論電離層特性對(duì)短波傳輸?shù)挠绊?/h1>
2016-08-18 03:31:04李偉
數(shù)字傳媒研究 2016年6期
李偉
國(guó)家新聞出版廣電總局203臺(tái) 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010070
論電離層特性對(duì)短波傳輸?shù)挠绊?/p>
李偉
國(guó)家新聞出版廣電總局203臺(tái)內(nèi)蒙古呼和浩特市010070
本文通過對(duì)電離層特性的深入研究，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，論述了電離層對(duì)短波傳輸?shù)挠绊憽?/p>
電離層短波傳輸吸收
引言
隨著廣播電視技術(shù)的日新月異，尤其是短波發(fā)射技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)提高廣播質(zhì)量與廣播效果起到了至關(guān)重要的作用。電離層作為短波的傳輸介質(zhì)，對(duì)電波傳輸至關(guān)重要。作為廣播監(jiān)測(cè)部門，通過深度了解電離層，掌握電波傳輸規(guī)律，會(huì)使我們更有效的對(duì)中短波的傳播進(jìn)行監(jiān)測(cè)，快速判斷各類異態(tài)現(xiàn)象，為上級(jí)部門提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)資料。
1 電離層的特性
1.1電離層概念
在地面以上的50公里至大約2000公里之間，包圍地球的高層大氣中，太陽(yáng)的紫外線輻射和粒子流使大氣電離而形成電離層。在這個(gè)地球高層大氣區(qū)域內(nèi)，存在相當(dāng)多的分子和原子，在太陽(yáng)紫外線、X射線和高能粒子的作用下電離，產(chǎn)生自由電子和正負(fù)離子，形成等離子體區(qū)域。電離層能使無(wú)線電波發(fā)生折射、反射和散射，并對(duì)不同波段的電波產(chǎn)生不同程度的吸收和衰減。
1.2電離層主要特性
電離層的主要特性由電子密度、電子溫度、碰撞頻率、離子密度、離子溫度和離子成分等空間分布的基本參數(shù)來(lái)表示。但電離層的研究對(duì)象主要是電子密度隨高度的分布。由于大氣層的溫度隨高度變化，大氣層的成分也是不均勻的，在幾個(gè)不同的高度上，電子濃度出現(xiàn)極大值。每個(gè)極大值及其附近區(qū)域稱為層或區(qū)，從低到高電離層的各層分別稱為D層、E層、F1層和F2層等。
1.2.1D層
D層高度介于50～90km，電子濃度：日間約為108～109個(gè)電子/m3，夜間變??；夏季濃度高，冬季小。D層對(duì)中、短波主要起吸收作用。
1.2.2E層
E層高度介于70～130km，電子濃度：在105～110km處約為1011個(gè)電子/m3；白天濃度高，夜間低；夏季濃度高，冬季低。E層對(duì)中波能起反射作用，有時(shí)對(duì)短波傳播亦能起控制作用。
1.2.3F層
F層在白天分為F1與F2兩個(gè)層，在夜間則為F2層。
1.2.4F1層
僅在白天存在，高度約130～210km，電子濃度約為2×1011個(gè)電子/m3。F1層隨晝夜、季節(jié)變化，情況與E層相似。
1.2.5F2層
F2層高度介于225～450km，電子濃度白天典型值為1012個(gè)電子/m3，夜間降低至約5×1010個(gè)電子/m3。F2層受氣流擴(kuò)散等影響較大，它的電離特性不能簡(jiǎn)單地用太陽(yáng)輻射來(lái)解釋，如有些地區(qū)最大電子濃度出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)間13:00～15:00；在季節(jié)上也有反?，F(xiàn)象，如冬季白天電子濃度比夏季的高等。F2層是短波天波的主要反射層。
2 電離層的周期性變化對(duì)電波傳輸?shù)挠绊?/h2>
