活躍的高空大氣層

○呂傳彬

活躍的高空大氣層

○呂傳彬

早在1901年12月12日，美國一家報紙就以大字標題發(fā)了一條醒目的新聞：“無線電波跨越了大西洋”。它使讀者震驚。眾所周知，無線電波和光波一樣，是以直線傳播的。而此時，無線電波怎么會從英國繞到了紐芬蘭，通過了地球弧度的四分之一的距離呢？當時，科學家并未對此做出解釋。

后來科學家提出了一種假設，即對這件事情的一種可能解釋。他們認為，在地球大氣層邊緣有一個“天空鏡”，無線電波就是從那里被“彈”下來返回地球的。

再后來，人們發(fā)現(xiàn)了電離層。電離層中充滿了氧原子和氮原子，它們吸收太陽能以后就失去了外層電子，正是這些被釋放的電子使無線電波返回地球。這樣就發(fā)現(xiàn)了“天空鏡”。

范艾倫輻射帶

科學家在發(fā)現(xiàn)電離層后又有了新的發(fā)現(xiàn)：電離層上方的大氣層中有得以實現(xiàn)全球性通信的通路。空間的這個區(qū)域始于地球表面以上的幾百公里處，一直延伸到幾萬公里的高空。這個地帶就是科學家所說的范艾倫輻射帶。它的形狀如同雙環(huán)的電子回旋加速器。它和電離層一樣，帶中充滿了荷電粒子，所不同的是，范艾倫帶中的電場強度比電離層的強得多。

地球本身就是一個磁體，它有南極和北極，以及由地球磁場形成的磁層。地球的磁層不同于一般磁體的磁場，由于巨大的太陽能的作用，磁層的形狀像流線型的淚滴。這就是通常所說的太陽風導致的現(xiàn)象。

太陽風

太陽不斷地放出電子、氫、氦和其他重元素的核子組成的完全電離的粒子流，并以約400公里每秒的速度將這些帶電粒子“吹”到空間，這就是太陽風。太陽風“吹過”太陽系內的各種物體，和它們相互作用；當太陽風“吹過”地球時，其中大部分的帶電粒子呼嘯而過，撞擊著地球磁層，和地球磁場相互作用，使磁層變成淚滴形；一部分粒子強行穿過地球的磁屏障，被地球漏斗形的極地強磁場的磁力線捕獲，正是陷入這里的數(shù)量巨大的太陽風粒子形成了范艾倫輻射帶。

雖然這些帶電粒子被禁錮在地球高空，但仍攜帶著很高的能量。只在幾秒鐘的短暫時間之內，它們就能在地球的南極和北極之間嘯叫、閃爍、跳動和旋轉。

太陽風暴

有時，太陽能量突然爆發(fā)，稱為太陽風暴。在強烈的太陽風暴期間，太陽風粒子能以800公里每秒的速度向地面侵襲！這種兇猛的侵襲使磁層變弱，帶電粒子涌到范艾倫帶。從這里，粒子噴入地球極地上空的大氣層。

在電離層中，這些高能太陽風粒子遇到氧原子和氮原子，激勵它們發(fā)光，而更多的情況是電引起磁層發(fā)光，綠色、白色、藍色和紅色的光條紋在極地上空飄舞，這就是極光。

這種發(fā)光現(xiàn)象是帶電粒子與電離層碰撞的結果，它對無線電波和電視信號的傳播也有影響。太陽風暴期間，傳播到電離層上的信號損失決定于電離層頂部的靜電干擾情況。在太陽風暴期間，全球性的通訊隨時能被切斷，甚至主要的軍事防御站的無線電通信也會中止。

產生磁暴的太陽風暴，很少能持續(xù)24小時以上，當太陽風衰減下去的時候，磁層便恢復正常。此時，太陽風粒子安然地懸浮在地球上空。

科學家研究了太陽風暴對無線電通信干擾的情況，提出借助地球上空的高能粒子來實現(xiàn)全球性的無線電通信的設想。為此，科學家做了實驗，他們用大功率發(fā)射機將甚低頻無線電波對著空間發(fā)射出去，其目的是想在沒有人造衛(wèi)星的幫助下實現(xiàn)遠距離通訊。

天然放大器

科學家把甚低頻無線電信號發(fā)射到地球高空，結果是大部分甚低頻信號從電離層反射了回來，另一部分信號一直向上傳播，直抵范艾倫帶。實驗證明，信號傳播得相當遠，最后沿磁層磁力線返回地球，僅在幾秒鐘的時間內就繞了地球半周。返回的信號有時可放大一千倍，有時卻在完全沒有放大的情況下返回。

科學家利用人造衛(wèi)星對范艾倫帶中的擾動情況進行了分析，發(fā)現(xiàn)無線電信號是從范艾倫帶中的電子上獲得能量的，使信號得到了增強。范艾倫帶的作用好像是攜帶信號繞地球半圈的人造衛(wèi)星，同時也起到了天然放大器的作用。

無線電信號在范艾倫帶中放大并圍繞地球傳播的結論是科學家十多年來的研究成果，它揭示了甚低頻遠距離通信的秘密，為尋求全球性的通信通路開辟了道路，提供了可能。

在未來

在范艾倫帶中，甚低頻無線電信號有時放大了一千倍，有時完全不能放大，對此科學家至今還不能做出解釋。目前，科學家正在借助圍繞范艾倫帶內側的人造衛(wèi)星發(fā)射甚低頻信號，然后由地面站接收，用以研究無線電波在范艾倫帶中的行為。

甚低頻信號傳播的距離很遠，如果能使無線電波在范艾倫帶中得到放大，那么只需為數(shù)不多的發(fā)射機，即可實現(xiàn)全球性的通信。這種新的通信系統(tǒng)可以不借助人造衛(wèi)星的幫助，是一種廉價而靈活的通信方式。甚低頻還適合水下通信和艦船導航，便于遠距離的軍事聯(lián)絡。

或許，全球性的新的通信系統(tǒng)很快就會建立起來，只是在伺機使用罷了。