第10章-天波传播1课件.ppt

1、适合波段：长波、中波、短波适合波段：长波、中波、短波优点：传输损耗小，可实现远距离通信。优点：传输损耗小，可实现远距离通信。媒质媒质随随 机机 性性色散特性色散特性各向异性各向异性信号不稳定信号不稳定衰落较严重衰落较严重电离层暴电离层暴通信通信中断中断第第1010章章 天波传播天波传播天波传播：电波经电离层反射到达接收点的传播天波传播：电波经电离层反射到达接收点的传播 方式。方式。太阳对地球的影响太阳对地球的影响 一、太阳的结构一、太阳的结构内部结构内部结构核心层核心层辐射层辐射层对流层对流层外部结构外部结构光球层光球层色球层色球层日冕层日冕层太阳风太阳风 黑子黑子 耀斑，日珥耀斑，日珥 太阳

2、的结构太阳的结构太阳内部太阳内部太阳大气层太阳大气层光球层光球层黑子黑子色球层色球层耀斑，日珥耀斑，日珥日冕层日冕层太阳风太阳风太阳大气结构及太阳活动示意图太阳大气结构及太阳活动示意图太阳概况太阳概况 炽热的气体组成的本身发光的球体炽热的气体组成的本身发光的球体 1 、由氢和氦组成(H&He) 2 、表面温度6000K 3 、能量来源：核聚变(4H He ) 4 、太阳辐射：电磁波太阳基本物理参数太阳基本物理参数半径：半径：696295 千米千米质量：质量：1.9891030 千克千克日地平均距离：日地平均距离：1亿亿5千万千万 千米千米年龄：约年龄：约50亿年亿年寿命：寿命：100亿年亿年1

3、、太阳辐射、太阳辐射二、太阳辐射对地球的影响二、太阳辐射对地球的影响 太阳源源不断的以太阳源源不断的以电磁波电磁波的形式向四周放射能的形式向四周放射能量。量。2、太阳风（太阳风暴）、太阳风（太阳风暴） 太阳耀斑爆发时高速喷射出的带电粒子流。太阳耀斑爆发时高速喷射出的带电粒子流。太阳风对航天、航空活动的影响：太阳风对航天、航空活动的影响：（1 1）破坏卫星的控制系统和击毁电子元器件）破坏卫星的控制系统和击毁电子元器件 可以导致航天器的控制系统和传感器失灵，可以导致航天器的控制系统和传感器失灵，以至整个航天器被毁；以至整个航天器被毁；（2 2）威胁宇航员的生命）威胁宇航员的生命（3 3）对在高纬地

4、区飞行的旅客和乘务人员构成辐）对在高纬地区飞行的旅客和乘务人员构成辐射威胁射威胁宇航员为什么穿着由不同材料制成的宇航员为什么穿着由不同材料制成的多层航天服？多层航天服？ 星际空间中，每当耀斑爆发就会释放出很强的星际空间中，每当耀斑爆发就会释放出很强的无线电波、大量的紫外线、无线电波、大量的紫外线、X X射线射线射线，以及高能射线，以及高能带电粒子，宇航服主要是防止辐射。带电粒子，宇航服主要是防止辐射。 1961 1961年年4 4月月1212日，身着日，身着9090公斤重的太空服，公斤重的太空服，原苏联首位宇航员原苏联首位宇航员加加林加加林乘坐重达乘坐重达4.754.75吨的吨的“东东方方”号

5、宇宙飞船进入太空，成为世界上第一个进号宇宙飞船进入太空，成为世界上第一个进入宇宙空间和从宇宙中看到地球全貌的人。入宇宙空间和从宇宙中看到地球全貌的人。 2003 2003年年1010月月1515日日9 9时，当神舟五号飞船腾空而起时，当神舟五号飞船腾空而起遨游太空时，全世界都记住了这位中国人的名字遨游太空时，全世界都记住了这位中国人的名字-杨利伟，他是第一位叩访太空的中国航天员。杨利伟，他是第一位叩访太空的中国航天员。 神舟七号发射时间：神舟七号发射时间：20082008年年9 9月月2525日日2121时时1010分分0404秒秒 我国航天员首次太空行走我国航天员首次太空行走中国神七航天员凯