電離層的特性一般有三方面的周期性變化，分別為晝夜周期性變化、季節(jié)周期性變化和隨太陽(yáng)黑子數(shù)周期性變化。
由于短波傳播以天波為主要傳輸方式，天波又與電離層的變化密不可分。根據(jù)波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系：λ=V/f，式中，λ為波長(zhǎng)（m）；f為頻率（Hz）；V為傳播速度（m/s），頻率越高，波長(zhǎng)越小，在電離層受自由電子和離子碰撞的機(jī)會(huì)就會(huì)減少，電離層D層對(duì)電波的吸收作用就會(huì)減少；反之，頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，在電離層受自由電子和離子碰撞的機(jī)會(huì)就會(huì)增加，電離層D層對(duì)電波的吸收作用也會(huì)增加。
2.1晝夜周期性變化
在白天和黑夜，由于太陽(yáng)照射的強(qiáng)弱不同，電離層的電離程度也不同。白天太陽(yáng)照射強(qiáng)，電離層電離程度高，電子密度增加，對(duì)短波的吸收會(huì)明顯增加，低頻段相對(duì)高頻段吸收會(huì)更大，所以，世界廣播在選頻的時(shí)候，白天會(huì)選擇較高頻段進(jìn)行廣播，如11M、13M、15M、17M，這些高頻段的頻率會(huì)在更高的電離層進(jìn)行發(fā)射、折射，并傳播較遠(yuǎn)距離；而夜晚由于太陽(yáng)活動(dòng)減弱，電離層密度降低，對(duì)短波的吸收會(huì)明顯降低，所以更適合較低頻段的頻率傳輸，如6M、7M、9M。如使用頻率過高，電波會(huì)有部分或全部能量穿出電離層而無(wú)法反射回地面，造成接收效果差。電離層的電子濃度與高度的關(guān)系見圖1。
圖1 電離層的晝夜變化
從上圖可以看出，隨著電離層高度的增加，其電子濃度無(wú)論在白天還是黑夜總體走向是升高的，在接近400Km時(shí)，電子濃度會(huì)逐步下降。
2.2季節(jié)周期性變化
在不同的季節(jié)，太陽(yáng)的高度和晝夜的長(zhǎng)短會(huì)發(fā)生改變，太陽(yáng)的照射強(qiáng)度會(huì)有較大的變化。春夏季，太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)，電離層電離程度高，電子密度增加，對(duì)低頻段的頻率吸收會(huì)更大，傳輸效果差，而高頻段更容易被電離層反射，吸收小，電波的傳輸效果會(huì)增加，所以，在每年的春季換頻后，世界各國(guó)會(huì)調(diào)整廣播頻率，根據(jù)播向區(qū)的位置來(lái)確定播音頻率，9M以上的頻率會(huì)更多的被使用；秋冬季，太陽(yáng)活動(dòng)減弱，電離層電子密度會(huì)隨之而降低，對(duì)低頻段的電波吸收減弱，更有利于低頻傳輸，9M以下的頻率會(huì)更多的被使用，而高頻由于電離層電子密度降低，等效高度降低，使用頻率過高會(huì)穿透電離層而無(wú)法返回，會(huì)造成接收信號(hào)弱。
2.3隨太陽(yáng)黑子數(shù)的周期性變化
太陽(yáng)黑子對(duì)大氣層的電離程度影響極大，并影響到短波傳播的可能性，它的活動(dòng)周期大約為11年。太陽(yáng)黑子數(shù)目多，電離層受紫外線和其他射線的影響，電離程度會(huì)增強(qiáng)，電離層D層的電子濃度會(huì)顯著增加，通過該層的頻率會(huì)受到嚴(yán)重吸收，尤其是低頻段，而E層和F層會(huì)反射更高的頻率；當(dāng)太陽(yáng)黑字?jǐn)?shù)少時(shí)，電離層電離程度不高且穩(wěn)定，低頻段會(huì)更有利于傳播，各國(guó)在使用頻率上均會(huì)使用相對(duì)較低的頻段，造成頻道擁擠、相互干擾。所以，對(duì)太陽(yáng)黑字?jǐn)?shù)的研究和關(guān)注，更有利于我們掌控頻率的使用，也對(duì)監(jiān)測(cè)工作起到有效的輔助作用。
