第二部分 电波传播环境介绍.

Presentation on theme: "第二部分 电波传播环境介绍."— Presentation transcript:

1 第二部分 电波传播环境介绍

2 在无线电系统中，信息的传递是靠电磁波的传播来实现的。无线电波从发射点传输到接收点必定要经过一定的空间场所（媒质），这个空间场所会对无线电波的传播产生各种各样的影响，如反射、折射、绕射、散射和吸收等。其中，最基本的空间场所就是地球及其周围附近的区域（或称为近地空间），因此在研究具体电波传播问题之前，有必要了解地球及其外围空间的概况。 无线电波传播主要受其传播媒质的影响，因此在介绍无线电波传播之前，必须要弄清无线电波传播要经历的电磁环境。一般情况下，无线电波是在大气介质中传播的，当然还有的是在水下或地下传播，因此要搞清楚大气或地面的环境参数，掌握环境的规律和特性，并对它们进行建模，以提供给无线电波传播的分析、计算和研究。

3 一、地球及外围空间 地球是太阳系中的一个行星，形状为一略扁的球体，长半轴约为6378km，短半轴约为6357km，长短半径相差约为21km，一般取平均半径为6370km。 在电波传播研究中，一般把地球简作为圆球来处理。 根据地震波的传播证明，地球从里到外可分为地核、地幔和地壳三层

4 地核：半径约为3460km，温度估计高达5000°C左右。地核的体积只有地球体积的1/6，而质量却几乎占了1/3，这证明它是由较重的元素（例如铁等）组成的。
地壳：地球的表层, 厚度各处不同, 海洋下面较薄, 最薄处仅5 km左右, 大陆所在的地下比较厚, 最厚处可达60 km, 地壳的平均厚度约为33 km。 地壳的基部是玄武岩, 某些地区在玄武岩的上面还有花岗岩, 再上面是电导率较大的冲积层等。 由于地球的内部作用，例如地壳运动、火山爆发等, 以及外部的风化作用,使得地球的表面形成了高山、深谷、江河、平原等地形地貌, 再加上人为所创造的城镇等环境, 这些不同的地形地物和不同的地质结构都在一定程度上影响着无线电波的传播。

5 地球本身有一个很大的磁场。地磁轴线不通过地心, 而是偏心的, 它与地球南北极轴的夹角约为11
地球本身有一个很大的磁场。地磁轴线不通过地心, 而是偏心的, 它与地球南北极轴的夹角约为11.4°。地球上各地区的磁场强度并不相同, 在磁极附近的总磁感应强度约为(6～7)×10－5特斯拉, 在磁赤道上总磁感应强度值约为3×10－5特斯拉。 地磁场的空间范围非常广阔, 除了地面范围外, 还一直延伸到数万千米的高空, 与星际磁场联系, 直接影响着外层空间的物理状况。当然, 它对无线电波的传播也有一定的影响。

6 近地空间是指地球周围附近的区域, 通常是指地球的大气层和磁层。 它是与人类生活密切相关的上层环境, 是实现地面通信与空间通信的无线电波的基本传播场所, 也是传输宇宙信息及太阳能源的渠道。
大气层是包围地球表面的气体层, 其厚度可达上千千米, 就像是地球的“气体外壳”。 地面上空的大气是分层的, 分层的方法很多, 但一般是按其温度状况或电离状况来分层的。

7 以大气温度随高度垂直分布的特性来分, 可分为对流层、 平流层、 中层、 热层和外层等。
地面上不同高度的温度变化

8 大体上, 自地面向上温度随高度以-6.5℃/km的速率逐渐降低。
大约在13±5 km处(在中国大陆地区一般为11~13 km), 温度达到大约208 K(相当于－65℃)的恒定值,这一高度称为对流层顶, 它是对流层和平流层的分界区域。 平流层内温度随着高度增加而上升, 到了50 km左右的高度, 温度出现最大值约为263 K, 这里就叫做平流层顶。 平流层顶以上就是中层, 中层内温度随高度增加而迅速下降, 是一个低温带, 到了90 km左右的高度, 温度出现最小值约为183 K左右, 这就是中层顶。

9 中层顶以上就是热层, 热层内温度随着高度增加而上升,到了400 km左右的高度, 温度可达上千度。

10 以电离或非电离状态来分层, 大气层可分为电离层与非电离层。
大约在60 km以下的高空, 大气中各种成分(氧占20.95%、 氮占78.09%， 还有水汽及少量氢、 氦等)混合均匀,气体多呈中性状态, 故称为非电离层, 在电波传播研究中一般称为低层大气层。 在60 km以上的大气, 主要在太阳辐射的作用下, 气体电离现象十分显著, 故该区域称为电离层。 由于大气电离或非电离状态对电波传播的机理不同, 因此, 对于电波传播研究与应用来讲, 应按低层大气和电离层来研究大气分层情况。

11 对流层主要是靠地面间接加热的。 在太阳照射下, 对流层的空气很少直接吸收太阳辐射的热量, 而是在地面受热后, 通过地面辐射和大气的垂直对流作用使对流层变热。 因此, 一般情况下, 对流层的温度、 气压、 湿度都是随着高度的增加而减少的。 某些局部地区, 有时可能出现温度随高度增加而增加的现象, 形成逆温层。 由于空气的湍流运动, 使得对流层的温度、 气压、 湿度又有随机的小尺度起伏。 其他如雷电、 云、 雾、 雨、 雪等自然 现象, 都会对无线电波的传播特别是对 微波传播有着较大的影响。