6、旋归来中国神七航天员凯旋归来翟志刚、刘伯明、景海鹏翟志刚、刘伯明、景海鹏 思考：思考： 2003 2003年年1010月月2323日到日到1111月月5 5日，日，许多国家的短波通信受到干扰，通许多国家的短波通信受到干扰，通信设备受损，日本一颗通信卫星信信设备受损，日本一颗通信卫星信号中断，一颗环境卫星已无法恢复号中断，一颗环境卫星已无法恢复使用。你能解释其原因吗？使用。你能解释其原因吗？（1）维持地表温度）维持地表温度3 3、太阳辐射的影响、太阳辐射的影响（2 2）是大气，水和生物生命活动的主要动力）是大气，水和生物生命活动的主要动力（3 3）是人类生产生活的主要能源）是人类生产生活的主要能

7、源煤煤石油石油太阳能电站太阳能电站三、太阳活动对地球的影响三、太阳活动对地球的影响1 1、黑子、黑子影响地球气候影响地球气候降水降水 用肉眼可能观测到太阳上出现的黑斑，就是用肉眼可能观测到太阳上出现的黑斑，就是太阳黑子。一般认为，太阳黑子是太阳表面巨大太阳黑子。一般认为，太阳黑子是太阳表面巨大的游涡状气流产生的。由于一部分气流的温度为的游涡状气流产生的。由于一部分气流的温度为4600C，比太阳表面的正常温度低，比太阳表面的正常温度低1400C，所以看起来是黑的。所以看起来是黑的。 从从18011801年科学家就开始研究年科学家就开始研究太阳黑子与地球上太阳黑子与地球上旱涝灾害的关系旱涝灾害的关

8、系，发现当日面上黑子少时，一些地，发现当日面上黑子少时，一些地区雨量就少，地面干旱。但是，后来有的统计研究区雨量就少，地面干旱。但是，后来有的统计研究认为当日面上黑子多时，一些地区雨量就少，地面认为当日面上黑子多时，一些地区雨量就少，地面干旱。这种对不同地区统计而得到的相反结果就很干旱。这种对不同地区统计而得到的相反结果就很难使人相信地面雨量的多少与太阳活动有直接关系。难使人相信地面雨量的多少与太阳活动有直接关系。从物理角度讲，太阳对地球的影响是全球性的。即从物理角度讲，太阳对地球的影响是全球性的。即便有关也是太阳因素经地球内因的作用进行了再分便有关也是太阳因素经地球内因的作用进行了再分配。配

9、。2 2、耀斑耀斑影响电离层，干扰无线电通信影响电离层，干扰无线电通信 2001年年太阳耀斑爆发，出现极其严重的太阳耀斑爆发，出现极其严重的电离层电离层骚扰骚扰和和电离层暴电离层暴，造成我国满洲里、重庆等电波观，造成我国满洲里、重庆等电波观测站发射出去的探测信号测站发射出去的探测信号全频段消失全频段消失，即高频信号，即高频信号穿透电离层飞向宇宙空间，而低频信号被电离层的穿透电离层飞向宇宙空间，而低频信号被电离层的强烈吸收而衰减掉。强烈吸收而衰减掉。 电离层暴致使短波通信、卫星通信、短波广播、电离层暴致使短波通信、卫星通信、短波广播、航天航空、长波导航、雷达测速定位等信号质量大航天航空、长波导航

10、、雷达测速定位等信号质量大大下降甚至中断。大下降甚至中断。太阳黑子太阳黑子太阳耀斑太阳耀斑3 3、太阳风、太阳风在两极地区产生极光在两极地区产生极光 极光是来自太阳活动区的带电高能粒子流极光是来自太阳活动区的带电高能粒子流（可达（可达1010千电子伏）使高层大气分子或原子激千电子伏）使高层大气分子或原子激发或电离而产生的。由于地磁场的作用，这些发或电离而产生的。由于地磁场的作用，这些高能粒子转向极区，所以极光常见于高磁纬地高能粒子转向极区，所以极光常见于高磁纬地区。区。极光极光 常常出现于纬度靠近地磁极地区上空大气中常常出现于纬度靠近地磁极地区上空大气中的的彩色发光现象彩色发光现象。一般呈带状

