七月專題:電離層


電離層!!大家是不是都常聽到這個名詞呢?那你對電離層的了解又有多少?它對人類到底又有甚麼用途阿?想知道答案嗎?快來看看這一期的專題吧!!

到底電離層是甚麼呢?以下的簡單的電離層定義:
1.電離層分布在高層大氣中50~500km的位置,並且由好幾層性質不同的層塊所組成。
2.電離層是由太陽輻射現象所產生的自由電子和離子,以及光化游離和重組反應所產生的游離粒子、中性粒子所組成的。
3.電離層是介於中性大氣和受到電場及地球磁場線控制的可游離區域之間。
4.電離層是一個充滿了自由電子(有助於電波傳播)的一層,有助於遠距離通訊系統。


電離層歷史
1.1839年,C.F.Gauss 提出地球磁場所受到的微小干擾是由大氣中的電流所造成的。
2.1860年,Lord kelcin假設地球磁場所受到的干擾是由於大氣中存在 “導電層”所造成的。
3.1882年,Balfour Stewart 提出了 “發電機理論” (Dynamo Theory)。他指出當導電層中的游離氣體受扥拉力牽引流動跨越過磁場線時,會產生電場和電流。(但當時對於導電層特性的了解還不是非常足夠,其中包括了形成機制、物理成分、化學成分、高度、厚度等。)
4.1900年,J.J.Thomson 發現了電子。此後基於對原子物理的認識, “導電層”的特性也被不斷的被發現及發展出來。
5.1901年,G.Marconi 成功的發射高頻率電波(3MHz~30MHz)並且越過大西洋。這項遠距離電波傳播實驗的成功證明電波可以沿著地球被傳送到距離發射地點很遠的地方。
6.1902年,A.E.Kennelly 和 O.Heaviside 提出上層大氣中的某處存在著一層帶有足夠自由電子的導電層,它可以反射電磁波,使之可遠距離傳播。這個導電層就被命名為 “ kennelly-Heavisde layer”.
7.J.E.Taylor和J.A.Fleming 各自在1903年及1906年假設導電層中存在的游離氣體是因為太陽超紫外線輻射游離中性氣體所造成的。這些理論說明了太陽活動其實會影響到電波的傳播。
8.在1924年,Appleton 和Barnett 藉由電波的干射實驗具體的證明了可反射電波的導電層的存在,此後,電離層物理的領域才開始萌芽發展。
9.1925年,Briet 和 Tuve 發明了一個量測導電層高度的脈衝雷達。這是人類史上第一次定義了導電層在大氣中的位置。這個 “雷達” (電波探測和高度定義)是 “電離層探測儀”的前身,現已成為所有描述電離層結構資料的主要來源。
10.1926年,R.A.Watson-Watt 提出了形容這個『導電層』的專有名詞,即【電離層 ionosphere】。
11.1929年以後,『電離層 ionosphere』這個名詞開始被廣泛應用。
12.在1957年7月1日至1958年12月31日[國際地球物理年(IGY)]間,電離層研究已經從傳統的地面觀測儀器發展到火箭及人造衛星。范艾倫輻射帶也是在IGY年間被發現的。
13.1957年10月4日,前蘇聯第一次成功發射人造衛星,重83kg的sputnik I。此後,電離層的探測及觀察也進展到了所謂的太空時代。
14.Incoherent Scatter Radar(ISR)一個功能強大的地面探測儀器,是在1958年被Gordon 和Bowles發明的。ISR的發明為電離層觀測帶來的很大的幫助。(電子、離子濃度,溫度,成分等)

在電離層中傳播的電波頻帶及其應用

電波頻帶

應用

特低頻(3千赫 ~30千赫)

遠距離通信、等幅電波助航

低頻(30千赫~300千赫)

廣播、中距離通信、等幅電波助航(例如英國無線電長程助航器)、脈波助航和對時系統

中頻(0.3兆赫~3兆赫)

廣播、海上和航空助航、通信(中、短距離)

高頻(3~30兆赫)

遠距離通信、海外廣播、業餘業務、頻率比較、研究(無線電天文學和太空研究)

特高頻(30~300兆赫)

通信(短距離,幾百公里內)、調頻廣播、電視廣播、海上和航空助航、研究(太空研究、電遙測和無線天文學)、業餘無線電

超高頻

通信、太空通信、電視廣播、助航(包括助航衛星)、氣象輔助、研究、業餘無線電

極高頻

太空通信、通信、研究

 

電波通訊
很多通訊系統都是利用電離層的特性來傳送長距離的電波訊號。前面有提到電離層中各副層的自由電子及離子的密度會隨著太陽週期的變化而改變,所以當地球磁暴發生時電離層電子濃度會激巨攀升,這樣造成了通訊系統受到了很大的影響。雖然電視及廣播很少被以上因素影響,但長距離的通訊系統如從地表傳到空中、從船上把訊號傳送到陸地上及業餘通訊,都會因此而造成了訊號被中斷。許多軍用通訊系統,都會在太陽極大期發生時受到嚴重的阻礙影響。太陽活躍區發射出來的高強度電磁波,甚至還會造成電波通訊系統出現阻塞的現象。現今普及率相當高的衛星導航系統對太陽活動期的阻擾也非常敏感。通常飛機及船隻都利用衛星導航系統來定位,而電離層受到干擾時會影響訊號的傳播,而造成定位系統出現很大的誤差值(誤差值可達好幾公里)。如果在這些導行系統在地球磁暴或離子活動發生時被事先通知而處於備用系統狀態的話,其所受的影響就不至於那麼大了。


人造衛星
與地球自轉同步的通訊人造衛星,位置在約6個地球半徑高度的地方。在太陽活動極大期時,紫外線輻射及極光如射能都會上升,這造成了地球大氣的溫度上升。低軌道人造衛星與地球大氣的摩擦會增加使得它們偏離了軌道,這時具有推進器的人造衛星,就會燃燒燃料讓人造衛星回到正確的軌道上。高軌道人造衛星雖然不會與地球大氣摩擦但因為被太陽風中的高速粒子撞擊而被破壞。(太陽活動正常期的時候高軌道人造衛星都被磁球層保護著,但太陽活動極大期時磁球層會被壓縮及磨損而變薄)。

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