電離層的吸收特性和電離濃度

D region absorption and ionospheric electron density

資料提供:Space environmental center NOAA

Mr KJ Smith

 

Yong Chiech Tsao曹永杰

電離層對於我們觀測白天的太陽,有決定性的影響.長期觀測太陽活動的天文學家來說,不論使用LVF(Very low frequency超低頻)的熱噪音變化或使用HF頻帶的觀測,都以電離層和太陽x光指數來解釋太陽的活動情況.太陽對於300公尺至15公尺波長的電波能決定其在電離層的物理性表現.對於數十公分的波長電波強弱則直接來自於太陽自轉引起內部電漿體和磁場的變化.

在遠程通訊方面,對於電波的頻率傳導能夠讓電離層反射,才能將另一半球的電波接收到或傳至對方.其發射角度以F層的高度而言,其電離層高度約在300公里.所以發射時,其仰角約在10餘度時,以一次反射而言,此電波可傳到約2000公里遠.如果可以3,4次以上連續反射,當然可達1萬公里以上的距離.但是要能達到此距離.要考慮很多的因素...因為更遠的多次反射,要考慮到F層和D層的反射狀況.

1.白天或晚上

2.太陽活動因素

3.電波的路徑和電離,地面吸收耗損問題(包含機器,天線的損耗)

4.發射的電波模式和強度

5.季節的問題

6.發射或接收地點的緯度

在此我們要說明的是太陽活動為主題.其它的可參考電波流星的相關說明.

HF電波的傳導在F層反射時,如果在白天.太陽的X光能量引起F層的電離濃度增加,同時最低的D層電離層也相繼產生.D層的電離濃度雖然不高,但因D層電離的高度約在50-90公里,此層的空氣分子的濃度在各電離層中是最高的,所以大多數較低頻的電波進入D層後,都會被此層所吸收,因為電波的電子進入空氣分子產生強烈碰撞而被吸收能量.

較低頻的電磁波進入D層後無法穿透進入F層進行反射,白天0-10MHz的電波頻率是無法傳導的.但若是太陽活動較低,D層電離濃度較低,則有可能7MHz在上午或下午某時段可以導通的.當然若是發生太陽較大型的爆炸(X等級),有時連20MHz的高頻也會被吸收而無法導通.在白天的時候,若整個HF的雜訊強度途然降低至最低點,這點可以判斷D層此時電離濃度增加將高頻的電波吸收,而此能量的來源來自太陽的X光指數,當然此強大的X光來源為太陽的巨大閃燄或整個太陽活動劇烈所產生.此能量約8分鐘後會直接衝擊地球的D層和F層.

X光指數如無法將高頻的電波吸收,反而對最高頻的28MHz或許可以被F層傳導,平常28MHz在白天是直接穿透F層而無法反射.一些2,3等電台的火腿要利用太陽黑子多的時候,有機會可以進行海外的遠距通訊.

D層電離層在吸收HF頻段後,這些能量會轉而產生熱和電磁波雜音(Electromagnetic noise),在白天的電離層中,這些熱雜訊和電離層的自由電子 ,無線電波,大氣的流動等形成我們所知的電離層.而最後的影響卻是來自太陽.

太陽活動和x光的爆發:

太陽黑子的活動週期和黑子相同,約在11年一次.我們約可以預測太陽在活動週期內,電離層的活動強度.也可以經由太陽活動時所爆發出的X光來決定D層的電離子強度.有了這些基本互動,我們可以藉由HF電波在D,F層中的傳導,知道太陽的活動狀況.尤其現在的太空氣象預報(Space Weather Prediction),除了由衛星監測x光強度外,地球上的電離層受太陽影響的情況和電場強度監測完全靠無線電波觀測而定.換個話說 , F,D層的吸收,穿透和反射等對電波的物理特性完全以太陽爆發出閃燄的X光強度而定.(Therefore the absorption strength of F,D regions ,are seen as a result of solar x-ray flares)

太陽爆發出的閃燄x光的強度能量,我們是以0.1-0.8 nm (1-8A)的波長強度範圍為主.因為這波長範圍的能量強度直接影響D層的電離濃度.在太陽所爆發出的閃燄(Flares),其生存時間在氫離子色光觀測中,自數分鐘到幾小時.在美國NOAA所公佈的太陽閃燄X光強度,其等級分類為C級,M級,X級.