12 平流层在大气层中处于对流层与电离层 之间。 一般来说, 层内几乎没有水汽, 只有温度 有较明显的变化。 由于该层内有臭氧层, 它强烈地吸收太 阳中的紫外线, 使温度随高度的增加而增加。 平流层内的大气以水平运动为主。 通常, 在电波传播中所说的低层大气层包括对流层和平流层两部分。 由于对流层大气和平流层大气的折射率(大气温度、 湿度和气压的函数)与气象参数的关系基本一样, 因此, 在无线电波传播研究中, 有时把低层大气直接称为对流层大气。

13 电离层是高空大气层的一部分。 它从60 km延伸到大约1000 km的高度。
在这个区域, 主要是在太阳辐射的作用下, 大气电离形成等离子体层(凡部分或全部电离了的气态物质, 其中带负电的电子、 离子和带正电的离子具有相等的电量, 就称为等离子体, 所以宏观上它是电中性的)。 根据实测, 在电离层内存在着几个电子浓度不同的区域: 约在60～90 km高度的区域称为D区 在100～110 km处的区域称为E区 在E区以上是F区, 夏季的白天此区域 又可分为F1区(高度约为180 km)和 F2区(高度约为0～400 km)。 D区只在白天存在, 而E区和F区是经常 存在的。

14

15 各区电子浓度(有时称为电子密度)N(电子数目/米3)随高度变化并有一极大值。
D区电子浓度最低, 而F区电子浓度最高。 各区之间没有明显的分界面。 在400 km以上, 电子浓度随高度的上升而缓慢地减小, 一直延伸到离地面几万千米的高度。 由于电离层的主要特征是有着大量的自由电子存在, 从这一特征出发, IRE(无线电工程师学会)于1950曾建议把电离层定义为“地球大气层中含有自由电子数多至能对无线电波传播产生重要影响的那部分空间”。 根据这个定义, 它包括了从60 km高度直到磁层顶的整个范围。 实际上磁层与电离层之间没有明显的边界, 因此它们的区域划分也没有统一的意见。

16 目前, 人们倾向性的看法是把地球磁场对带电粒子运动起主要控制作用的那部分电离区域称为磁层。
它是指由于“太阳风”(通常指宁静太阳辐射的带电粒子流)与地球磁场相互作用, 使得地球磁场变形的那部分区域。 一般情况下, 太阳辐射的任何变动成分, 当它们到达地球区域后, 必然会引起电离层、 磁层的相应变化, 这对无线电波的传播都会产生一定的影响。

17 二、太阳结构及活动 太阳的基本结构 根据太阳活动的相对强弱，我们把太阳分为宁静太阳和 活动太阳两大类。
宁静太阳是一个理论上假定宁静的球对称热气体球，其 性质只随半径而变，而且在任一球层中都是均匀的，其 目的在于研究太阳的总体结构和一般性质。 在这种假定下，按照由里往外的顺序，太阳是由核心、 辐射区、对流层、光球层、色球层、日冕层构成。 光球层之下称为太阳内部；光球层之上称为太阳大气。

18

19 核反应区：从中心到0.25R⊙（R⊙：太阳半径）是太阳发射巨大能量的真正源头，称为核反应区。
在这里，太阳核心处温度高达1500万度，压力相当于3000亿 个大气压，随时都在进行着四个氢核聚变成一个氦核的热核反应。根据原子核物理学和爱因斯坦的质能转换关系式E=mc2，每秒钟有质量为6亿吨的氢经过热核聚变反应为5.96亿吨的氦，并释放出相当于400万吨氢的能量，正是这巨大的能源带给了我们光和热。根据目前对太阳内部氢含量的估计，太阳至少还有50亿年的正常寿命。 辐射区：0.25R⊙～ 0.86R⊙是太阳辐射区，它包含了各种电磁辐射和粒子流。辐射从内部向外部传递过程是多次被物质吸收而又再次发射的过程。从核反应区到太阳表面的行程中，能量依次以X射线、远紫外线、紫外线，最后是可见光的形式向外辐射。太阳是一个取之难尽，用之不竭的能量源泉。

20 对流层：辐射区的外侧区域，其厚度约有十几万千米，由于这里的温度、压力和密度梯度都很大，太阳气体呈对流的不稳定状态。使物质的径向对流运动强烈，热的物质向外运动，冷的物质沉入内部，太阳内部能量就是靠物质的这种对流，由内部向外部传输。 光球层：对流层上面的太阳大气，就是我们平时所见的太阳圆盘。光球是一层不透明的气体薄层，厚度约500千米。它确定了太阳非常清晰的边界，几乎所有的可见光都是从这一层发射出来的。 光球层上有太阳黑子、光斑、临边昏暗、米粒组织等现象。