圖2 太陽(yáng)黑子數(shù)的周期性變化
2.4隨地理位置變化
由于各國(guó)地理位置不盡相同，經(jīng)緯度的差異造成太陽(yáng)對(duì)每個(gè)地區(qū)的照射強(qiáng)度存在明顯差異，靠近低緯度，太陽(yáng)光照強(qiáng)，電子密度大；靠近高緯度，太陽(yáng)光照弱，電子密度減小。所以，經(jīng)緯度是不同國(guó)家在選頻上所考慮的重要因素之一。
3 電離層的非周期性變化對(duì)電波傳輸效果造成巨大影響
電離層的變化大部分是有規(guī)律的，可以預(yù)測(cè)的，但有時(shí)在太陽(yáng)發(fā)生耀斑時(shí)，會(huì)輻射大量紫外線和X射線，造成電離層電子濃度發(fā)生巨大變化，影響短波傳輸。
3.1電離層突發(fā)性吸收
電離層突發(fā)性吸收也叫電離層突然騷擾，當(dāng)太陽(yáng)表面爆發(fā)強(qiáng)烈耀斑時(shí)，輻射出大量紫外線，這種強(qiáng)烈的紫外線使E層和D層發(fā)生強(qiáng)烈電離，D層電子密度比正常值大10倍以上，通過D層的電波受到強(qiáng)烈的吸收，使短波嚴(yán)重衰減，尤其在春分前后，日凌發(fā)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大面積廣播中斷。
D層的突發(fā)性吸收只發(fā)生在白天，且與電波的頻率相關(guān)，頻率越低吸收越大，在監(jiān)測(cè)過程，低頻段廣播會(huì)首先出現(xiàn)“無(wú)載波”的現(xiàn)象，然后依次向高頻段延伸，通常會(huì)持續(xù)幾分鐘至幾十分鐘；恢復(fù)時(shí)電離層電子濃度逐漸減小，高頻段先恢復(fù)，當(dāng)濃度降低到一定程度時(shí)，才能恢復(fù)低頻段頻率進(jìn)行傳輸。
3.2電離層騷擾
電離層騷擾又叫電離層爆，當(dāng)太陽(yáng)表面發(fā)生強(qiáng)烈耀斑時(shí)，除了輻射大量射線外，還會(huì)噴射出大量帶電微粒子流，當(dāng)帶電粒子接近地球時(shí)，大部分被擋在地球磁層之外繞道而過，一小部分穿過磁層到達(dá)電離層，出現(xiàn)正常電離層結(jié)構(gòu)遭破壞的現(xiàn)象，電子密度降低，自F層、E層、D層依次受到影響，F(xiàn)2層受影響最大，臨界頻率急劇下降，一些在F2層正常傳輸?shù)母哳l會(huì)瞬間穿透電離層而無(wú)法返回地面，造成廣播中斷，在監(jiān)測(cè)中，首先會(huì)出現(xiàn)高頻率“無(wú)載波”的現(xiàn)象，依次向低頻段延伸；恢復(fù)時(shí)，低頻段首先恢復(fù)正常傳輸，高頻段隨著F2層電子濃度的增加，會(huì)逐步恢復(fù)正常廣播。
因此，在監(jiān)測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)短波大面積中斷，要充分利用電離層特性，準(zhǔn)確判斷異態(tài)現(xiàn)象，避免對(duì)停播原因作出誤判。
4 短波頻率的選用要充分考慮電離層對(duì)電波的影響
短波傳播有兩種基本形式，分別為地波傳播和天波傳播，但由于短波相對(duì)于中波，頻率高，波長(zhǎng)短，在地面?zhèn)鞑r(shí)遇障礙物的繞射能力差，因此更容易被建筑物返回或衰減，其傳輸距離不遠(yuǎn)；而天波則可以傳輸很遠(yuǎn)，可達(dá)幾千公里，而天波傳輸又跟電離層特性有著密切關(guān)系。
4.1電波在電離層傳輸時(shí)不斷發(fā)生反射和折射
電波在電離層傳輸可看作在電離層中不斷折射。
圖3 電波在電離層中的折射
