地球高层大气中电离层的物理特性能够使我们利用它开展越来越广泛的通信应用。《高纬电离层及其对无线电传播的影响》以现代的视角分析了高纬高层大气的物理和现象，以及极光和极地地区无线电传播的形态。
涵盖无线电传播的基础知识和电离层研究中无线电技术的使用，以及对高纬电离层物理和形态的描述。高纬无线电传播的许多研究以前只发表在会议和研究报告中，《高纬电离层及其对无线电传播的影响》陈述了许多平静和受扰的高纬高频传播行为的例子。

第 1 章 电离层基本原理
1.1 引 言
1.1.1 电离层与电波传播
电离层是电离大气的一部分，通常由数量相等的自由电子和离子组成，呈现 电中性。尽管带电粒子在中性大气中占少数，但其对介质的电学特性有着显著影 响，而且正是它们的存在，使得利用一次或多次电离层反射进行远距离无线通信 成为可能。
电离层早期的历史与通信的发展息息相关。*次提出高层大气中存在带电层 的观点要追溯到 19 世纪，但实际发展始于 1901 年著名的马可尼 (Marconi) 跨 大西洋无线电传输实验 (从英国的康沃尔至加拿大的纽芬兰)。通过这个实验，肯 内利 (Kennelly) 与赫维赛德 (Aeaviside) 各自*立地认为，由于地球的*率存在， 无线电波不可能直接穿越大西洋，而是通过了一次电离层反射。“电离层” 一词 于 1932 年开始使用，由 Watson-Watt 命名。此后，开展了大量的相关研究，揭 示了大量关于电离层的信息：包括垂直结构、时空演化特性、形成机制与影响因 素等。
简单来说，电离层就像位于地球 100～400 km 上空的一面镜子，如图 1.1 所 示，它能够把信号反射到环绕地球凸起的一些点上。如何反射与信号的频率有关， 但通常会对高频 (HF) 段 (3～30 MHz) 产生反射，电离层介质的折射率随着高度 的增加而逐渐减小，射线逐渐向水平方向弯*。在一定条件下，通过电离层和地 面的多次反射可以把信号传播数千千米。在同一时间上，更高层 (F 层) 反射明显 比较低层 (E 层) 单跳传播的距离更远。更高频率的无线信号趋向从更高的高度反 射，但如果频率太高，将无法以反射形式传播，而是穿透电离层并消失在太空中。 这是电波传播的**个复杂性。
第二个复杂性是较低电离层对电波信号的吸收。这对低频信号及入射角更大 的波产生很大影响。因此，实际的无线电通信通常需要折中考虑。电离层经常发 生变化，因此传播预测就是在确定当前路径及电离层状态下如何选择*合适的无 线电频率。理解电离层机制是无线电有效通信的基础。
关于电波传播的更多细节将在第 3 章中讨论，而本书的主题主要是讨论高纬电离层的异常如何对电波传播产生影响。
图 1.1 在电离层与地面间多跳的长距离传播
1.1.2 高纬电离层特征
地球电离层可大致分为三个区域，由于地磁纬度的不同，其特征也有很大的 不同，其中对中纬电离层的探测和理解*为全面。在中纬电离层，电离几乎完全 由太阳发射的高能 X 射线及紫外线产生，并通过可能涉及中性大气与电离成分的 化学复合过程再次消除。离子的运动、产生和损失平衡受中性风的影响。中纬电 离层的典型过程同样在低纬和高纬发生，只不过在这两个区域还有其他的物理过 程起作用。
跨越地磁赤道两侧 20. 或 30. 的区域为低纬区域，因为地磁场在磁赤道上方 是水平的，该区域受到电磁力的强烈影响，主要导致赤道上空的电导率反常增大。 一个强电流 (电集流) 在 E 层流动，F 层受到电动力学抬升和喷泉效应的影响， 扰 动了整个低纬区域电离层的常规形态。
在高纬则是相反的情况，这里的地磁场几乎垂直，这个简单的自然现象却导 致了比中、低纬区域更加复杂的电离层。这是因为磁力线把高纬电离层和受太阳 风驱动的外部磁层连接在了一起；而在中纬是连接内磁层，而内磁层基本上随着 地球自转，因此对外部影响的敏感度较小。由此可得出四个结论：
(a) 高纬电离层是动态的，其环流模式由多变的太阳风控制。
(b) 该区域更容易受太阳抛射的高能粒子影响，产生额外的电离。因此其容易受偶发事件的影响，使极区电波传播产生严重的衰减。在限定的纬度范围内电 离层日侧会直接受太阳风物质的作用。