21 太阳黑子：太阳光球层上的温度相对较低的区域，其温度约为4500K，而光球其余部分的温度约为5800K。这些温度较低的区域在明亮的光球反衬下，就显得很黑。
光斑：在日面边缘背景亮度较小的部分可以看到一些比周围亮的斑点。 临边昏暗：日面亮度向边缘逐渐减小的现象。 米粒组织：在比较好的大气宁静条件下，通过高分辨率的太阳望远镜仔细观测，可以看到光球表面的亮度并不均匀，存在着均匀分布的米粒状的结构，称为米粒组织。这其实是对流层里对流现象在光球表面的一种表现形式，它和太阳活动区关系密切。

22

23 色球层：位于光球之上，厚度约2000千米。太阳的温度分布从核心向外直到光球层，都是逐渐下降的，但到了色球层，却又反常上升，到色球顶部时已达几万度。由于色球层发出的可见光总量不及光球的1%，因此人们平常看不到它。只有在发生日全食时，即食既之前几秒种或者生光以后几秒钟，当光球所发射的明亮光线被月影完全遮掩的短暂时间内，在日面边缘呈现出狭窄的玫瑰红色的发光圈层，这就是色球层。平时，科学家们要通过单色光（波长为6563埃）色球望远镜才能观测 到太阳色球层。 色球上经常出现一些暗的“飘带”，称为暗条，当它转到日面边缘时，很像一只耳朵，人们俗称它为日珥；在太阳黑子的正上方，有时出现一些局部亮区域，称为谱斑；当谱斑亮度突然增强时，就是通常人们所说的太阳耀斑。太阳耀斑释放的能量极其巨大，其巨大的能量来自磁场。

24 日冕：是太阳大气的最外层，它由高温、低密度的等离子体所组成。
亮度微弱，在白光中的总亮度比太阳圆面亮度的百分之一还低，约相当于满月的亮度，因此只有在日全食时才能展现其光彩，平时观测则要使用专门的日冕仪。 日冕的温度高达百万度，其大小和形状与太阳活动有关，在太阳活动极大年时，日冕接近圆形；在太阳宁静年则呈椭圆形。 自古以来，观测日冕的传统方法都是等待一次罕见的日全食——在黑暗的天空背景上，月面把明亮的太阳光球面遮掩住，而在日面周围呈现出青白色的光区，就是人们期待观测的太阳最外层大气——日冕。

25 用日冕仪将太阳光挡掉后看到的日冕

26 太阳的基本活动 太阳黑子 在各种太阳活动现象中，最为醒目也最容易观测到的现象就是太阳黑子。 太阳黑子的主要性质：
（1）中心温度比周围太阳表面低。 （2）黑子常成群出現。 （3）黑子是太阳表面的强磁场区域。 （4）太阳黑子周期约为11年。 （5）太阳黑子的分布–Maunder蝴蝶图(Maunder butterfly diagram)

27 不同年份观察结果

28 长期观察结果

29 太阳黑子的分布

30 太阳黑子过去和将来

31 现在的太阳黑子(2011年4月)

32 光斑 用白光观测太阳光球时，一旦出现小黑子，就能在其周围看到一些比宁静光球明亮的小片区，称为光斑。光斑是光球上明亮的斑点，常出现在日轮的边缘，说明它存在于光球的上层，可能是光球上更炽热的气团。光斑一般环绕着黑子，与黑子有密切的关系。 谱斑 谱斑是在色球层中可以经常观察到的比周围明亮的大片明亮区域，处在光斑面上方。温度比周围高，常出现在黑子群和大黑子附近。其面积大小是太阳活动强强的一个标志。

33 日珥 在日全食时，太阳的周围镶着一个红色的环圈，上面跳动着鲜红的火舌，这种火舌状物体就叫做日珥，它像是太阳面的"耳环"一样。 按运动情况来看，日珥可分为爆发型、宁静型和活动型这样三大类。宁静日珥，在观测时间内似乎是不动的，而活动日珥，则老在不停地变化着。它们从太阳表面喷出来，沿着弧形路线，又慢慢地落回到太阳表面上。但有的日珥喷得很快、很高，它的物质没有落回日面，而是抛射入宇宙空间了，爆发日珥的高度可以达到几十万千米。1938年爆发的一个最大日珥，顷刻间上升到157万千米的高空。地球的直径不过1.3万千米。日饵是巨大的扭曲磁场拖曳着游离的气体所造成的， 变化情形可持续数小時到几周或几个月。

34 日珥及其相对地球尺寸

35 日珥

36 耀斑 太阳耀斑是一种最剧烈的太阳活动。一般认为发生在色球层中，所以也叫"色球爆发"。 其主要观测特征是，日面上（常在黑子群上空）突然出现迅速发展的亮斑闪耀，其寿命仅在几分钟到几十分钟之间，亮度上升迅速，下降较慢。虽然它只是一个亮点，但一旦出现，简直就是一次惊天动地的大爆发。这一增亮释放的能量相当于相当于上百亿枚百吨级氢弹的爆炸；而一次较大的耀斑爆发，在一二十分钟内可释放1025焦耳的巨大能量。除了日面局部突然增亮的现象外，耀斑更主要表现在从射电波段直到x射线的辐射通量的突然增强；耀斑所发射的辐射种类繁多，除可见光外，有紫外线、X射线和伽玛射线，有红外线和射电辐射，还有冲击波和高能粒子流，甚至有能量特高的宇宙射线。

