沖繩地區(qū)電離層Es變化特性研究

張盼盼,楊培培

(1.鄭州工商學院，河南 鄭州 451400; 2.中國電波傳播研究所，山東 青島 266107)

0 引 言

突發(fā)Es層是電離層內特殊的層結結構，它不像常規(guī)E層那樣在形態(tài)結構和變化趨勢上穩(wěn)定而有規(guī)則。它是一種偶發(fā)而不規(guī)則的強電離的薄層，高度范圍為90 km～120 km，垂直方向厚度是0.5 km～2 km，水平尺度從幾千米到上千千米不等，水平漂移速度20 m/s～130 m/s，圖1是利用曲靖站非相干散射雷達觀測到的Es現(xiàn)象。Es層具有顯著的時空變化特性[1-5]：季節(jié)分布不均，通常夏季5～8月份出現(xiàn)頻率高，其他月份較低；晝夜分布不均，通常白天出現(xiàn)頻率高，晚上低。Es層的電子密度相當高，可達到常規(guī)E層電子濃度100倍以上，因此電離層Es的變化與擾動直接影響了眾多無線電技術系統(tǒng)性能的發(fā)揮。

圖1 曲靖站VHF相干散射雷達觀測到的Es層現(xiàn)象

目前，國際上解釋Es成因的主流觀點是風剪切理論[6-8]，在東向和西向風剪切的情況下，位于中間區(qū)域的帶電離子沿磁力線運動，最后匯聚形成Es層。一般認為：東向和西向風場由太陽潮汐和太陰潮汐產(chǎn)生，帶電離子主要來源于流星消融，地磁傾角對帶電離子的匯聚具有重要作用，重力波對Es產(chǎn)生具有調制作用[9-15]。國外利用衛(wèi)星信標和掩星數(shù)據(jù)的研究結果表明，Es發(fā)生概率最高、強度最強的地區(qū)主要分布在夏半球的中低緯地區(qū)，這些地區(qū)磁傾角在30°～70°之間[16-17]。圖2圖3，給出了Es層的全球分布情況，從圖上可以看出東亞地區(qū)位于Es出現(xiàn)頻率和強度的峰值位置。

圖2 夏季全球Es強度分布圖[17](高度為105 km)

圖3 冬季全球Es強度分布圖[17](高度為105 km)

Es層的電子密度相當高，有時達到常規(guī)E層電子濃度100倍，因此它對VHF反射/散射效率高，有利于VHF傳播的優(yōu)勢，又因為Es層結位置高，一次反射達到2 000 km，具有超視距傳播優(yōu)勢。Es散射通信，對于應對自然災害、突發(fā)事件其它通信設施癱瘓的場合，具有非常明顯的軍事效益。另外，在核戰(zhàn)爭條件下各種通信設施都遭受破壞，Es散射通信是一種極其重要的應急通信手段。在Es出現(xiàn)概率較低的春冬季節(jié)，可以通過在電離層高度釋放金屬蒸氣，生成人工空間等離子體云[18-19]，進行VHF超視距通信。

本文利用日本沖繩站(26.3°N，127.8°E)30年(1958—1987年)的電離層垂直探測數(shù)據(jù)，開展了Es強度特性、日變化、季節(jié)變化及長期變化趨勢研究，得到了有意義的研究結論，對開展電離層Es產(chǎn)生機理和應用研究具有重要參考價值。

1 Es強度特性

Es層臨界頻率(foEs)月中值是衡量某一地區(qū)Es強度的重要參數(shù)，月中值能夠體現(xiàn)出某一地區(qū)Es強度的平均水平，具有較強的可信度。圖4利用沖繩站30年數(shù)據(jù)的月中值，統(tǒng)計平均得到?jīng)_繩地區(qū)Es強度隨地方時和季節(jié)的變化特性。

圖4 沖繩地區(qū)foEs平均月中值分布

從圖4上可以看出，沖繩地區(qū)foEs平均月中值，隨季節(jié)和地方時變化顯著，夏季5～8份Es強度明顯高于其他季節(jié)，地方時正午附近強度明顯高于其他時間。foEs平均月中值的最大值出現(xiàn)在6月份中午11～12時，最大值達6.5 MHz，最小值出現(xiàn)在春冬季節(jié)日出前后，最小值約2 MHz。Es強度最大值出現(xiàn)在夏季正午的主要原因是，電離層E層高度背景電子密度受太陽輻射強度影響，夏季正午太陽高度角大，太陽輻射強，引起E層背景電子密度升高，風剪切形成的Es強度更高。