(c) 极光带发生在高纬地区。它们的位置取决于连接的磁层，这种情况下属于 磁层尾扰动。极光现象与电集流导致地磁扰动及亚暴，通过到达的高能电子使电 离率增加。极光带对于电波传播来说尤其复杂。
(d) 在极光带和中纬电离层间可能会形成电离较少的 “槽”。尽管导致槽的形 成机制尚未完全弄清，但可以确定的是其根本原因为磁层内部和外部间的环流模
式不同。
本书主要讨论高纬电离层，但是在考虑发生在这些区域的特殊行为之前，通 常需要回顾影响电离层的一些过程并总结中纬电离层较为常规的行为。为此*先 需要考虑形成电离层的高层大气的特性。
1.2 大气的垂直结构
1.2.1 命名 (术语)
静态行星大气可用四个特征参数来描述：压强 (P)、密度 (ρ)、温度 (T) 和成 分。由于这些参数并不是*立的，因此没有必要对它们进行详细说明。大气的命 名主要基于温度随着高度的变化，如图 1.2 所示。这里不同的区域和它们之间的 边界分别称为 “层” 及 “层顶”。*低的区域为 “对流层”，其温度随着高度的增加 以 10 K？km.1 或略小的速率降低。对流层的上边界为 “对流层顶”，高度为 10～ 12 km。“平流层” 位于对流层顶之上，曾被认为是等温的，而实际上其温度随着 高度的增加而增加。由于臭氧层吸收太阳辐射的紫外线，在约 50 km 的高度上温 度达到*大值，这里被称为 “平流层顶”。在平流层顶之上，“中间层” 温度又逐渐 减小，在 80～85 km 的高度上即 “中间层顶” 达到另一个*小值，约 180 K，这是 整个大气*冷的部分。在中间层顶之上，由于太阳紫外线辐射加热使得温度梯度 一直为正数，这里称为 “热层”。*终热层温度几乎为常数，其值随着时间变化但 总保持在 1000 K 以上，是大气层中*热的部分。
图 1.2 基于温度、成分、混合物和电离的高层大气的命名 (J. K. Hargreaves， The Solar-Terrestrial Environment. Cambridge University Press， 1992)
尽管通过温度分类通常*实用，但其他基于混合状态、成分或电离状态的分类也很有用。大气*低的部分是充分混合的，除了次要的成分外，其成分与海平 面的成分相似，为 “湍流层” 或 “均质层”。在上层区域基本上是热层，混合被正 温度梯度所抑制，这里称为 “非均质层”，其不同的成分在重力作用下分离，因此 它的成分随高度而变化。在两个区域之间的边界，约在 100 km 处为 “湍流层顶”。 在湍流层顶以上，由于气体的扩散造成的分离要比湍流的混合快得多。
在非均质层区域主要成分是氢或氧，分别称为 “日球层” 和 “质子层”。在 600 km 以上的更高区域，单个原子能够逃脱地球引力的吸引，这个区域称为 “逸 散层”。逸散层的底部为 “逸散层底” 或 “气压层顶”。低于气压层顶的区域为 “气 压层”。
术语 “电离层” 和 “磁层” 分别应用于大气电离的区域和地磁场控制粒子运动
的*外层区域。地磁场外边界 (在太阳方向上约 10 个地球半径处) 为 “磁层顶”。
1.2.2 大气流体静力学平衡
温度、压强、密度和成分之间的性质决定了大气的很多行为。这些参数并不是 *立的，通过普适的气体规律相联系，同时也可写成多种形式。本书给出的形式为
P = nkT (1.1)
其中，n 为单位体积内的分子数量。严格来说，n 的数量称为 “浓度” 或 “数密度”， 但当理解比较清晰时也经常使用 “密度” 这个词。
除了其成分，大气*重要的特征为压强和密度随着高度的增加而减小。这种
高度变化可用流体静力学方程 (有时候称为大气压方程) 来表述，很容易从**原
理中推导得到。压强随着高度的变化为
P = P0 exp(.h/H) (1.2)
其中，P 为在高度 h 处的压强，P0 为高度 h = 0 时的压强，标高 H 可表示为
H = kT/(mg) (1.3)
其中，k 为玻尔兹曼常量，T 为绝对温度，m 为大气单个分子的质量，g 为地球 引力的加速度。
若 T 和 m 为常数 (g 随着高度的变化可忽略)，H 用于定义大气的厚度，在 垂直高度上 n 以因子 e (= 2.718) 的速度下降。H 越大，若气体越热或越轻，则大 气越厚。在地球大气中，H 的变化范围从在 80 km 高度上的约 5 km 至在 500 km 高度上的 70～80 km。