37 耀斑对地球空间环境造成很大影响。太阳色球层中一声爆炸，地球大气层即刻出现缭绕余音。
耀斑爆发时，发出大量的高能粒子到达地球轨道附近时，将会严重危及宇宙飞行器内的宇航员和仪器的安全。 当耀斑辐射来到地球附近时，与大气分子发生剧烈碰撞，破坏电离层，使它失去反射无线电电波的功能。 无线电通信尤其是短波通信，以及电视台、电台广播，会受到干扰甚至中断。 耀斑发射的高能带电粒子流与地球高层大气作用，产生极光，并干扰地球磁场而引起磁暴。

38 太阳耀斑

39 太阳耀斑

40 NASA人员驳倒2012世界末日

41 日冕物质抛射 日冕物质抛射（coronal mass ejection）是巨大的、携带磁力线的泡沫状气体，在几个小时中被从太阳抛射出来的过程。表现为在几分钟至几小时内从太阳向外抛射一团日冕物质（速度一般从每秒几十公里到超过每秒1000公里），使很大范围的日冕受到扰动，从而剧烈地改变了白光日冕的宏观形态和磁场位形。 日冕物质抛射是日冕大尺度磁场平衡遭到破坏的产物，日冕物质抛射破坏了太阳风的流动，产生的干扰会影响到地球，甚至引发悲剧结果。

42

43 大量抛射物质撞击地球

44 太阳活动对地球的影响 太阳活动对地球的影响主要表现在以下四个方面： （1）对地球气候的影响： 地球上气候变化与黑子数目变化周期密切相关，可是其具体的作用机制还远远没有搞清楚。世界许多地区降水量的年际变化，与黑子活动的11年周期有一定的相关性。另外，我们只是发现，亚寒带的许多树龄很高的树木，它们的年轮恰恰有着与黑子活动11年周期相对应的、有规律的疏密变化。同时从统计资料中，我们发现凡是黑子活动的高峰年，地球上特异性的反常气候出现的机率就明显地增多；相反，在黑子活动的低峰年，地球上的气候相对就比较平稳。

45 （2）对地球电离层的影响： 地球大气层在太阳辐射的紫外线、X射线等作用下形成电离层，无线电通讯的无线电波就是靠电离层的反射向远距离传播的。当太阳活动剧烈，特别是耀斑爆发时，在向阳的半球，太阳射来的强X射线、紫外线等，使电离层D层变厚，造成靠D层反射的长波增强，而靠E层、F层反射的短波却在穿过时被D层强烈吸收受到衰减甚至中断，如l970年11月5日长途台曾因此中断2小时；这被称为“电离层突然骚扰”。这些反应几乎与大耀斑的爆发同时出现，因为电磁波的传播速度就是光速，大约8分多钟即可由太阳到达地球表面，所以反应非常快。经过一段肘间以后耀斑产生的带电的高能粒子逐渐到达地球，它们受地球磁场的作用向地磁极两极运动，因而影响极区的电离层，造成高纬度地区的雷达和无线电通讯的骚扰，甚至中断。这被称为“极盖吸收”和“极光带吸收”，它的影响时间较长。

46 （3）对地球磁场的影响：扰动地球磁场，产生磁暴现象。
整个地球是一个大磁场。地球的北极是地磁场的磁南极，地球的南极是地磁场的磁北极。地极和磁极之间有大约11度的夹角，因此地球的周围充满了磁力线，不同的位置有不同的地磁强度。平时地磁受多方面的影响，会有不同程度的扰动，而影响最大的就是磁暴现象。磁暴一般发生在太阳耀斑爆发后20－40小时，它是地磁场的强烈扰动，磁场强度可以变化很大。这时太阳风速往往增加，并且向太阳一面的磁层顶面可由距地心8－11个地球半径被压缩到5－7个地球半径，磁暴的发生对人类活动，特别对与地磁有关的工作都会受到影响。它会使罗盘磁针摇摆，不能正确指示方向，影响到海上航行之船、空中飞行之机、甚至信鸽的飞翔。

47 在磁暴发生时，高纬度地区常常伴有极光出现。
极光常常出现于纬度靠近地磁极地区25度－30度的上空，离地面100－300千米，它是大气中的彩色发光现象，形状不一。 常出现极光的区域称为极光区。 由于来自太阳活动区的带电高能粒子流到达地球，并在磁场作用下奔向极区，使极区高层大气分子或原子激发或电离而产生光。当太阳活动剧烈时，极光出现的次数也增大。

48 美国阿拉斯加州埃尔森空军基地拍摄到的北极光

49 （4）对航天活动的影响： 大耀斑出现时射出的高能量质子，对航天活动有极大破坏性。 高能质子达到地球附近肘，特别是容易到达无辐射带保护的极区，会影响极区飞行； 如遇卫星则对卫星上的仪器设备有破坏作用； 太阳能电池在高能质子的轰击下，性能会严重衰退以至不能工作； 如遇在飞船外工作的宇航员将危及生命。