從圖3可以看出，當(dāng)入射波進(jìn)入電離層后，隨著電子濃度的增加，電波從光疏媒質(zhì)進(jìn)入光密媒質(zhì)后，折射角要大于入射角，電波通過不斷的折射向前傳輸，當(dāng)折射角為90°時(shí)，射入的電波在層內(nèi)達(dá)到最高處，此后電波射線方向?qū)l(fā)生轉(zhuǎn)變，開始向地面方向折射，最終返回地面。
4.2電波在電離層中傳輸會(huì)發(fā)生損耗
電波從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)，通過電離層時(shí)，會(huì)與其中的自由電子、離子和中性分子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生熱量，造成吸收損耗，其主要發(fā)生在D層，損耗的大小還要考慮工作頻率、發(fā)射的仰角等，通常情況，頻率高損耗小，射線仰角高損耗也會(huì)小。
4.3頻率的選用要充分考慮電離層因素
短波廣播傳播距離遠(yuǎn)，服務(wù)區(qū)大，因此各國(guó)對(duì)外廣播主要選擇短波廣播。由于電波是一種有限的資源，短波專用頻段內(nèi)的電臺(tái)十分擁擠，同、鄰頻干擾嚴(yán)重，另外，受電離層影響，傳播不穩(wěn)定。
4.3.1短波頻段的選用應(yīng)考慮季節(jié)和晝夜因素
2-4MHz：熱帶頻率，太陽(yáng)黑子數(shù)少，傳輸效果好，一些赤道附近的國(guó)家可用作國(guó)內(nèi)廣播。
6-7MHz：秋冬季或夜間使用較多，適用于近距離廣播。
9-11MHz：頻段適中，適用于對(duì)內(nèi)對(duì)外全天廣播。
13MHz：白天效果好，適用于遠(yuǎn)距離廣播。
15-17MHz：在春夏季使用，效果會(huì)更佳。
4.3.2電波在電離層中傳播會(huì)產(chǎn)生衰落
電波經(jīng)電離層傳播，到達(dá)接收地點(diǎn)時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度有時(shí)會(huì)忽大忽小，呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則的變化。
（1）干涉性衰落
電波經(jīng)電離層反射，在接收地點(diǎn)會(huì)有多條射線，不同的射線路徑不同，相位不同，相互會(huì)產(chǎn)生干擾，形成衰落。
（2）選擇性衰落
短波信號(hào)有時(shí)會(huì)隨頻率高低呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則的變化，在某一特定時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過電離層的某一頻率會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重衰落。
（3）極化衰落
受地球磁層影響，電波在電離層內(nèi)傳播時(shí)，分離成為尋常波與非尋常波兩個(gè)射束，各射束在電離層內(nèi)的吸收與相移不同，因而經(jīng)電離層反射的電波，它的極化變成為一個(gè)隨機(jī)橢圓極化，而與射入電離層前不同。
結(jié)束語(yǔ)
如今，隨著新興媒體的快速發(fā)展，短波廣播作為傳統(tǒng)媒體的重要組成部分，仍然發(fā)揮這不可替代的作用?？v觀世界，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的短波廣播發(fā)射地點(diǎn)雖然距離我們很遙遠(yuǎn)，但一些信號(hào)達(dá)到我國(guó)時(shí)比較強(qiáng)，廣播聲音清晰，除了機(jī)器性能本身外，充分考慮電離層因素，有效利用電波傳輸理論，也是值得我們學(xué)習(xí)和借鑒的。因此，電離層是大自然饋贈(zèng)我們的有限資源，作為廣電人要擁有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，不斷研究電離層，使我們廣播更好的傳遍世界各地。