龍潭觀測站經過2個月的觀測,和美國的氣象衛星GEOS的X光感測數據比對.其太陽x光強度引起的電波頻率吸收(D層).觀測站以10MHz,15MHz和20MHz三種頻率測得其關係如下表:(*.此為台灣北部電離層D層的大致吸收情況)

測量D層吸收情況,可以利用X光指數的大小 ,計算出被吸收的HF電波最高頻率(HAF),一般以下列公式來表示,如果太陽爆發出X光指數在2x10-5Watts/m-2,代入公式,可以估算出最吸收的最高頻率達到20MHz,此定義需以太陽的天頂位置為主,同時可將電波降約20dB.若太陽已在地平附近,則D層的電離濃度已近消失,無法將20MHz的電波吸收.而此時,反而是F層的電離濃度已慢慢下降,20MHz在傍晚時分可反射大部份電波在晚上.但午夜後,F層多已降至全天最低濃度.此時,20MHz大部份都已穿透F層至太空中.

HAF (MHz) = 10*log[flux (W m-2)] + 65

(Space Environmental Forecaster Operations Manual, 21 October 1997)

M1.0 -> 15 MHz

M5.0 -> 20 MHz

X1.0 -> 25 MHz

X5.0 -> 30 MHz

利用白天的D層電離和太陽X光指數相互利用下,電波強度在上午,中午,下午和F層/D層在晚上,依上半夜和下半夜的各頻道電波強度下,利用上列公式,可得到本地電離的強度變化.這些觀測必須接收機音頻和定頻系統及信號線性表現要相當穩定.如此曲線表現才會和X光強度數據有相同的變化.

以下為x光引起電離濃度值和最高頻率的相對值.

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1. X5.0(X5級) 2x10E-3 W m-2 HAF=30MHz up

2.X1.0(X1級) 2x10E-3 W m-2 HAF=25MHz

3.M5.0(M5級) 5x10E-5 W m-2 HAF=20MHz

4.M1.0(M1.0級) 2x10E-6W m-2 HAF=15MHz

5.C5.0(C5.0級) 1x10E-7 W m-2 HAF=10MHz

6.C1.0(C1.0級) 1x10E-8 W m-2 HAF=5MHz

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*.此X光能量/頻率對照表(X ray strength/AUF chart) 測定對於觀測太陽閃燄(X光)長期觀測極為重要.

太陽x光指數(Solar x ray flux )

上述所分類的C,M,X等級是基於太陽整個圓盤面的X光輻射強度(Emisson Strength)來分類.在太陽活動高峰期間,整個太陽的X光指數都會很高,也時也會達到X級,產生地球電離層的騷動.但不意謂此時,太陽整個閃燄都爆發達到一個高峰.也可能是很少閃燄爆發時的狀況.

太陽X光指數極高時,會造成地球無線電訊通訊的中斷(Blackout).

在白天中,D層的電離程度在中午(太陽過中天)時分,其電離濃度最強,對F層的電離程度約在上午10-11時左右.中午時分F層的電離濃度已經開始下降.也就是對HF帶的電波吸收在中午時分是最強烈的.在黃昏或清晨時分,D層的電離濃度在"0"的臨界值.所以在晚上的地面,D層是不存在的.

左圖為SOHO太陽監視同步衛星利用紫外線所拍攝太陽在1996年1月(左圖)和1999年7月(右圖)的活動情況.左圖為太陽X光指數低時期.也就是太陽活動較低時期.右圖為較高太陽X光指數時的太陽面面.

*.一般太陽活動高峰期可唯持2-3年. 所以2000,2001年將是太陽活動最劇烈的時期.

圖片:NASA /NOAA提供

夜晚的F層變化:

在晚上的電離變化,完全看F層的變化而定.F層在上半夜,電離濃度持續下降(自1x10E5 至1x10E6 cm-3 N).此時可將高頻電波的最高工作頻率(MUF)持續下降.在晚上18-20點,可反射約20MHzMUF頻率.到了20-11時,可反射的MUF降至15MHz.半夜24時,電子濃度降至HF最低電波10MHz(10E5 電子數/cm-3)反射濃度.在下半夜.10MHz以上的電波都在F層透射出去(Transmitting)而無法反射(reflection.下半夜的工作通訊頻率都在1.4-5.6MHz).