50 三、地面波传播环境 地波是沿着空气和大地交界面处传播的，因此，地面对电波传播的影响主要表现为两个方面：
地面的不平坦性，当地面起伏不平的程度相对于电波波长来说很小时，地面可近似看成是光滑地面。对于长波和中波传播，除高山外均可视地面为平坦的。 地质的情况，主要研究它的电磁特性。地面可以被作为非磁性介质来看待，其导磁率与真空中的相同，即相对磁导率μr=1。描述大地电磁特性的主要参数是介电常数ε（或相对介电常数εr）和电导率σ。

51 地面可以被作为非磁性介质来看待, 其导磁率与真空中的相同。 地面对无线电波传播的影响主要是地面的介电常数、 导电率和地面的形状、 粗糙度与覆盖物等。
右图为不同地面的介电常数和导电率

52 地面的电参数

53 判断某种媒质是呈现导电性还是介电性 正弦无线电波在无源、线性、各向同性、半导电媒质内传播时，大地电参数可用复介电常数εe来表示，即
判断某种媒质是呈现导电性还是介电性  正弦无线电波在无源、线性、各向同性、半导电媒质内传播时，大地电参数可用复介电常数εe来表示，即 式中的实部就是大地的介电常数，它反映媒质的极化特性；式中（σ/ω）表示媒质的导电性，σ≠0说明媒质是有耗媒质。相对复介电常数εr为

54 衡量标准 传导电流密度Js与位移电流密度JD之比。 时，大地具有良导体性质; 时，可将大地视为电介质; 而二者相差不大时，为半电介质。

55 各种地质的 值 海水在中、长波波段是良导体，微波波段呈现介质性质； 湿土和干土在长波波段呈良导体性质，在短波以上就呈现介质性质； 岩石几乎在整个无线电波段都呈现介质性质。

56 与无线电波传播相联系的地面电特性, 取决于传播主区内介质的固有电特性及其不均匀结构, 一般采用等效电特性来描述。 影响地面等效电特性的因素有: (1) 沿路径的电特性不均匀分布, 如陆、 海、 沙漠与水网等地区, 影响的主要范围为第一个菲涅尔椭圆带域。 (2) 地表地形地物, 如山脉、 建筑及森林覆盖对波的吸收、 反射和散射等引起的能量衰减, 以综合效应反映于等效电特性参数的改变, 同样涉及传播主区内的分布状况。 (3) 地下分层与电波渗透深度。 其中， 电波渗透深度δ为 (4) 随季节变化, 受地温和地湿的影响。

57 四、对流层电波传播大气环境 低层大气中的无线电气象参数 在对流层中, 一般温度随高度以6.5℃/km的速率下降。
当然, 有时会出现特殊情况, 如在对流层的局部高度范围内有时会出现温度随高度上升的反常情况, 这种现象称为温度逆增。 另外, 风、 雨、 雷、 电等现象都发生在对流层内, 因此对流层的另一个重要特点就是含有大量的水份, 如水汽和降水(形式如雨、 雾、 雪、 雹等)。 水份主要出现在近地面数千米的高度范围内, 它们对电波传播有很大的影响。

58 对流层气体主要由相对稳定的永久性气体(如氮、 氧、 氩和二氧化碳)与随时间和地点而变化的可变性气体(如水汽和臭氧)等组成。
从地面直到 90 km的高度范围, 相对稳定的永久性气体能够保持稳定的比例关系。 水汽主要存在于贴近地面的低层大气。 水汽所占的比例随地区和季节的不同有所差别, 但一般不会超过4%。 在海洋和低纬度地区的夏天, 空气中的水汽含量高。 在高纬度地区(如干旱沙漠)的冬天, 水汽含量就很少。

59 气压及其沿高度的分布 大气的压强(简称气压)：是横截面为1 cm2的面积所承受的空气体积的重量。 在海平面上, 大气压等于底面积为1 cm2、 高为76 cm的水银柱的重量。 其单位为百帕(hPa), 1大气压= hPa。 地面上的气压主要与当地的海拔高度有关。 同一地点, 气压也随季节和日期而有较小的变化。 由于重力的作用, 气压沿高度基本上成指数递降。 设地面气压为P0, 高度为h处的气压为P, 则有

60 M0——气体的分子量, 干燥大气按重量比例加权平均的分 子量为M0=29.0
g ——重力加速度 R——干空气的气体普适常数，R=8.314×107尔格/度/克 分子 T ——气体的绝对温度 在实际工作应用上，还必须考虑大气是潮湿的，所以必须对上式加以湿度修正

61 由于气压与高度密切相关, 可以用不同高度的气压来计算高度值。 工程上, 常用的具有较高精度的压高公式为　
hS——当地地面的海拔高度，单位为m φ——当地的地理纬度，单位为rad ——两大气层间的温、压、湿的平均值。

62 气温与温度逆增 表示温度的方法有三种: 摄氏温度t(℃)、 绝对温度T(K)和华氏温度F(°F)。 它们之间换算关系如下：

63 大气的温度与地理纬度、 大气层高度和季节有关。
平均说来, 由地球的赤道向两极方向, 纬度每增加1度(相当于111 km的地面距离), 地面气温降低1℃。 高度每增加1 km, 气温下降6.5℃。 地面气温在一年内的变化可高达70~80℃, 随地点不同而不同。 在赤道附近, 海洋性地区温差小。 在高纬度地区，沙漠地区温差大。 气温还有周日变化, 特别是在近地面大气层。 与气压相比, 低层大气中的温度是变化比较大的参量。 引起气温变化的因素有太阳热辐射引起的热交换、 热传导、 对流、 平流和绝热变化过程。