審稿人：嚴(yán)志剛內(nèi)蒙古新聞出版廣電局包頭廣播發(fā)射中心臺(tái)正高級(jí)工程師
責(zé)任編輯：王學(xué)敏
G206.2
A
2096-0751（2016）06-0022-04
李偉國(guó)家新聞出版廣電總局203臺(tái)高級(jí)工程師
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引言
隨著廣播電視技術(shù)的日新月異，尤其是短波發(fā)射技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)提高廣播質(zhì)量與廣播效果起到了至關(guān)重要的作用。電離層作為短波的傳輸介質(zhì)，對(duì)電波傳輸至關(guān)重要。作為廣播監(jiān)測(cè)部門，通過深度了解電離層，掌握電波傳輸規(guī)律，會(huì)使我們更有效的對(duì)中短波的傳播進(jìn)行監(jiān)測(cè)，快速判斷各類異態(tài)現(xiàn)象，為上級(jí)部門提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)資料。
1 電離層的特性
1.1電離層概念
在地面以上的50公里至大約2000公里之間，包圍地球的高層大氣中，太陽(yáng)的紫外線輻射和粒子流使大氣電離而形成電離層。在這個(gè)地球高層大氣區(qū)域內(nèi)，存在相當(dāng)多的分子和原子，在太陽(yáng)紫外線、X射線和高能粒子的作用下電離，產(chǎn)生自由電子和正負(fù)離子，形成等離子體區(qū)域。電離層能使無(wú)線電波發(fā)生折射、反射和散射，并對(duì)不同波段的電波產(chǎn)生不同程度的吸收和衰減。
1.2電離層主要特性
電離層的主要特性由電子密度、電子溫度、碰撞頻率、離子密度、離子溫度和離子成分等空間分布的基本參數(shù)來(lái)表示。但電離層的研究對(duì)象主要是電子密度隨高度的分布。由于大氣層的溫度隨高度變化，大氣層的成分也是不均勻的，在幾個(gè)不同的高度上，電子濃度出現(xiàn)極大值。每個(gè)極大值及其附近區(qū)域稱為層或區(qū)，從低到高電離層的各層分別稱為D層、E層、F1層和F2層等。
1.2.1D層
D層高度介于50～90km，電子濃度：日間約為108～109個(gè)電子/m3，夜間變??；夏季濃度高，冬季小。D層對(duì)中、短波主要起吸收作用。
1.2.2E層
E層高度介于70～130km，電子濃度：在105～110km處約為1011個(gè)電子/m3；白天濃度高，夜間低；夏季濃度高，冬季低。E層對(duì)中波能起反射作用，有時(shí)對(duì)短波傳播亦能起控制作用。
1.2.3F層
F層在白天分為F1與F2兩個(gè)層，在夜間則為F2層。
1.2.4F1層
僅在白天存在，高度約130～210km，電子濃度約為2×1011個(gè)電子/m3。F1層隨晝夜、季節(jié)變化，情況與E層相似。
1.2.5F2層
F2層高度介于225～450km，電子濃度白天典型值為1012個(gè)電子/m3，夜間降低至約5×1010個(gè)電子/m3。F2層受氣流擴(kuò)散等影響較大，它的電離特性不能簡(jiǎn)單地用太陽(yáng)輻射來(lái)解釋，如有些地區(qū)最大電子濃度出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)間13:00～15:00；在季節(jié)上也有反?，F(xiàn)象，如冬季白天電子濃度比夏季的高等。F2層是短波天波的主要反射層。
2 電離層的周期性變化對(duì)電波傳輸?shù)挠绊?/h2>
電離層的特性一般有三方面的周期性變化，分別為晝夜周期性變化、季節(jié)周期性變化和隨太陽(yáng)黑子數(shù)周期性變化。
