電離層運動

電離層運動就是電離層中的大氣環流、湍流、潮汐振盪和各種大氣波動過程。電離層運動的形態，不僅多變，而且十分複雜。它不僅與電離層下面的大氣運動有緊密的動力耦合，同時與電離層上面的磁層擾動以及太陽活動緊密相關。

基本介紹

• 中文名：電離層運動
• 外文名：motions in the ionosphere

介紹

電離層運動與中性大氣運動在物理特性上有很大不同。電離層大氣是部分電離的，帶電粒子的運動一方面受大氣中性成分運動的控制，另一方面還受電磁場的作用，以致電離層中不同大氣成分的運動互不相同。但是，通過極化電場的作用以及中性分子與離子的相互碰撞，不同成分的運動又相互制約與聯繫。

運動形式

電離層運動的主要形式有：

盛行風 　中層大氣環流的上延部分，它是低電離層中的主要風系。由於低電離層中碰撞頻率很高，大氣中性成分與電離成分一道運動。

大氣湍流 　低電離層中的主要運動形式。中層大氣的湍流運動由下向上一直延伸到120公里,導致電離層中出現不均勻電離結構。

大氣行星波 　又叫長波，是發生在中層大氣以下的周期大於一天的大氣波動。通常認為，20世紀60年代發現的平流層增溫現象和電離層吸收的冬季異常現象之間的聯繫，與低層大氣行星波有關。

熱層風 　上部電離層的主要風系。在熱層中，太陽輻射使日照半球的大氣加熱，溫度最高與最低點分別出現在地方時約15點和04點的赤道上空。溫差引起的大氣壓力的水平梯度，使大氣從高溫區向低溫區運動。即熱層風的基本方向是：跨過南北兩極，由向陽面吹向背陽面，在中緯地區，上午有西向分量，上半夜有東向分量。離子拖曳使白天速度低於夜間速度，地球自轉使風速矢量每天轉動一周。在地磁場洛倫茲力作用下，向赤道的熱層風使電漿向上運動至複合較慢的地方，從而使該處電離密度增大；向兩極的熱層風使電漿向下運動至複合較快的地方，使電離更快地消失。因此，熱層風影響F層電離的分布和變化。

大氣潮汐運動 　電離層中的一種運動形式。E層參量變化的統計分析表明：這裡存在較弱的太陰半日潮汐運動，是月球對大氣的引力作用激發的。關於太陽潮汐運動，情況比較複雜，因為很難把太陽引力作用、日照加熱作用和大氣層固有振盪的諧振作用一一區分開來。因此，通常把周期為24小時或其整倍數的周期性大氣運動，不管其中引力作用的大小，都叫做太陽潮汐運動。

低電離層中的太陽潮汐運動，是臭氧層中的臭氧吸收和對流層中的水汽吸收對大氣的加熱作用激發的。根據雷達對流星的觀測，在85～100公里的高度上,在東西向的盛行風系之上，疊加著一個幅度與盛行風差不多的太陽半日潮汐運動。有時還觀測到周期為 8小時的潮汐分量。在低層大氣中，太陽周日潮很弱，因為它的垂直波長很短。　在 110公里附近的電離層發電機區內，存在較強的水平的太陽周日潮汐運動，它的能量只沿水平方向傳播。這種潮汐運動的激勵源可能是該高度上氧分子對太陽輻射的吸收。它的存在主要是由地面地磁場變化的觀測資料間接證實的。因為在電離層發電機區水平方向的電導率很高，大氣運動引起很強的電場和電流（見電離層的發電機效應）。

