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70km到90km E层高度约为 9到 16 E层的上方有时又 可分为 F1层和

时间:2020-09-17 21:38 来源:未知 作者:admin

  70km到90km E层高度约为 90km到 160km E层的上方有时又 可分为 F1层和 F2层 较低层为 F1层 较高的则为 F2层 在电离层中以 的电子密度最高。中性大气的分层则是以温度分布作为区分由地面至高空分别 是对流层 其层顶约在 10 18km处 平流层 其层顶约在 50km处 中气

  70km到90km E层高度约为 90km到 160km E层的上方有时又 可分为 F1层和 F2层 较低层为 F1层 较高的则为 F2层 在电离层中以 的电子密度最高。中性大气的分层则是以温度分布作为区分由地面至高空分别 是对流层 其层顶约在 10 18km处 平流层 其层顶约在 50km处 中气层 层顶约在90km处 以上为热气层。电离层 D层与中气层的高度相当 17则在热气层的范围内 31电离层垂向示意图如图 GPS技术简介及电离层研究进展图电离层垂向示意图3 电离层水平结构 太阳天顶角随地方时和经纬度的变化 决定了太阳辐射强度的地理分布 而决定了电离层电子密度水平变化的分布特征即白天变化大而夜间小 低纬度 大而高纬度小 而赤道地区地磁场的特殊结构特征使电离层形成了“赤道异常” 31 同样 “中纬槽”的低电子密度区与地磁的结构特征有关 电离层扰动电离层扰动是指电离层结构偏离其常规形态的急剧变化 又称电离层 骚扰。电离源的突变、非平衡态动力学过程、不稳定的磁流动力过程等原 因都可能引起电离层扰动 电离层扰动常严重影响无线 传播。电离层扰动主要包括以下 电离层突然骚扰一种急剧变化但持续时间不长 一般只持续几分钟至几小时 的扰动 它主要发生在日照面电离层的 D层。这种扰动与太阳耀斑密切相关 耀斑 区发出的强烈远紫外辐射和 X射线分钟后到达地球 使地球向阳 面电离层特别是 D层中的电子密度在短时间内突然增大。这种现象称为电 离层突然骚扰。当发生这种骚扰时 从低频到高频的信号传播状态都有急 剧变化。比如 由于 D层电子密度增大 经过 D层传播的高频无线电信号 突然受到强烈吸收 经常会出现短波通信中断 称为短波消失现象。但从 层反射的长波和超长波信号会突然变强相位也可能发生突变 称为突然 11 成都理工大学硕士学位论文 相位异常现象。此外 耀斑期间 31会导致短波频率突然偏离现象 电离层暴持续时间为几小时至近 10天 常伴随磁暴产生的强烈电离层扰动。太 阳局部扰动除爆发时产生大量电磁辐射外 有时还辐射出大量带电粒子流。 粒子流到达地球一般要 2天左右它们与磁层和大气层相互作用 可使 正常电离层 特别是 状态遭到破坏称为 F层骚扰。F层骚扰包括负 临界频率上升和双相 临界频率有升有降 骚扰 3种。骚扰发生时临界频率变化一般大于 30 。太阳质子事件或磁暴 期间 极区电离层电离突然增加 会引起极光带吸收、极盖吸收和长波相 位异常等现象。极光带吸收是来自太阳扰动区的低能粒子流进入极区上空 使极光带或者比它略宽的环带内电离层电离增加而引起等离子体碰撞增 阳活动峰年过后的两三年内出现最为频繁。极盖吸收是太阳扰动或磁暴时所产生的高能粒子沿地球磁力线沉降在极区高层大气中 64以上的 极盖地区上空电离层 D层的电离强烈增大 致使高频电波被强烈吸收而中 通常在形成太阳质子耀斑后几十分钟到几十小时以后发生这时不一 定出现地磁场扰动和极光现象。持续时间通常为 最长可达10天之 在太阳活动峰年频繁发生。在磁层亚暴主相期间伴随粒子沉降的强 电场和电急流 致使极区电离层发生极复杂的热力学扰动、电磁场扰动和 磁流动力扰动 并能波及到全球电离层。