由于短波傳播以天波為主要傳輸方式，天波又與電離層的變化密不可分。根據(jù)波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系：λ=V/f，式中，λ為波長(zhǎng)（m）；f為頻率（Hz）；V為傳播速度（m/s），頻率越高，波長(zhǎng)越小，在電離層受自由電子和離子碰撞的機(jī)會(huì)就會(huì)減少，電離層D層對(duì)電波的吸收作用就會(huì)減少；反之，頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，在電離層受自由電子和離子碰撞的機(jī)會(huì)就會(huì)增加，電離層D層對(duì)電波的吸收作用也會(huì)增加。
2.1晝夜周期性變化
在白天和黑夜，由于太陽(yáng)照射的強(qiáng)弱不同，電離層的電離程度也不同。白天太陽(yáng)照射強(qiáng)，電離層電離程度高，電子密度增加，對(duì)短波的吸收會(huì)明顯增加，低頻段相對(duì)高頻段吸收會(huì)更大，所以，世界廣播在選頻的時(shí)候，白天會(huì)選擇較高頻段進(jìn)行廣播，如11M、13M、15M、17M，這些高頻段的頻率會(huì)在更高的電離層進(jìn)行發(fā)射、折射，并傳播較遠(yuǎn)距離；而夜晚由于太陽(yáng)活動(dòng)減弱，電離層密度降低，對(duì)短波的吸收會(huì)明顯降低，所以更適合較低頻段的頻率傳輸，如6M、7M、9M。如使用頻率過高，電波會(huì)有部分或全部能量穿出電離層而無(wú)法反射回地面，造成接收效果差。電離層的電子濃度與高度的關(guān)系見圖1。
圖1 電離層的晝夜變化
從上圖可以看出，隨著電離層高度的增加，其電子濃度無(wú)論在白天還是黑夜總體走向是升高的，在接近400Km時(shí)，電子濃度會(huì)逐步下降。
2.2季節(jié)周期性變化
在不同的季節(jié)，太陽(yáng)的高度和晝夜的長(zhǎng)短會(huì)發(fā)生改變，太陽(yáng)的照射強(qiáng)度會(huì)有較大的變化。春夏季，太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)，電離層電離程度高，電子密度增加，對(duì)低頻段的頻率吸收會(huì)更大，傳輸效果差，而高頻段更容易被電離層反射，吸收小，電波的傳輸效果會(huì)增加，所以，在每年的春季換頻后，世界各國(guó)會(huì)調(diào)整廣播頻率，根據(jù)播向區(qū)的位置來(lái)確定播音頻率，9M以上的頻率會(huì)更多的被使用；秋冬季，太陽(yáng)活動(dòng)減弱，電離層電子密度會(huì)隨之而降低，對(duì)低頻段的電波吸收減弱，更有利于低頻傳輸，9M以下的頻率會(huì)更多的被使用，而高頻由于電離層電子密度降低，等效高度降低，使用頻率過高會(huì)穿透電離層而無(wú)法返回，會(huì)造成接收信號(hào)弱。
2.3隨太陽(yáng)黑子數(shù)的周期性變化
太陽(yáng)黑子對(duì)大氣層的電離程度影響極大，并影響到短波傳播的可能性，它的活動(dòng)周期大約為11年。太陽(yáng)黑子數(shù)目多，電離層受紫外線和其他射線的影響，電離程度會(huì)增強(qiáng)，電離層D層的電子濃度會(huì)顯著增加，通過該層的頻率會(huì)受到嚴(yán)重吸收，尤其是低頻段，而E層和F層會(huì)反射更高的頻率；當(dāng)太陽(yáng)黑字?jǐn)?shù)少時(shí)，電離層電離程度不高且穩(wěn)定，低頻段會(huì)更有利于傳播，各國(guó)在使用頻率上均會(huì)使用相對(duì)較低的頻段，造成頻道擁擠、相互干擾。所以，對(duì)太陽(yáng)黑字?jǐn)?shù)的研究和關(guān)注，更有利于我們掌控頻率的使用，也對(duì)監(jiān)測(cè)工作起到有效的輔助作用。
圖2 太陽(yáng)黑子數(shù)的周期性變化
2.4隨地理位置變化
由于各國(guó)地理位置不盡相同，經(jīng)緯度的差異造成太陽(yáng)對(duì)每個(gè)地區(qū)的照射強(qiáng)度存在明顯差異，靠近低緯度，太陽(yáng)光照強(qiáng)，電子密度大；靠近高緯度，太陽(yáng)光照弱，電子密度減小。所以，經(jīng)緯度是不同國(guó)家在選頻上所考慮的重要因素之一。