2 Es時間變化特性

2.1 日變化

為了進一步研究沖繩地區(qū)Es的日變化規(guī)律，給出了foEs月均值隨時間的變化曲線，如圖5所示。

圖5 沖繩地區(qū)foEs日變化曲線

從圖5可以看出，沖繩地區(qū)foEs平均月中值具有顯著的日變化特性，整體上Es強度白天顯著高于夜間，foEs平均月中值最大值出現(xiàn)在中午12時，約為4.7 MHz，最小值出現(xiàn)在早上6時，約為2.3 MHz。

2.2 季節(jié)變化

為了進一步研究Es季節(jié)變化規(guī)律，給出了沖繩地區(qū)foEs月均值隨時間的變化曲線，如圖6所示。

圖6 沖繩地區(qū)foEs季節(jié)變化曲線

從圖6可以看出，沖繩地區(qū)foEs平均月中值具有顯著的季節(jié)變化特性，foEs平均月中值整體介于2.7 MHz～4.7 MHz之間，最強值出現(xiàn)在6月份，最小值出現(xiàn)在12月份。夏季5～8月份Es強度顯著高于其他季節(jié)。電離層Es日變化、季節(jié)變化特性，是太陽高度角、金屬離子密度、大氣潮汐、高空風場、重力波等控制因素共同作用的結果。

2.3 太陽周期變化

Es強度與太陽周期之間的關系一直是科學界爭論的一個焦點，目前，主要有三種觀點，第一種觀點認為Es強度與太陽活動不相關，第二種觀點認為Es強度與太陽活動弱正相關，第三種觀點認為Es強度與太陽活動弱負相關[20]。本文利用沖繩站1977—1987年一個太陽周期11年的觀測數(shù)據(jù)，分析了Es強度與太陽活動的關系(如圖7所示)，其中，1979—1981年為太陽活動高年。

圖7 沖繩地區(qū)foEs太陽周期變化特性(1977—1987年)

從圖7可以看出，沖繩地區(qū)foEs太陽周期變化不明顯，整體上Es強度較強的年份為1985年、1986年、1987年，而這三個年份處于太陽活動相對較低水平，據(jù)此可以看出沖繩地區(qū)Es強度與太陽活動存在弱的負相關性。

2.4 長期變化

為了研究Es的長期變化趨勢，給出了沖繩站月中值和年平均值的逐年變化曲線，如圖8和圖9所示。

圖8 沖繩地區(qū)foEs月中值長期變化曲線

圖9 沖繩地區(qū)foEs年平均值變化曲線

從圖8可以看出沖繩地區(qū)foEs月中值整體變化范圍為2.3 MHz～5.8 MHz，Es層強度具有明顯下降趨勢。和圖9可以看出：沖繩地區(qū)Es臨界頻率年均值整體變化范圍為2.5 MHz～4.3 MHz，年均值具有明顯下降趨勢，這與月中值變化趨勢相同。電離層Es強度長期具有下降趨勢的研究結論在其他相關文獻也有報道[20]，Es強度下降的原因是否與碳排放引起的全球氣溫變化有關，尚需進一步深入研究。

3 結 語

本文利用沖繩垂測站30年觀測數(shù)據(jù)，重點研究了沖繩地區(qū)Es的強度特性和時間分布特性。研究結論如下：

1)沖繩地區(qū)Es整體強度較強，foEs平均月中值的最大值出現(xiàn)在6月份中午11～12時，最大值達6.5 MHz，最小值出現(xiàn)在春冬季節(jié)日出前后，最小值約2 MHz；

2)沖繩地區(qū)Es強度時間分布不均，Es最強值出現(xiàn)在中午12時，Es強度最小值出現(xiàn)在上午6時，Es強度白天遠遠大于夜晚；

3)選取1977—1987一個太陽周期的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)沖繩地區(qū)Es強度與太陽活動存在弱相關性；

4)從選取1958—1987年30年的觀測數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，沖繩地區(qū)Es強度具有長期整體下降趨勢。

電離層Es層作為一種重要的空間環(huán)境資源，不但對無線電信息系統(tǒng)的正常工作具有重要影響，同時，Es散射通信也是一種重要的應急通信手段，具有重要應用價值。開展Es特性研究，掌握Es層時空變化規(guī)律，對電離層Es產(chǎn)生機理和應用研究具有重要意義。