64 太阳热辐射携带的巨大热量通过大气照射在地面上使地面的温度增高，地面温度的上升使贴近地面的空气与地面之间以热传导的方式产生热交换而达到热平衡，这使近地面的大气温度随之升高, 空气密度随之变小, 致使该热空气团有可能上升产生空气对流, 把热量带到很高的高度。 另一方面, 热气团上升后留下的空间则为周围较冷的空气所取代, 这样就产生温度递增现象。 一般在晚上会发生相反的过程。已在白天被加热的地面向外辐射出热量以致降低温度, 地面温度的大大降低致使近地面的空气层的温度随之下降, 而较高高度上的温度却相对稳定, 这样就容易产生温度的递增现象, 下面气温低, 上面气温高, 这种温度递增叫地面辐射逆增。 在沙漠地区出现幅射逆增的概率较高，尤其是在晴天、日出前最甚。

65 湿度 湿度的表示方法有许多种。 其中, 在无线电波大气环境中， 常用的方法主要有三种: 水汽压、 相对湿度和露点温度。
水汽压——水汽在大气中的分压强称为水汽压, 用e表示。 相对湿度u或RH——水汽压e与同一温度下饱和水汽压E的比值, 表示空气中的水汽接近饱和的程度。 饱和水汽压E是气温的函数， 露点温度tD——指在气压不变的情况下为使空间所含水汽压达到饱和状态所必需冷却到的温度。

66 其他的表示方法 绝对湿度ρ——也称水汽密度, 指单位体积内所含水汽的质量, 单位以g/m3表示, 它与水汽压的关系为 比湿q——同一容积中水汽质量与湿空气质量之比, 单位为g/g, 它与水汽压e的关系为

67 空气中的水汽主要存在于2~3km以下的高度。在4~ 5km以上高度, 气温已达到0℃以下, 水已经被冷凝成冰粒。
各地区的水汽压的大小取决于当地的气候和自然地理状况。 从平均情况看, 水汽压沿高度的变化遵守如下规律： e0——地面水汽压 h ——离地高度, 单位为km

68 大气折射率 对流层无线电波传播主要受大气温度、气压和湿度的影响, 而大气折射率N或大气折射指数n在对流层中是温度、 气压和湿度的函数, 在电离层中是电子密度和无线电波工作频率的函数。 因此, 无线电波传播的环境因数主要是大气折射率N(或大气折射指数)。 大气折射率N是大气温度、 压力和湿度的函数, 即

69 N——大气折射率, 单位为N; p——大气压强, 单位为hPa;
T——空气热力学温度, 单位为K(T=273+t, 其中t为空气摄氏温度, 单位为℃); e——大气中水汽分压强,单位为hPa。 RH为空气相对湿度(%)，a、 b、 c为与空气温度有关的系数

70 当空气温度为露点温度td时, 有 在无线电波传播计算中, 为了简化计算, 有时采用折射指数n, 因此可根据下式把大气折射率N转化为大气折射指数

71 大气折射率变化特点 研究大气环境对电波传播的影响, 主要是研究大气折射率N随时间和地点的变化及其特点。 大量数据统计表明, 大气折射率N的年变化很小, 可忽略不计, 主要需要研究它的季节变化、 日变化以及随高度与水平距离的变化。 大气折射率N随水平距离的变化 在小范围内, 可以认为折射率是水平均匀的, 但在较大范围内则有明显差异。 研究对流层折射率N的水平变化, 主要是研究地球表面折射率N0的变化。

72 不同地点的海拔高度不同, 经归算可得海平面折射率Nsea与N0有如下关系:
h0为地面海拔高度，单位为km B为统计常数, 全国B的统计值见表

73 通过对根据多年的平均结果做出的全国范围内的地面折射率N0和海平面折射率Nsea的月平均、 年平均等值线可以看出, 我国地面折射率N0的变化有以下几个特点:
(3) 在东部沿海地区(包括整个华东、华南、华中和华北的东部地区), 地面折射率是随纬度增加而递减的。平均来说, 每往北走一个纬度(约111 km), 地面折射率减少2 N单位。 在广东近海为370 N单位, 到渤海湾附近的陆地上时, 地面折射率减少到330 N单位。

74 (4) 云南、 贵州、 四川交界地区, 地面折射率N0的变化最激烈。 这是由于该地区海拔迅速升高, 又受横断山脉及长江上游几条支流的影响, 造成N0的变化大, 等值线稠密。
(5) 广大西北地区, 大部分为沙漠, 地势平坦, 气候干燥。 因此, 地面折射率N0较小, 在270 N单位左右, 其变化也较小, 从南到北很有规律地从240 N变化到290 N单位。 N0的最小值出现在南疆的塔里木盆地。 (6) 海平面折射率Nsea的变化也较有规律, 从东向西和从南到北都呈递减趋势。 从西沙到漠河的变化约为60 N单位。 由月平均、 年平均等值线看出: 海平面折射率Nsea和地面折射率N0有较大差异, 这是地形复杂造成的。 大气折射研究一般使用地面折射率N0。