3 電離層的非周期性變化對(duì)電波傳輸效果造成巨大影響
電離層的變化大部分是有規(guī)律的，可以預(yù)測(cè)的，但有時(shí)在太陽(yáng)發(fā)生耀斑時(shí)，會(huì)輻射大量紫外線和X射線，造成電離層電子濃度發(fā)生巨大變化，影響短波傳輸。
3.1電離層突發(fā)性吸收
電離層突發(fā)性吸收也叫電離層突然騷擾，當(dāng)太陽(yáng)表面爆發(fā)強(qiáng)烈耀斑時(shí)，輻射出大量紫外線，這種強(qiáng)烈的紫外線使E層和D層發(fā)生強(qiáng)烈電離，D層電子密度比正常值大10倍以上，通過D層的電波受到強(qiáng)烈的吸收，使短波嚴(yán)重衰減，尤其在春分前后，日凌發(fā)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大面積廣播中斷。
D層的突發(fā)性吸收只發(fā)生在白天，且與電波的頻率相關(guān)，頻率越低吸收越大，在監(jiān)測(cè)過程，低頻段廣播會(huì)首先出現(xiàn)“無(wú)載波”的現(xiàn)象，然后依次向高頻段延伸，通常會(huì)持續(xù)幾分鐘至幾十分鐘；恢復(fù)時(shí)電離層電子濃度逐漸減小，高頻段先恢復(fù)，當(dāng)濃度降低到一定程度時(shí)，才能恢復(fù)低頻段頻率進(jìn)行傳輸。
3.2電離層騷擾
電離層騷擾又叫電離層爆，當(dāng)太陽(yáng)表面發(fā)生強(qiáng)烈耀斑時(shí)，除了輻射大量射線外，還會(huì)噴射出大量帶電微粒子流，當(dāng)帶電粒子接近地球時(shí)，大部分被擋在地球磁層之外繞道而過，一小部分穿過磁層到達(dá)電離層，出現(xiàn)正常電離層結(jié)構(gòu)遭破壞的現(xiàn)象，電子密度降低，自F層、E層、D層依次受到影響，F(xiàn)2層受影響最大，臨界頻率急劇下降，一些在F2層正常傳輸?shù)母哳l會(huì)瞬間穿透電離層而無(wú)法返回地面，造成廣播中斷，在監(jiān)測(cè)中，首先會(huì)出現(xiàn)高頻率“無(wú)載波”的現(xiàn)象，依次向低頻段延伸；恢復(fù)時(shí)，低頻段首先恢復(fù)正常傳輸，高頻段隨著F2層電子濃度的增加，會(huì)逐步恢復(fù)正常廣播。
因此，在監(jiān)測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)短波大面積中斷，要充分利用電離層特性，準(zhǔn)確判斷異態(tài)現(xiàn)象，避免對(duì)停播原因作出誤判。
4 短波頻率的選用要充分考慮電離層對(duì)電波的影響
短波傳播有兩種基本形式，分別為地波傳播和天波傳播，但由于短波相對(duì)于中波，頻率高，波長(zhǎng)短，在地面?zhèn)鞑r(shí)遇障礙物的繞射能力差，因此更容易被建筑物返回或衰減，其傳輸距離不遠(yuǎn)；而天波則可以傳輸很遠(yuǎn)，可達(dá)幾千公里，而天波傳輸又跟電離層特性有著密切關(guān)系。
4.1電波在電離層傳輸時(shí)不斷發(fā)生反射和折射
電波在電離層傳輸可看作在電離層中不斷折射。
圖3 電波在電離層中的折射
從圖3可以看出，當(dāng)入射波進(jìn)入電離層后，隨著電子濃度的增加，電波從光疏媒質(zhì)進(jìn)入光密媒質(zhì)后，折射角要大于入射角，電波通過不斷的折射向前傳輸，當(dāng)折射角為90°時(shí)，射入的電波在層內(nèi)達(dá)到最高處，此后電波射線方向?qū)l(fā)生轉(zhuǎn)變，開始向地面方向折射，最終返回地面。
4.2電波在電離層中傳輸會(huì)發(fā)生損耗