这种电离层暴的全球形态尚不十 分清楚。由于电离层暴对无线电信号传播有严重的影响 不少国家都建立 31 有电离层骚扰预报业务 电离层行扰暴时极区激发的、向赤道方向以600 700米 秒的速度水平传播的大气 重力波扰动 称为电离层行扰。电离层行扰周期为半小时至几小时 东西 向水平尺度可达几千公里 传播上千公里后波形变化不大。电离层行扰的 发生可使电离层 F2层电子含量偏离正常值 20 30 的扰动 严重改变无 31 线电信号的传播环境 电离层闪烁在电离层正常的电子密度背景上漂浮着密度不等、尺度不等的电离体 称为电离层不均匀体 当卫星信号穿过电离层不均匀体传播时 可引起信 号的散射、折射 从而在接收端产生信号的幅度、相位的随机起伏 称作 电离层闪烁。全球有两个电离层闪烁带 分别在赤道附近的低纬度地区和 高纬度地区。电离层闪烁主要发生在夜间。电离层闪烁可引起接收机失锁、 信号功率下降等问题。产生电离层不均匀体的原因还不太清楚 一般认为 12 GPS技术简介及电离层研究进展电离层中流星余迹、各种尺度的湍流运动等可能与电离层不均匀体的形成 31 有关 此外台风、火山喷发等可能激发中尺度大气重力波异常 进而导致 电离层异常 地面核试验激发的重力波可能影响几千公里外的电离层 空核实验的各种电离辐射能显著地破坏电离层 大功率短波雷达加热等 人工手段和空间飞行的释放物 也可能引起电离层扰动。 地震电离层扰动假说震前电离层异常扰动机理仍然处于探索阶段 部分学者认为地震与火山爆发 前释放的能量以及特殊物质 会明显干扰电离层 即“电离层污染”。在地震孕 育过程中 地壳岩石应力增强、微破裂与流体扩散 会产生压电效应、压磁效应、 动电电磁效应、感应电磁效应以及震前电磁辐射等各种地震电磁效应及相关现 36 象。地震 电离层耦合机制主要包括三种 准静态电场渗透进入电离层 影响 电离层的声重波 AGW 大气层电导率改变而导致大气电场变化。地震孕育过 应力应变积累导致岩体破裂由于震源区应力集中、裂纹扩展伴随流体运 电磁效应向空中传播其可能的传播途径包括 化学途径、声学途径和电磁 31 途径 化学途径化学参数的改变 气体或氡的发散 水位变化等 引起大气成分的变化或大 气电导率的改变 引起大气电场的扰动 可能影响到电离层的等离子体密度变化。 10 11 地下气体溢出与电离层之间存在一个复杂的作用链。Pulinets 指出 多数观测到效应可以解释为在地震孕育区地震发生前某个时候产生的异常电场 的作用结果。反过来 另一些实验观察表明 这一异常电场的出现 形成了一 个复杂的链式作用 使孕震区上方的大气边界层存在等离子体化学、离子、分子 反应。国内外学者针对地球化学传播方式 提出了若干解释性模型 包括重力波 机制与气泡群 大气重力波理论等。 声学途径地震前地面细微变化常会引起大气低频震动 大气震荡向上传播进入电离层 并导致电离层等离子体的密度的改变。震时由于断层错动产生的大气脉冲直接向 震中上方大气层传播 进而引起电离层的扰动 而地震产生的 Rayleigh波在距离 震中一定范围的区域内产生垂直向上的声波 波幅在大气中随着高度增加呈指数 性增加 导致大气上空较大幅度的垂直向波动 由此产生的波幅到达电离层底层 时放大因子可达到10。研究结果表明 地面产生 1mm的垂直位错可导致高空 31 100m 150m的波幅变化 即高空放大作用 电磁途径13 成都理工大学硕士学位论文 地震前产生的低频电磁辐射进入大气层并与高能粒子相互作用 然后这些粒 子沉降到电离层下部 引起电离层扰动和等离子体密度等参量变化。根据 Takeuchi A等提出的“地震电场的 hole模型”断层带中的正电荷在受应力作 用下被激活并扩散到周围的地层 其中有部分可到达地表 并在震中周围一个很 大的范围内形成一个正的地面电势 产生向上的垂直电场 通过大气层穿透到电 离层。