75 大气折射率N随高度的变化 通常折射率N随高度的增加而减小。 从多年的统计资料可知, 平均折射率N 随高度的变化大致为负指数函数, 即 N(h)——高度h处的折射率, 单位为N N0——地面折射率, 单位为N h——海拔高度, 单位为km h0——地面海拔高度, 单位为km ca——指数衰减系数,单位为km-1

76 不同地区低层折射率N差异较大, 但随着高度的增加差异逐渐减小, 在海拔9km处, 世界上大多数地区均可取为 105 N单位左右
对无线电波产生折射影响的主要是低层大气。 因此, 研究折射率随高度的变化主要应研究离地面1 km范围内N值的变化, 即

77 北京等地区上午07∶00时的ΔN1年平均值(单位为N)
夏季的ΔN1值明显大于冬季。 夏季温度较高的地区(上海、 武汉等地)ΔN1值偏大, 冬季拉萨的ΔN1值最小。 我国ΔN1的全年平均值为39.4 N单位/km。

78 大气折射率N的季节变化 虽然平均折射率N的年变化不大(地面平均折射率N0的年变化一般在2～3 N单位), 但在一年之中N随季节的变化却较为明显。 由大量数据统计可知, 大多数地区在4月份折射率达最小值。由于春季温度回升、 雨季未到和空气干燥, 因此折射率较小。 但在沿海或梅雨降临的地区,由于湿度大, 折射率有所升高。 全国的N值在冬季达到全年的最小值。 夏季空气湿润, 水汽压升高, 它们对N的影响远超过温度升高的影响, 致使N值在夏季达到最大值。

79 北京等地区在不同季节的平均地面折射率N0值(单位为N)
东南沿海和长江中游的折射率变化较大，因为这些地区全年的湿度变化较大。乌鲁木齐地区，虽然温度有较大的变化，但全年降雨较少，气候干燥，湿度变化小，故该地区折射率的全年变化仍然很小。

80 大气折射率N的日变化 实验数据统计表明, 地面大气折射率N0的日变化非常明显, 且有明显的周期性。 通常在日出前的凌晨前后达到最大值, 因为此时近地面的气温最低, 湿度较大。 最小值出现在14∶00时前后, 因为此时地面空气的温度最高, 湿度最小。 最小值不出现在12∶00时而推迟了2小时左右,这是因为日出后, 太阳对地面加热, 它将热量传递给低层大气要经历一定的时间。 N0日变化的幅度约为10 N单位左右, 对于不同的月份有所差别, 当天气异常时, 可远远大于此值。

81 北京地区N0的日变化(单位为N)

82 五、电离层电波传播环境 1. 电离层的形成 从平流层以上直到1000km的区域称为电离层，是由自由电子、正离子、负离子、中性分子和原子等组成的等离子体。 使高空大气电离的主要电离源有：太阳辐射的紫外线、X射线、高能带电微粒流、为数众多的微流星、其它星球辐射的电磁波以及宇宙射线等，其中最主要的电离源是太阳光中的紫外线。该层虽然只占全部大气质量的2％左右，但因存在大量带电粒子，所以对电波传播有极大影响。

83 2. 电离层的结构 按照电离层中电子浓度极值区的高度, 可把电离层分为几个层次, 常规状态下各层次的主要状态参数如表。其中, Nem为最大电子浓度,hem为最大电子浓度所在的高度。

84 电离层的分层结构

85 D层是最低层，因为空气密度较大，电离产生的电子平均仅几分钟就与其它粒子复合而消失，因此到夜间没有日照，D层就消失了。
由于该层中的气体分子密度大，被电波加速的自由电子和大气分子之间的碰撞使电波在这个区域损耗较多的能量。 D层变化的特点是在固定高度上电子密度随季节有较大的变化。

86 E层的高度约在90～140 km之间。 电子浓度大于D层, 中性分子仍占相当比例。 由于电子浓度随太阳天顶角而变, 因而存在昼夜和季节性周期变化, 其变化规律大体服从余弦定律。

87 F层是电离层中持久存在、 电子浓度最大的层次, 其高度约在140 km以上。
夏季的白天F层可分为两层: 下面是F1层, 上面是F2层。 F1层高度约在140～200 km之间。 F2层是电离层中持久存在的层次, 也是反射高频电波的主要区域。 F2层最大电子浓度所在高度以上至数千千米的区域统称为上电离层, 该高度以下称为下电离层。 从F2层峰值高度以上, 电子浓度缓慢递减。 在1000 km高度上， 约为105个电子/cm3; 在2000～3000 km处, 则为102~103个电子/cm3。 该区电子浓度随季节和昼夜的变化尤为明显。

88 与电波传播紧密相关的电离层参数主要是电子浓度(或称为电子密度), 即单位体积内所含的自由电子个数。
电离层的电子浓度一般随空间和时间而变, 而随高度的分布常称为“电子浓度剖面”。 电离层电子浓度剖面的三种基本形态为单层剖面、 双层剖面和三层剖面。 在短波通信及超短波测速定位系统中, 主要考虑E层以上电离层的影响。 在工程中, 夜间的电子浓度一般取为单层剖面, 中纬度地区夏季白天的正午前后取三层剖面, 其他时间一般取双层剖面。