當然也有例外的時候,所以電離層都要定期測定其最高電離濃度.採用當時最佳通訊頻率.此層筆者經過兩個月的測定,其下半夜濃度約在10E-5 N.

對於反射電波頻率越高需要更高的電離濃度可參考流星電波專欄部份說明.

美國有位KJ Smith的工程師利用和筆者類似的方式測試F電離濃度,電波發射角度和最高工作頻率的公式:

Nec=1.2 x 104 x V2 . cos 2 x a

V=最高工作頻率

a=電波發射角度(垂直至地平角度)

如龍潭站經觀測後其電波曲線的表現可計算出可將20MHz反射至地面,其F層的電離濃度約需要1.5x10E6N/cm-3.(此為F層的電離濃度在1.5x10E6 ,電波以垂直至地平角度72度發射,可以將20MHz的電波反射地面).

此公式可以利用2.5,5,10,15和20MHz的頻率以不同的角度發射(70-75度),在一次反射距離(約1900公里)的發射站和接收站同時作業,利用不同時間(間隔1小時 )發射,接收站並同步接收,以收到信號強弱來作出F層的濃度和MUF的圖表.由此可以預測一天各頻率可通訊時間和接收發射角度.

太陽的觀測以X光指數和D層電離濃度值可將太陽在白天的活動模式作一系統性的監測,如此更可精確瞭解太陽X光強度變化和電離層的影響模式.對於長期監測太陽能量變化觀測才會更有系統性的記錄.

結語:

龍潭觀測站自去年開始建立系統並進入觀測流星電波業務後,今年的太陽15公尺波長觀測為第二項正式觀測業務.隨著觀測期間所經歷不斷失敗和經驗後,對於電離層的瞭解和太陽能量的監視經驗也越加累積.

太陽大氣的能量監測,利用美國GOES衛星的觀測數據和本站的電離數據加以分析比對,開始作為粗略的頻率/D層的吸收表,此適合區域高空電離的比對表完成後,對於以後的太陽監測更能加能夠掌握.

我在此強調,業餘無線電天文的迷人之處,就是所花費的努力和成果是成正比,其中的樂趣在於利用現有的業餘設備去探索未知領域.像太'陽監測,僅用可見光觀測太陽黑子和氫離子色球表面.但能量的偵測卻需高價的磁向或其它可見光觀測儀器配合衛星,資料傳送網鏈和專家去處理.

但無線電望遠鏡ㄋ?簡陋的業餘級無線電望遠鏡卻能夠深入太空未知的疆域.各種深藏在太空高深處的高能星體均以不同的頻率無線電發向地球.甚至中子星的x光能量有人預測是影響晚上F層電離的主要因素(晚上深夜F層的存在能量來源一直是個謎).無線電在天文的應用不到50年.有太多的未知尚待觀測.

最近已計劃購置超高頻和頻譜分析硬軟體設備,將針對1420MHz本銀河系發出的氫離子譜頻作一先期作業,因為1.42GHz的無線電望遠鏡和頻譜能量分析可以就本銀河體的旋轉和一些物理動量的觀測作一簡單測定.不過今年還是以太陽和流星為主業.因為"錢"的問題一直是最大問題...ㄏㄏㄏ .

最後就以位於美國華盛頓州的無線電天文同好Randy Stegemeyer所說的一段話作為結尾,因為這些話也是每位無線電 天文業餘者的共同心聲...

The bad news is that I have no external funding. No grants or advances. Everything is bought out of the family budget! The good news is that I have no exernal funding! This means no deadlines, no publication dates, no pressure. I can take my time, focus on the areas that interest me the most, and enjoy!

壞消息是..嗯...我已經沒有額外的資金,也沒有任何補助款...家裡的預算也沒有多餘的了...

好消息ㄋ?也因為我已經沒有多餘的錢了,那也是說...沒有完成的期限,也沒有壓力.我可以利用我自己的時間,專注於我所興趣的領域.那就是我最感興趣的也是最樂在其中的.

By倫蒂.史翠姖米爾 美國-華盛頓州

Translated by 曹永杰 2001 Jan 台北