感的名字—磁层活动的“显示器”，极光就是它呈现出来最精彩的节目。

正如问题中所描述的一样，电离层中成分众多，且相互影响，单一影响因素的作用就能对其的结构形态产生较大的变化，所以对它的研究有许多假设，而这些假设就构建了一个初级的电离层理论—查普曼理论。

电离层中最主要的变化反映为电子的变化，根据电子密度的变化把电离层分为了不同的层次，通常有D、E、F 层，F层时常发生分裂，又被分为F1层和F2层。电离层中电子不会不断产生，也不会凭空复合消失，查普曼理论建立了太阳天顶角与某一高度电子生成率的关系，随着高度的变化，总有一个平衡区间，让电子的生成率和复合率相等，此时电子浓度达到最大值。

这个由光复合和电离过程决定电子分布区域的层级就被称为查普曼层，电离层的D、E、F1层的电子分布很好地复合查普曼理论模型，因此也被称为查普曼层。

在电离层的这些结构里经常会发现一些不规则的结构，例如拓展F层和散见E层。拓展F层是根据观测形态命名的，在用测高仪探测电离层时，当发射频率等于电离层某高度上的等离子频率时，电波就会被反射回来，通过测时间我们可以知道其高度，这个高度与电波的频率是一一对应的。

但是当拓展F层出现时，电波返回出来的波形对应的不是一条直线，而是弥散的一片，这表明在该高度范围内电离层结构是不稳定动态结构，从而造成了漫反射。这种情况通常出现在F层，因此也被形象的成为“拓展斧”。

北京十三陵台站数字测高仪获得的电离层频高图，反映了电子浓度随高度的变化曲线

另一种不规则结构是散见E层，在E层的高度上，会出现薄层结构，这个结构在频率很宽的范围内反射电波，有时会透射出去，从上部电离层反射下来，这个薄层结构可以绵延数千平方公里，由于它的出现方式和规律还未探明，因此被称作散见E层。

这些电离层的不规则结构之所以这么受重视，是因为当电波通过电离层时，这些不均匀结构会导致，信号振幅和相位发生不规则变化，这些不规则变化严重时会导致通信系统和卫星导航系统受影响，这个现象就是我们经常说的电离层闪烁。

目前对电离层研究的主要工具仍然是测高仪，它的常规探测已经有60多年的历史了，但是随着技术的发展，它除了展示频率与高度的关系外，还会展示其他数字化的信息，例如散射角、场强、多普勒频移速度等。

但是根据测高仪的记录反演电离层结构依然有许多困难，其中一个就是无法获得F2层峰以上的电离层信息，因为F2层峰电子数密度达到最大，高于这一频率的电波无法反射回来。但是这依旧难不倒我们，我们可以从F2层峰的上方自上而下进行顶部探测，通过这种方法我们为电离层研究得到了许多有用的数据吗，从而能够反演出完整电离层的形态结构。

除此之外，大功率雷达也是探测电离层的强有力手段，它接收的不是单一的反射波而是各种不规则体结构的散射波，通过分析这些散射波，我们能够根据多普勒频移得到规则体结构的速度信息，以及相对应电场和风场的信息。除了通过间接反演的方法了解电离层外，直接发射探空火箭和探空气球也是重要的探测手段。

上述方法虽然对了解电离层起到了一定的作用，但是探测范围实在是太小了，只能对局部进行探测，这也为了解电离层形态大范围变化带来了困难。发射卫星能很好地解决一部分这个问题，未来我国将发射MIT卫星（磁层-电离层-热层耦合小卫星星座探测计划），相信它的升空对我们了解电离层和磁层的关系将起到巨大作用。让我们拭目以待吧！

留言区·精选

@ 水蛇ฉันคิดถึง

盛行风 中层大气环流的上延部分，它是低电离层中的主要风系。由于低电离层中碰撞频率很高，大气中性成分与电离成分一道运动。 大气湍流 低电离层中的主要运动形式。中层大气的湍流运动由下向上一直延伸到120公里,导致电离层中出现不均匀电离结构。 用探空火箭

@ 星

极光吧，只能想到这个了，如果说了解它的行为，那就是通过发射电磁波的方式是最好了解它对信号干扰什么之类的

@ 郭金涵

可以通过地基GPS观测解算出电离层Tec参数，然后通过研究Tec变化来了解电离层的行为，一般地，在某些空间天气比如日冕物质抛射和耀斑，大的地质活动如高级别的地震的影响下电离层Tec都会有一定的异常值出现。

@ 人之初

我不知道我的想相是否对，但我一直很迷惑不解。大家都知道“水”分子是由氢原子和氧原子组成的，在所为的大气层中就含有大量的氧气，我们见到的“雨水”是不是就是电离层这个特定的环境下，将氢气与氧气组合成的。

感谢大家的支持，我们下期再见！

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