89 描述电离层剖面的主要特征参数有: 电离层下边界的高度he0; 各层最大电子浓度所在高度　　　　 　　　; 各层最大电子浓度　　 　　　　　 　以及电子含量NT; 平板层厚度和半厚度。
电子含量：电离层中单位面积柱体内所含电子数, 又称“积分电子含量”或“柱电子含量” Ne——为电子浓度 h——高度 h0——电离层的下边界高度 hT——柱体的上顶高度

90 若hT为2000 km或等离子体的层顶高度, 则NT为“电离层总电子含量”,常用TEC(Total Electron Content)表示, 其值一般约为1016~1017个电子/cm2。
为了计算方便, 常将TEC分为三部分: 电离层峰值以下的电子含量称为底部电子含量(或下电离层含量), 表示为BEC; 从F2层峰值高度到2000 km处的称为上电离层电子含量, 表示为UEC; 2000 km以上到等离子体层顶的称为等离子体电子含量, 表示为PEC。 如将电离层的各层等效为按电子峰值浓度均匀分布的平板层, 层的厚度称为“平板层厚度”,其值等于该层的电子含量与电子峰值浓度之比。 如把电离层最大电子浓度所在高度以下的电子浓度分布视为抛物线分布, 则所得的等效厚度称为半厚度(Y)。

91 3. 电离层电子浓度变化特点 宁静电离层电子浓度的变化 电离层随时间(昼夜、 季节、 年周期)和空间(纬度、 经度、 高度)的变化主要受太阳活动的控制, 这种变化的统计特征称为宁静电离层特性。　　 引起电离层特征参数变化的太阳物理参数主要是太阳黑子数。 太阳黑子的磁场非常强。常用天文观测得到的太阳黑子数RS表征太阳的活动性。 太阳黑子数有明显的周期性变化, 平均周期为11年。电离层电子浓度的年变化与太阳黑子数的周期性变化密切相关, 一般用12个月的太阳黑子数流动平均值RS,12(或R12)来统计它们的相关特性。

92 太阳黑子数随 年份的变化 如果逐年的月平均　　的时间序列为 则第n个月的RS, n(或Rn)为

93 电子浓度剖面的一般变化特征 电子浓度剖面与太阳活动的周期性变化呈正相关性。 正午电子浓度剖面随太阳黑子的变化 冬季的峰值浓度比夏季大得多, 称它为季节异常。 在高纬度地区这种季节异常比低纬度地区更为明显。

94 电子浓度都是白天比夜间大, 但在某些地区有时会出现日落后电子浓度反而上升的现象
武汉地区1968年四个月的电离层剖面的日变化

95 电离层的地理变化也相当复杂, 迄今为止还未获得很理想的全球分布模型。
F2层的最大值有以下两方面特征: (1) 地磁赤道附近的F2层厚度比其他地方的厚得多。 (2) 中午和近傍晚时, 在约±20°的地磁纬度上分别出现高电子浓度区。F2层有明显的地磁效应, 在地磁赤道两边出现双峰值。 电离层特征参数中的最大峰值电子浓度　　　、 板厚b、 抛物半厚度Y和总电子含量TEC均反映了电离层中大气的电离程度。 此外, 还有两个很重要的特征参数: 临界频率和等效高度(或称为虚高)。

96 等离子体频率fN:等离子体的固有振荡频率。
部分和全部电离后的气态物质中, 正和负的电荷大致相等时称为等离子体。 电离层是一种等离子体, 电子浓度Ne与等离 子体频率fN有如下关系: m——电子质量 e ——电子电荷 ——自由空间介电常数 Ne——电子浓度，单位为个/m3

97 将常数代入上式，得 与电离层各层最大电子浓度(　　　　　　　　)相对应的等离子体频率称为该层的临界频率, 分别记为 各层临界频率的变化直接反映了各层最大电子浓度的变化。 等效高度（或虚高） 是在用垂直测高仪进行电离层探测时获得的一个参数，它反映的不是电离层的真实高度

98 3月份　　月中值和　　月中值(虚线)的日变化曲线

99 电离层总电子含量的变化 电离层总电子含量TEC主要是上电离层电子含量UEC和下电离层电子含量BEC之和。 下电离层电子含量的日变化与NemF2的变化类似, 并且有明显的季节变化和周期变化。 由于下电离层电子含量中F层的电子占主导地位, 因此其纬度变化和F2层的一样。 上电离层的地磁效应更为明显, 但其电子含量随纬度的变化只有一个最大值(位于南半球), 且相对于磁赤道不对称。 但是上电离层电子含量UEC与下电离层电子含量BEC之比的昼夜变化却是对称的, 并且在地方时间的中午时刻达到最小。

100 对于用差频延时法测距的差频信号n的计算公式则为
4.电离层折射率的计算 当知道了电离层电子密度随高度的剖面分布以后, 则可由得到电离层折射率随高度的变化剖面。 对于连续波与调制信号, 电离层折射率n的计算公式为 对于用差频延时法测距的差频信号n的计算公式则为