電波從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)，通過電離層時(shí)，會(huì)與其中的自由電子、離子和中性分子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生熱量，造成吸收損耗，其主要發(fā)生在D層，損耗的大小還要考慮工作頻率、發(fā)射的仰角等，通常情況，頻率高損耗小，射線仰角高損耗也會(huì)小。
4.3頻率的選用要充分考慮電離層因素
短波廣播傳播距離遠(yuǎn)，服務(wù)區(qū)大，因此各國(guó)對(duì)外廣播主要選擇短波廣播。由于電波是一種有限的資源，短波專用頻段內(nèi)的電臺(tái)十分擁擠，同、鄰頻干擾嚴(yán)重，另外，受電離層影響，傳播不穩(wěn)定。
4.3.1短波頻段的選用應(yīng)考慮季節(jié)和晝夜因素
2-4MHz：熱帶頻率，太陽(yáng)黑子數(shù)少，傳輸效果好，一些赤道附近的國(guó)家可用作國(guó)內(nèi)廣播。
6-7MHz：秋冬季或夜間使用較多，適用于近距離廣播。
9-11MHz：頻段適中，適用于對(duì)內(nèi)對(duì)外全天廣播。
13MHz：白天效果好，適用于遠(yuǎn)距離廣播。
15-17MHz：在春夏季使用，效果會(huì)更佳。
4.3.2電波在電離層中傳播會(huì)產(chǎn)生衰落
電波經(jīng)電離層傳播，到達(dá)接收地點(diǎn)時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度有時(shí)會(huì)忽大忽小，呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則的變化。
（1）干涉性衰落
電波經(jīng)電離層反射，在接收地點(diǎn)會(huì)有多條射線，不同的射線路徑不同，相位不同，相互會(huì)產(chǎn)生干擾，形成衰落。
（2）選擇性衰落
短波信號(hào)有時(shí)會(huì)隨頻率高低呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則的變化，在某一特定時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過電離層的某一頻率會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重衰落。
（3）極化衰落
受地球磁層影響，電波在電離層內(nèi)傳播時(shí)，分離成為尋常波與非尋常波兩個(gè)射束，各射束在電離層內(nèi)的吸收與相移不同，因而經(jīng)電離層反射的電波，它的極化變成為一個(gè)隨機(jī)橢圓極化，而與射入電離層前不同。
結(jié)束語(yǔ)
如今，隨著新興媒體的快速發(fā)展，短波廣播作為傳統(tǒng)媒體的重要組成部分，仍然發(fā)揮這不可替代的作用?？v觀世界，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的短波廣播發(fā)射地點(diǎn)雖然距離我們很遙遠(yuǎn)，但一些信號(hào)達(dá)到我國(guó)時(shí)比較強(qiáng)，廣播聲音清晰，除了機(jī)器性能本身外，充分考慮電離層因素，有效利用電波傳輸理論，也是值得我們學(xué)習(xí)和借鑒的。因此，電離層是大自然饋贈(zèng)我們的有限資源，作為廣電人要擁有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，不斷研究電離層，使我們廣播更好的傳遍世界各地。
審稿人：嚴(yán)志剛內(nèi)蒙古新聞出版廣電局包頭廣播發(fā)射中心臺(tái)正高級(jí)工程師
責(zé)任編輯：王學(xué)敏
G206.2
A
2096-0751（2016）06-0022-04
李偉國(guó)家新聞出版廣電總局203臺(tái)高級(jí)工程師
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