运用方程 (1.1)，流体静力学方程可写成另外的形式
dP/P = dn/n + dT/T = .dh/H (1.4)
由此，可以赋予 H 一个局部值，即使其随高度而变化。
另外一种有用的形式为
P/P0 = exp [.(h . h0) /H] = e.z (1.5)
其中，在高度 h = h0 时 P = P0，约化高度定义为
z = (h . h0) /H (1.6)
流体静力学方程也可以写成质量密度 (ρ) 和数密度 (n) 的形式。在至少一个 标高上，若 T、g 和 m 为常数，由于 n/n0 = ρ/ρ0 = P/P0，此方程在本质上与 以 P、ρ 和 n 为形式的方程相同。比率 k/m 也可由 R/M 代替，其中 R 为气体 常数，M 为相对分子质量。
无论大气气体在高度上如何分布，其在高度 h0 处的压强 P0 为 h0 以上的单 位截面积圆柱的气体重量。因此
P0 = NTmg = n0kT0 (1.7)
其中，NT 为高于 h0 的圆柱上的分子数总量，n0 和 T0 分别为高度 h0 处的浓度 和温度。因此
NT = n0kT0/(mg) = n0H0 (1.8)
其中，H0 为在 h0 处的标高。这个方程说明如果高于 h0 的大气被压缩至密度n0(已在 h0 处应用)，那么其将正好充满一个标高圆柱。需要注意的是地球表面单位面积的大气总质量与压强除以 g 相等。
尽管我们经常认为重力加速度 g 为常数，但是实际上其随着高度以 g (h) 1/ (RE + h)2 改变，其中 RE 为地球半径。通过定义位势高度可以把重力改变的
影响考虑进去
h. = REh/ (RE + h) (1.9)
一个分子在球面地球高度 h 上的势能与假设有着重力加速度 g (0) 的平面地球上高度为 h. 的势能相同。
在均质层中，大气很好地混合在一起，平均相对分子质量决定标高和压强随 着高度而改变。在非均质层中，每个成分的局部压强由其成分的相对分子质量决 定。每一成分有着自己的分布，根据道尔顿定律，大气的总压强为局部压强之和。
1.2.3 逸散层
在讨论大气流体静力学方程时，把大气看成可压缩的流体，通过气体规律使 温度、压强和密度相联系。这仅仅适用于有足够多的大气分子碰撞，可建立麦克斯韦速度分布。压强和碰撞频率随着高度的增加而减小，而且在约 600 km 的高 度上典型的分子间碰撞达到 “平均自由程” 距离，变得与标高相等。在这个水平及 以上可认为大气以不同的方式存在，不是流体而是单个分子或原子的集合，在地 球引力下遵循各自的轨迹。这个层被称为逸散层。
然而严格来说，流体静力学方程仅仅适用于气压层，若速度服从麦克斯韦分 布，该方程依旧能够以相同的方式应用。一定程度上这在逸散层成为现实，而且至 少作为一种近似流体静力学方程的使用通常可延伸至 1500～2000 km。然而，若 大气中损失了大量气体将不再适用，因为更多更快的分子损失将改变这些存在的 速度分布。诸如比较轻的氢和氧受影响*大。
在逸散层，气体分子逃离引力场的速率与其垂直速度有关。建立向上运动粒子的动能、势能和逃逸速度 (ve) 方程为
v2
e = 2gr (1.10)
其中，r 为粒子离地心的距离 (不考虑粒子的质量，在地

目录
译者序
原书前言
第 1 章 电离层基本原理 1
1.1 引言 1
1.1.1 电离层与电波传播 1
1.1.2 高纬电离层特征 2
1.2 大气的垂直结构 3
1.2.1 命名 (术语) 3
1.2.2 大气流体静力学平衡 4
1.2.3 逸散层 5
1.2.4 中性大气的温度剖面 6
1.2.5 成分 8
1.3 高层大气物理 10
1.3.1 引言 10
1.3.2 Chapman 函数 12
1.3.3 化学复合原理 14
1.3.4 垂直输运 16
1.4 电离层的主要层 18
1.4.1 引言 18
1.4.2 E 层和 F1 层 20
1.4.3 D 层 25
1.4.4 F2 层和质子层 30
1.4.5 F2 层异常 32
1.4.6 太阳黑子周期的影响 36
