第四百零三篇 庞多拉“天毁计划”十三

　　超级双子极光雷达网研究高高度和中高度对8至20MHz频率的相干散射。相干散射与晶体的布拉格散射类似，是由电离层密度差异造成的相增衍射散射。这个项目包括全球11个不同国家的多部雷达。

　　科学家还测量卫星和其它恒星的无线电波经过电离层所产生的变化。位于波多黎各的阿雷西博天文台本来就是打算用来研究地球电离层的。

　　电离层对电波传播的影响与人类活动密切相关，如无线电通讯、广播、无线电导航、雷达定位等。受电离层影响的波段从极低频（ELF）直至甚高频（VHF），但影响最大的是中波和短波段。电离层作为一种传播介质使电波受折射、反射、散射并被吸收而损失部分能量于传播介质中。3～30千赫为短波段，它是实现电离层远距离通讯和广播的最适当波段，在正常的电离层状态下，它正好对应于最低可用频率和最高可用频率之间。但由于多径效应，信号衰落较大；电离层暴和电离层突然骚扰，对电离层通讯和广播可能造成严重影响，甚至讯号中断。300千赫至3兆赫为中波段，广泛用于近距离通讯和广播。

　　百年前，三声短促而且微弱的讯号，向世界宣布了无线电的诞生。一九〇一年，扎营守候在讯号山(SignalHill位于加拿大东南角)的意大利科学家马可尼，终于接收到了从英格兰发出的跨过大西洋的无线电讯号，这个实验向世人证明了无线电再也不是仅限于实验室的新奇东西，而是一种实用的通讯媒介。此后短波用作全球性的国际通讯媒介便开始发达起来了。

　　在地震多发区，其上空的电离层常常异常，这是由俄罗斯及日本的学者组成的研究小组通过多年对电离层电子浓度的观测发现，得出的结论，它将对人类研究地震形成及地震前期预报提供帮助。他们分析了由原苏联发射的一颗卫星在五年半时间内对电离层观测得到的相关数据和全球各地的地震发生记录，并进行了比较。电离层扰动，就像一盆水放在地面上，即使没有风吹，自己内部有泡泡也会导致水面不平静，因此，跟踪大气电离层电子浓度的变化可预测地震的发生，能够最大限度地减少地震带来的人员伤亡和财产损失。比较公认的地震影响电离层的理论有两种：一是地震区产生的内重力波对电离层的影响，二是地震区的异常垂直电场进入电离层从而引起电离层扰动。

　　参与共同研究工作的是日本宇宙开发事业团及俄罗斯科学院航空宇宙监测科学中心通过多年研究发现，地震前震中上空大气电离层电子浓度发生着急剧改变。过去曾有科学家指出地震与电离层变化之间有联系，也有在地震发生的前后观测到地磁波的存在和电离层的变化等相关记录，但在关于“地面上的电磁波是不是会对电离层产生影响”这一问题，人们普遍存在怀疑。此次，科学家们将一九七七至一九七九年的记录数据进行分析，发现包括日本在内的太平洋西部地震多发区，在这段时间内共发生了一百五十次以上的里氏五级以上大地震，而这些地区的上空电离层的电子密度也远远高于平常密度。而那些很少发生地震的地区，电离层的电子相对较低。

　　电离层中电子浓度的变化比较复杂，参与研究工作的日本专家儿玉哲哉指出，假如增加观测电离层的卫星数量，那么准确预报地震将不会再是一句空话。但借助于美国的GPS和俄罗斯的“格洛纳斯”全球卫星系统就可以监测电离层状态的变化。该方法对预测短期地震很有价值，条件是大气电离层电子浓度的变化应该是周期性测量得到的。为了周期性的观测大气电离层的状态，俄研究人员使用了无线电信号，卫星释放出的双频无线电信号可以被地面站接收到。在卫星定位系统双频信号的基础上，科研人员研制出了计算信号参数变化的算法，并编制了计算机程序。

　　2009年3月，国内首个根据大气电离层变化来监测地震的探测试验站在聊城地震水化试验站建成。

　　研究人员指出，跟踪大气电离层电子浓度变化预测地震的这种方法在2004年日发生在俄罗斯加里宁格勒的地震事件中得到了验证。这次地震是在同一地方以2.5小时为间隔发生的，地面卫星信号接收站距离震中在260千米到320千米之间。观测数据表明，震前的3至5个昼夜的时间内电离层电子浓度在增长，而在震前2个昼夜的时间内电子浓度的最大值大大下降了，电离层电子浓度急剧下降只发生在震中附近，位于震中1100千米的地面设备记录的信号没有任何改变。因此，可以认为，电离层电子浓度的急剧下降是由于地震效应引起的，电离层的这种状态就是要发生地震的征兆。以往的研究结果显示，对于5级以上的地震，在地震附近地区一般会出现电离层扰动，概率约为74.1%。

　　从2008年5月5日到15日，汶川以东至日本冲绳、南至海南南部地区的电离层出现明显扰动，电离层TEC出现了明显增加，而平时，这样的增加很少能看到。5月9日的扰动，则是“往水中扔了一块石头”，后来发生大地震的所在地附近出现了大范围的电离层参数异常增加。

　　由于热运动和电磁力的作用，从某个分子逸出的电子可能与另一失去电子的阳离子碰撞而复合，也可与中性分子暂时结合而成阴离子。在电离层中，电离与复合总在不断地进行着，但在一块地区内，自由电子和阴离子的浓度与阳离子的浓度基本上是相同的，因而总体呈电中性。这是物质的第四态，称为等离子体态。电离层的温度最高不超过1000K，属于冷而弱的等离子体。

　　太阳辐射的各种成分对大气的作用不同，短紫外线和X射线使大气电离，较长的紫外线使大气分子分解为单个原子，更长的紫外线使。微粒流能引起大气电离和升高温度等多种作用。太阳辐射穿过大气时，因被吸收而衰减。穿越相同的气层，辐射的波长越短，衰减越多。因此，只有波长较长的紫外线能达到地面，大气的成分也因吸收紫外线而随高度改变。

　　研究和火箭实测表明，大约90km高度以下大气分子量没有明显变动，但在高度范围内O3含量的百分数较大，极大值约在～40km以上出现开始分解为氧原子，在更高处N2也开始分解，在约100km以上，大气的主要成分为O、N2和N。在约50就都不存在了，He和H含量的百分数则逐渐增加，到2000km以上就只有这两种原子了。

　　大气分子有向外散逸的趋势。这种趋势与地球引力对抗的结果，大气压力随高度按指数规律衰减。各种成分所含的离子数可能在某一高度上出现最大值，但因各种因素（包括地磁场）对电离层同时作用以及带电粒子的迁移、散逸的结果，实际的离子浓度随高度的变动并不是几种成分理论分布的叠加。大体上，阴离子只存在于70km（白天）或90km（夜晚）以下，其上主要是浓度基本相同的阳离子和自由电子。浓度随高度的分布曲线在某几个高度上出现逗留，这些高度对于电磁波的反射起着重要的作用。各区域从下而上命名为D层（约在地面以上）、m）和F层（伸展到数千公里以外）。


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