11、、弧状、幕状或放。一般呈带状、弧状、幕状或放射状。射状。太阳对地球的影响小结太阳对地球的影响小结维持地表温度维持地表温度是大气，水和生物生命活动的主要动力是大气，水和生物生命活动的主要动力是人类生产生活的主要能源是人类生产生活的主要能源黑子黑子-影响地球气候影响地球气候降水降水耀斑耀斑-影响电离层，干扰无线电影响电离层，干扰无线电短波短波通讯通讯太阳风太阳风-在两极地区产生极光在两极地区产生极光一、太阳辐射对地球的影响一、太阳辐射对地球的影响二、太阳活动对地球的影响二、太阳活动对地球的影响一、大气层结构一、大气层结构10.1 10.1 电离层概况电离层概况1.对流层：离地面对流层：离地面101

12、2km，大气相互对流，大气相互对流2.平流层：离地面平流层：离地面1060km，大气沿水平方向流动，大气沿水平方向流动3.电离层：离地面电离层：离地面601000km，存在大量带电粒子，存在大量带电粒子4.磁层：电离层以上磁层：电离层以上几万几万km，存在着由带电粒子，存在着由带电粒子 组成的两个辐射带。组成的两个辐射带。地面上空大气层概况地面上空大气层概况 云雨臭氧层O3温度气温随高度变化曲线对流层顶50平流层顶10中层顶90热层顶1000卫星流星10102103104km磁层电离层平流层对流层珠穆朗玛峰107108109101010111012电子密度/个 / m3DEF1F2磁层：人类生

13、存环境的第一道防线磁层：人类生存环境的第一道防线电离层：人类生存环境的第二道防线电离层：人类生存环境的第二道防线臭氧层：人类生存环境的第三道防线臭氧层：人类生存环境的第三道防线挡住太阳风挡住太阳风吸收吸收X射线、紫外线射线、紫外线吸收紫外线吸收紫外线二、电离层的结构特点二、电离层的结构特点1. 电离层：离地面电离层：离地面601000km高空的大气电离区域。高空的大气电离区域。2. 成分：由自由电子、正离子、负离子、中性分成分：由自由电子、正离子、负离子、中性分 子、原子等组成的等离子体。子、原子等组成的等离子体。3. 形成原因：形成原因：太阳辐射的紫外线太阳辐射的紫外线 X射线射线 高能带电

14、微粒流高能带电微粒流 其他星体电磁辐射其他星体电磁辐射 宇宙射线宇宙射线 通常用电子密度通常用电子密度N（电子数（电子数/m3 ）衡量大气电）衡量大气电离的程度。离的程度。4. 4. 层结构层结构D层：层： 6090 km 夜间消失夜间消失E层：层： 90150kmF1层：层：170200km 夜间及冬季消失夜间及冬季消失F2层：层：200450km长、中、短波从不同高度反射长、中、短波从不同高度反射 F层E层D层长波中波短波100 km170 km300 km60 km70 km电离层各层的主要参数电离层各层的主要参数 二、电离层的变化规律二、电离层的变化规律规则变化规则变化日夜变化日夜变化

15、 季节变化季节变化 随太阳黑子随太阳黑子1111年周期变化年周期变化 不规则变化不规则变化电离层突然骚扰电离层突然骚扰 电离层暴电离层暴 突发突发E E层层 随地理位置变化随地理位置变化 太阳黑子数随年份的变化太阳黑子数随年份的变化 190019101920193019401950196019701980199020003002001000太阳黑子数年份中新网北京中新网北京2001年年7月月17日消息：日消息： 据中国电波传播研究所报告，据中国电波传播研究所报告，14日发生的太日发生的太阳风暴，阳风暴，16日零时开始和地球相遇，造成了严重日零时开始和地球相遇，造成了严重的的电离层暴电离层暴，这