电离层的电子被迫向下运动 在大气层中与中性粒子或正离子重组 从而 1114 影响到电离层的电子密度。Pulinets 利用从地面穿透到E层的电场 一步计算电场随高度的变化计算中假定电场随高度变化是放射状的和对称的 90km以上地磁场是等势的 电场的效应将表现为 与地震孕育有关的电磁 变化 导致带电粒子在地磁场中作旋转漂移 带电粒子的旋转飘移可能导致局部 电离层电子密度的复杂变化 但作为局部空域的总电子含量是减少的 这一结果 已经被地面 GPS观测站的 TEC观测结果所证实。地震电磁效应向空间传播途 31 径及低空各圈层相互耦合示意图 如图 电离层等离子体密度变化及其扰动空间电磁环境扰动与突 大气电场大气震荡激励 垂直电场 内磁层与高能粒子作用 大气成分与电导率变化电离层 地球化学声学 地电磁场 电磁辐射等大气层 地震电磁效应及相关现象 感应电磁场与孕震地体环境 探测 感应 触发地震 地震孕育发生过程 应力变化、微破裂、流体扩 地震电磁效应向空间传播途径及地空相互耦合地震 电离层扰动的物理解释众说纷纭 各种地震 电离层扰动机理假说示意 31 图如图 GPS技术简介及电离层研究进展图地震电离层扰动机理假说示意图 目前地震前岩石圈异常现象主要有四种假说 气泡运移假说、热耦合假说、 46 53 边界位错充电假说 离子空穴运移假说 。以上各种假说都是根据一定的异 常现象基于地球物理、化学基础等提出的。气泡运移假说是利用地壳流体的运移 来解释岩石圈热动力特征 热耦合假说主要是利用 GPS卫星观测到的热异常现 边界位错充电假说认为在高温和高压下位错可能在各种机械力的作用下发 并沿其反方向运动位错边缘带有正负电荷 电场极化矢量平行于受力的滑 动方向。当位错运动遇到障碍时 位错开始阶段可能被阻止 于是大量线性排列 的位错导致了裂缝的生产。新的位错阵列的加入促使裂隙产生运移 裂隙开始和 46 49 周围岩石产生一个短暂的电容充电过程 当裂缝闭合后电荷很快就消失 47Varotsos 给出了震级和前兆的关系 logE Cs bM。其中 Cs是和背景环境有关的常数 b0 35 M为震级。 离子空穴运移假说是指矿物中共享正空穴对 PHPs 每一个正空穴对含有 两个负一价氧离子 则每一个正空穴对可以捕获一个电子。在常温岩石状态时 矿物是稳定的。在温度低于400 600 C及压力小于极限值时 可导致岩石塑性 变形 但氧化键是稳定的。当有水或温度压力达到一定条件下 氧化键破裂。研 究结果表明 在地震过程中 地震波可导致氧化键破坏。氧化键破裂产物是一个 固定的负电空穴和一个移动正电空穴 当正点空穴到达地表时 会聚集在地表 在地表和空气的接触面上便产生高压电场。高压场在地形弯曲的凸点更为强烈 如山脊、山顶等部位。地表薄层的空气产生电离 地势平缓的部位电场较低 测向方向上会存在电势差电势差可能产生环形发电 在自然界中表现为发电、 球形闪电、高频静电噪声等效应。个别震例的地磁异常的幅度可达 100 200nT 15 成都理工大学硕士学位论文 相当于地磁偶极场幅度的 并具有复杂的周期。然后在地磁曲线形态开始极剧变化后产生很长的尾部 这些尾部可假定为两个脉冲电流的耦合作用 其中 一个表现为迅速流出 另一个则可持续数小时 当一个脉冲电流周期持续数小时 的在地壳中传播时 随着电流的增加或者减小 便产生低频电磁辐射。而正点空 穴电荷到达地表 不仅增加了地表 空气接触带的正电场 同时增加地表的正电 此时地表和电离层看作是容器孕震区震前产生的高强度的垂直电场变化可 以穿透电离层引起电子含量的不规则变化 致使地表产生准电场异常 这种准电 场异常由于高传导性可以沿着磁力线传导至电离层 从而引起电离层等离子体在 46 地震前扰动变化、空间等离子

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