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第三部分 电波传播环境介绍. 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。
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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。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。
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
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。 地幔:地核的外面厚度约为2850km左右的灼热熔岩。 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。
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。
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。
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
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。
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。 热层顶(300～600 km)以上的大气层, 统称为外层大气(或称逃逸层), 那里大气(主要是氢和氦)极其稀薄, 地球引力也很小, 气体分子大部分处于电离状态。 如果气体分子在受到最后一次碰撞而向上运动时, 若速度足够大, 就有可能脱离地球引力的束缚向星际空间逃逸, 故逃逸层也是地球大气的最外层。
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。
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。 此外, 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。
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。
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。
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。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。
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。
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。
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。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。
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。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。
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。
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。
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。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。
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)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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。
（3）对地球磁场的影响：扰动地球磁场，产生磁暴现象。（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。
在磁暴发生时，高纬度地区常常伴有极光出现。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。
美国阿拉斯加州埃尔森空军基地拍摄到的北极光美国阿拉斯加州埃尔森空军基地拍摄到的北极光
（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； 太阳能电地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。
三、地面波传播环境 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。