1.4.7 F 层电离层暴 37
1.5 电离层电导率 39
1.5.1 引言 39
1.5.2 无磁场时的电导率 39
1.5.3 磁场的影响 39
1.5.4 电导率的高度变化 40
1.5.5 电流 42
1.6 声重力波和电离层行扰 42
1.6.1 引言 42
1.6.2 理论 43
1.6.3 电离层行扰 46
1.6.4 文献 46
1.7 参考文献 47
第 2 章 影响高纬电离层的地球物理现象 51
2.1 引言 51
2.2 磁层 51
2.2.1 地磁场 51
2.2.2 太阳风 52
2.2.3 磁层顶 58
2.2.4 磁鞘和激波 60
2.2.5 极隙 61
2.2.6 磁尾 61
2.3 磁层中的粒子 61
2.3.1 主要粒子群 61
2.3.2 等离子体层 62
2.3.3 等离子体片 65
2.3.4 俘获离子 66
2.3.5 环电流 69
2.3.6 Birkeland 电流 70
2.4 磁层动力学 71
2.4.1 环流型 71
2.4.2 场合并 74
2.4.3 磁层电场 75
2.4.4 等离子体层动力学 76
2.5 磁暴 77
2.5.1 引言 77
2.5.2 **的磁暴与 Dst 指数 77
2.5.3 高纬磁湾扰；极光带电集流 77
2.5.4 磁指数 79
2.5.5 大磁暴和一个案例 83
2.5.6 磁层波现象 85
2.6 高能粒子电离 86
2.6.1 电子 87
2.6.2 轫致辐射 X 射线 87
2.6.3 质子 88
2.7 参考文献 90
第 3 章 无线电传播基础 95
3.1 引言 95
3.2 电磁辐射 95
3.2.1 真空中的视距传播基础 95
3.2.2 雷达原理 97
3.2.3 折射率的意义 99
3.2.4 无线电波与物质的相互作用 101
3.3 中性大气中的传播 102
3.3.1 中性大气的折射 102
3.3.2 地形影响 105
3.3.3 噪声与干扰 107
3.4 电离层传播 115
3.4.1 磁离子理论 115
3.4.2 无线电波电离层反射 118
3.4.3 斜入射与垂直入射的关系 120
3.4.4 穿越电离层传播 122
3.4.5 无线电闪烁原理 125
3.4.6 包括陡峭边界反射和全波解的传播 133
3.4.7 哨声 138
3.5 电离层散射 140
3.5.1 相干散射 141
3.5.2 前向散射 142
3.5.3 非相干散射 142
3.6 HF 传播预测程序 144
3.7 总结 145
3.8 参考文献 146
第 4 章 电离层探测技术 151
4.1 引言 151
4.2 地基系统 151
4.2.1 电离层测高仪 151
4.2.2 相干斜向无线电探测系统 156
4.2.3 非相干散射雷达 168
4.2.4 D 层吸收测量 170
4.2.5 HF 发射改变电离层 175
4.3 天基系统 178
4.3.1 地球卫星和无线电火箭探测的历史 178
4.3.2 无线电信标实验的工作原理和当前部署 178
4.3.3 顶部 (电离层) 探测器 179
4.3.4 卫星和火箭的原位技术 179
4.3.5 能力和局限 180
4.4 其他技术 181
4.4.1 HF 阵列接收机和多普勒系统 181
4.4.2 HF 多普勒技术 182
4.4.3 电离层成像 182
4.5 总结 182
4.6 参考文献 183
第 5 章 高纬 F 层和槽 189
5.1 高纬 F 层环流 189
5.1.1 引言 189
5.1.2 环流模式 189
5.2 高纬 F 层的状态 195
5.2.1 极盖 F 层 195
5.2.2 极隙效应 198
5.2.3 极风 198
5.2.4 极光卵形环内和附近的 F 层 201
5.3 高纬 F 层不规则体 203
5.3.1 引言 203
5.3.2 增强：补片和斑块 203
5.3.3 不规则体产生的闪烁 208
5.4 主槽 216
5.4.1 引言 216
5.4.2 主槽的观测特性和状态 217
5.4.3 槽的极向边缘 223
5.4.4 单个槽运动 224
5.4.5 机制和模型 227