16、次电离层暴持续，这次电离层暴持续20多个小时。多个小时。 这次严重的电离层暴是由太阳强烈的耀斑爆这次严重的电离层暴是由太阳强烈的耀斑爆发引起的。这次耀斑爆发产生的发引起的。这次耀斑爆发产生的 X射线射线 8分钟后分钟后就到达地球，在地球日照面造成强烈的突然电离就到达地球，在地球日照面造成强烈的突然电离层骚扰。层骚扰。 中国中国北京、兰州、拉萨、乌鲁木齐北京、兰州、拉萨、乌鲁木齐等地的电波等地的电波观测站的观测站的短波探测信号短波探测信号全被吸收中断。全被吸收中断。 电离层暴期间，电离层暴期间，中国部分地区短波通信受到较中国部分地区短波通信受到较大影响大影响，部分电路信号强度降低，致使通信困难。

17、，部分电路信号强度降低，致使通信困难。部分部分卫星通信系统的转发器卫星通信系统的转发器受到严重干扰，噪声加受到严重干扰，噪声加大，影响了通信质量。大，影响了通信质量。 耀斑耀斑影响电离层，干扰无线电影响电离层，干扰无线电短波通信短波通信产生产生电离层骚扰电离层骚扰和和电离层暴电离层暴现象。现象。 2005年年1月月20日，太阳发生一次日，太阳发生一次X7.9级的耀斑级的耀斑爆发。这是继爆发。这是继16日、日、17日、日、19日日 太阳连续几次发太阳连续几次发生生X级耀斑爆发后的又一次大爆发。受此次太阳耀级耀斑爆发后的又一次大爆发。受此次太阳耀斑爆发的影响，我国境内通信、广播、测量等系统斑爆发的

18、影响，我国境内通信、广播、测量等系统的短波无线电信号立即遭受强烈的电离层吸收，的短波无线电信号立即遭受强烈的电离层吸收，因而中断，其中北京地区信号中断一个多小时。因而中断，其中北京地区信号中断一个多小时。 太阳耀斑爆发期间所射出的太阳耀斑爆发期间所射出的 X射线会比平时射线会比平时增加增加 1000 倍倍， 使地球大气中电离层的电子密度使地球大气中电离层的电子密度提高，而提高，而 3到到30MHz的无线电波正好是通过电离的无线电波正好是通过电离层来传播，所以受到严重干扰。当日，北京市民层来传播，所以受到严重干扰。当日，北京市民受到的最大影响就是短波广播中断，一些习惯收受到的最大影响就是短波广播

19、中断，一些习惯收听短波广播的市民没能像往常一样收听到自己喜听短波广播的市民没能像往常一样收听到自己喜爱的节目。爱的节目。电离层骚扰时电子密度增大电离层骚扰时电子密度增大 40030020010001081091010101110121013正常情况电离层骚扰时N / (个 / m3)高度 / kmDEDEFF三、电离层的等效电参数三、电离层的等效电参数 一般情况下，运动中的电子还将与中性分子等一般情况下，运动中的电子还将与中性分子等发生碰撞，将它由电波得来的能量转移给中性分子，发生碰撞，将它由电波得来的能量转移给中性分子，变成热能损耗，变成热能损耗， 在电波未射入电离层之前，电离层中的中性分在

20、电波未射入电离层之前，电离层中的中性分子和离子与电子一起进行着漫无规律的热运动。子和离子与电子一起进行着漫无规律的热运动。 当电波进入电离气体时，自由电子在入射波电当电波进入电离气体时，自由电子在入射波电场作用下作简谐运动。场作用下作简谐运动。 设设 v 为电子运动速度，为电子运动速度，e为电子电量，为电子电量，m为电子为电子质量质量,为碰撞频率为碰撞频率,并设碰撞时电子原有动量全部转并设碰撞时电子原有动量全部转移给中性分子，故每秒钟动量的改变为移给中性分子，故每秒钟动量的改变为m v ，则，则电子运动方程为电子运动方程为dveEmmvdteEj mvmveEvj mm(1011) (1012) (1013) 对于谐变电磁场，上式可改写为对于谐变电磁场，上式可改写为 由此可得由此可得 因为电子运动形成的运流电流密度为因为电子运动形成的运流电流密度为eJNev (1014) 所以电离层中的麦克斯韦第一方程为所以电离层中的麦克斯韦第一方程为 02022022220001()()erHjEJNe EjEj mmNeNejEmj mjE (1015) (1016) (1017)(1018) 等效相对复介电常数等效相对复介电常数等效相对介电常数等效相对介电常数等效电导率等效电导率0jrr)(12202mNer)(2202mNe