聲重波 　電離層中一種很重要的大氣波動過程。在相鄰不太遠的各電離層垂直探測站的頻高圖上，它表現為一種行波型擾動，稱為電離層行進式擾動，記為 TID。通過對電離層漂移的長期無線電觀測,現已確認,它的物理本質是大氣層中的一種波動過程，叫大氣聲重波。這種波動的高頻部分叫聲重波的聲波分支，它是低頻次聲波，振動恢復力主要是空氣的絕熱壓縮和膨脹。這種波動的低頻部分叫聲重波的重力波分支，振動恢復力主要是氣團偏離其流體靜力平衡位置時的浮力和重力。由於重力作用,以自由波形式傳播的聲重波是各向異性的,群速矢量和相速矢量之間的關係式，與通常的波動過程很不相同，如能量向上傳播的重力波，其等相面是向下傳播的，這是重力波的一種重要特性。潮汐運動可看成是一種頻率特別低以致不能忽略科里奧利力影響的重力波。電離層中的大尺度電離層行進式擾動和中尺度電離層行進式擾動也屬重力波，但短周期的電離層擾動屬聲波分支。

極區粒子沉降和極區電急流的焦耳加熱作用，在極區電離層中激發短周期聲重波。赤道電急流的反向，在赤道上空激發聲重波，以弓形激波形式向赤道兩測傳播。電離層中激發的聲重波向下傳播至地面，有時可用微壓計檢測出來。

大尺度電離層行進式擾動是磁層擾動期間的極區電急流激發的，是暴日電離層擾動的一種重要形式，它的主要特徵是：水平地向赤道方向傳播，速度為400～700米/秒，周期為半小時至幾小時；衰減較小，傳播上千公里後波形變化不大；東西方向的水平尺度長達一兩千公里。

中尺度電離層行進式擾動，周期一般為十幾分鐘至三十多分鐘,水平尺度一般為一、二百公里,典型速度為100～300米/秒。它的擾動源一般是在近地面和低層大氣中，如核爆炸、雷暴、颱風和地震、火山爆發等。對這種能量向上傳播的重力波來說，整個大氣層好像是個振幅放大器、頻率濾波器和傳播方向選擇器。因此，近地面源激發的中尺度重力波，多數不能傳播到特定的電離層區域，而到達的往往呈圖像清晰的波列，信雜比很高，容易用無線電方法檢測出來。通過重力波射線追跡計算，可以對地面源進行遠距離監視。人們預計用這種方法有可能對龍捲風等自然災害現象事先發出警告。

運動意義

目前，對電離層運動的認識還不夠深刻，現有的電離層動力模式還不能滿意地描述電離層運動的平均形態。由於電離層運動直接影響電離層的形態、結構與變化，激發電離層不均勻結構和電漿不穩定性，對人類活動，特別是地面和空間無線電系統，產生不可忽略的影響。因此，不斷完善電離層動力模式，闡明各種運動形式的物理特性，並對電離層中一些暫態動力過程進行實時預報都具有實際意義。

性能影響

電離層對星載SAR特別是高解析度、寬頻SAR的性能影響近年來已成為國際上的研究熱點之一，目前我國在這一研究領域研究較少。及時開展該領域的研究，對我國長遠發展星載SAR系統有重要的現實意義。 本論文首先簡要介紹了電離層的概況及其影響到信號傳播的一些重要參數。接著分別基於高斯包絡和矩形包絡線性調頻信號，深入分析了電離層對星載SAR系統的影響機理，並給出相關的定量表達式。文中主要研究了電離層的三種影響：信號經過電離層傳播的群延遲引起的成像偏移；電離層的色散效應給線性調頻信號帶來二次相位誤差，導致圖像退化、失真；以及電離層的閃爍、湍流等不規則性引起的信號相位起伏。在此基礎上，比較分析了不同波段、頻寬條件下電離層的影響。結果表明，在信號頻段較低、頻寬較大的情況下，電離層的影響不容忽視，必須加以校正。本論文介紹了兩種校正方法：利用加權函式抑制色散效應引起的二次相位誤差，以及使用相位梯度自聚焦算法較正由電離層的不規則性引起的信號相位起伏。最後，根據前面的分析，使用CS成像算法針對L-SAR進行了電離層影響的模擬研究。模擬結果表明，電離層引起的相位起伏對成像影響較大，校正後可得到比較滿意的結果。