5.5 高纬槽和洞 228
5.6 总结和启示 231
5.7 参考文献 232
第 6 章 极光、亚暴和 E 层 237
6.1 引言 237
6.2 环带发生 237
6.2.1 极光带和极光卵形环 237
6.2.2 极光卵形环模型 240
6.3 极光现象 246
6.3.1 发光极光 246
6.3.2 发光极光的分布和强度 246
6.3.3 极光光谱学 250
6.3.4 电离层效应 252
6.3.5 外沉降区 253
6.4 亚暴 256
6.4.1 历史 256
6.4.2 极光亚暴 256
6.4.3 亚暴的电离层特征 260
6.4.4 亚暴电流 260
6.4.5 磁层亚暴 263
6.4.6 IMF 的影响和亚暴触发问题 267
6.4.7 暴与亚暴的关系 268
6.5 高纬 E 层 269
6.5.1 引言 269
6.5.2 极区 E 层 269
6.5.3 平静条件下的极光 E 层 269
6.5.4 扰动的极光 E 层 269
6.5.5 极光雷达 273
6.5.6 极光次声波 275
6.5.7 声重力波的产生 276
6.6 总结和启示 277
6.7 参考文献 278
第 7 章 高纬 D 层 283
7.1 引言 283
7.2 极光电波吸收 284
7.2.1 引言——历史和观测技术 284
7.2.2 典型的极光吸收事件及其时空特性 285
7.2.3 时空统计特性 294
7.2.4 动力学 297
7.2.5 与地球物理活动的关系和极光吸收的预测 306
7.2.6 极光吸收事件更广泛的地球物理意义 312
7.3 极盖事件 321
7.3.1 引言 321
7.3.2 PCA 事件特性 322
7.3.3 太阳耀斑和无线电辐射的关系 327
7.3.4 质子到达地球过程中产生的影响 328
7.3.5 不均匀性及午间恢复 333
7.3.6 对地面大气的影响 335
7.4 相干散射和夏季中层回波 341
7.5 总结和启示 344
7.6 参考文献 345
第 8 章 高纬电离层电波传播：**部分——基本原理和实验结果 351
8.1 引言 351
8.2 ELF 和 VLF 电波传播 353
8.3 低频和中频传播 361
8.4 高频传播 367
8.4.1 Alaska 和 Scandinavia 之间的定频试验 367
8.4.2 阿拉斯加和美国大陆间的传播测试 372
8.4.3 其他跨极 HF 定频实验 375
8.4.4 College-Kiruna 定频吸收研究 385
8.4.5 极光带吸收事件对 HF 传播的影响 388
8.4.6 扫频实验 388
8.4.7 1956 ～ 1969 年 HF 高纬研究的其他结果 393
8.4.8 HF 高纬度传播路径的多普勒效应和衰落效应 405
8.5 VHF/UHF 传播和微波传播 433
8.6 总结 434
8.7 参考文献 435
第 9 章 高纬无线电传播：第二部分——建模、预测和干扰因素缓解技术 440
9.1 引言 440
9.2 电离层射线追踪、建模和传播预测 440
9.2.1 电离层射线追踪 440
9.2.2 准确高纬模型 442
9.2.3 电离层模型的验证 444
9.2.4 高纬 ELF-HF 预报性能 445
9.2.5 利用高频传播数据对选定的电离层预测模型的*新验证 450
9.3 VHF/UHF 传播预测 460
9.4 电离层模型验证的*新进展 460
9.5 高频传播扰动减缓 463
9.5.1 早期尝试 463
9.5.2 利用日地数据减缓 464
9.5.3 自适应 HF 技术 465
9.5.4 实时信道评估 471
9.5.5 HF 高纬传播信道评估*新进展 474
9.6 其他高纬传播现象和评价 478
9.6.1 HF 高纬路径上的大方位误差 478
9.6.2 亚暴对极光和亚极光区 HF 路径的影响 479
9.6.3 利用 GPS/TEC 数据研究 HF 极光传播 481
9.6.4 使用多频的高纬高频调制的性能 483
9.7 总结和讨论 489
9.8 参考文献 489
附录 相关书籍 495