大氣E/Es層和流星反射特性探討(E/Es layer and meteors refletion)

                                                                曹永杰 BM2EQB

前言:

大氣中,有許多的電波傳導特性是流星觀測者必須要瞭解的.筆者自從投入

流星觀測後,經過許多國內無線電BV同好及國外6m資深同好的指導,逐漸明

解流星觀測要能成功,最主要是對無線電及大氣傳導的特性要能完全瞭解.

同時也要對國外流星觀測有經驗的資深同好多作請教.如請益大氣傳導最多

的BV2AC及BV2AP等OM(資深者),流星觀測實務的日本HRO組織的Suzuki

先生.教我如何看懂及計算數據的比利時天文學會流星電波觀測負責人

Chris先生及天文及微弱電波信號偵測技術的美國OM Mike先生等.今天能對流

星有皮毛的認識也再此感謝他們的熱心指導.當然今後還是會再"煩"他們的...

大氣中,我們對於流星觀測而言,主要是對地面高90-130公里的E層作為研究

對象.其它如最高的F層和最低的D層對於影響流星Echo而言非常小.雖然大氣

中最主要的電波反射層F層及對電波吸收最嚴重的D層在此不作探討(下次

在專文提供).但E層卻是可反射也可吸收電波.本文依其特性簡述,希望對研

究流星觀測的天文同好有所助益.因為國內外對流星反射的陳述不多,且多

為通訊為主.而天文觀測就電波流星觀測者更是稀少.這些資料多是由國內

外觀測者以討教方式及國外雜誌片段報導所收集.其中計算部份參考中國

郵電北京,上海研究院公開資料經自行驗算所得,.在下才疏學淺,所以錯誤

在所難免,希諸先進多以指正為荷.

反射電波的電離層:

太陽是讓地球的電離層形成主要的能量來源,其中以紫外線及X射線影響

最大.另外帶有大量的電子和質子的高能帶負電的電子流(太陽風)也是能

量來源之一.最後來至宇宙間

的宇宙射線及流星群是另一種使大氣層電離化的能量.

會電離化是因為這些高能的電磁波進入地球大氣時,這大量的電子在大氣

中運動,使得空氣中分子被碰撞而使分子帶正電為中性氣體分子或原子.當

然在形成大量中性氣體分子電離中,也形成帶正電的分子抓住帶負電的自

由電子形成還原反應.所以電離層中許多的分子不斷地離子化,也有許多在

還原.這些反應中會有一種平衡狀態.我們以此平衡狀態為電離度(大氣中單

位體積內的自由電子數和中性分子數的比值)或以下所稱的電子密度值(大

氣中單位體積內的自由電子數 N/立方公尺).

在此電離層中,簡單依高度度同分為3層.即最高的F層,中高的E層及最低的

D層.

F層的電離度最高.但因空氣分子少,電子密度在此層不算高.形成非常穩定的HF頻

帶反射特性.

D層的電離度最低,但由於空氣密度高,導至電子密度最低(無法反射電波)的D層吸

收短波頻帶的電波特性最高.

E層特性剛好介於F層和D層中間.對於特高頻VHF帶反射良好特性.

所以F,E,D層雖有分別,只是每層的空氣分子密度,溫度及自由電子密度的變化,導

至對不同頻率電波的反射,吸收特性不同.

F層:距離地面高度從130-5000公里.此層受太陽能量吸收最高,所以溫度自600-1800

度K(凱氏溫度),此層為熱層.

E層:高度為90-130公里.溫度100-200度K.

D層:高度為50-90公里.距離地面80公里處,電子密度最大.此層易受太陽風暴引起

電離飽合.可數分鐘內完全吸收短波,超短波電波形成斷訊.溫度200-300度K.

E層(E layer of propagation)的特性認識:

E層為距離地面90-120公里高度,但適合30-60MHz的電波反射的高度約在110公里

左右.厚度約20公里.此層的電子密度約在10的11次方自由電子數/每立方公尺.密

度的產生和太陽的位置有相當關係.所以在中午時最強,同年以夏天在太陽至北回

歸線的6月(夏至)逐漸增強直至9月(秋分)前開始減少.此時電子密度如降至10的9

次方自由電子密度/每立方公尺.則此層的電離度低導至無反射特性.(如夏天的下

半夜一段時間).以30-60MHz頻率

電波而言,此層在夏天是最穩定的反射層.通訊時間可長達十餘小時.甚至我國火腿

利用VHF頻的144MHz也是利用穩定的E層作監視.如果E層的通訊已很頻繁,和日

本,香港可通144MHz的QSO機會就會出現.因為60MHz的電波需要Es層的出現才可

以反射.

太陽黑子的影響:

太陽黑子簡單說是因太陽自轉和磁場的變化引起部份能量改變,此為黑子出現原

因.其出現多少會有11年周期.在天文上以蘇黎士天文台為標準,即相對數表示.R=k

(10g+s).R=相對數(Wolf number),k=觀測者數據正確參數,g=太陽黑子群組,s=太陽黑

子個數.一般以太陽面上的黑子整理為南,北半球群,個數再總加.極大期時,相對數

多在100以上.但極小期時僅為十位數.無線電上視黑子數為12個月的平均相對數( 

R12,12數字為小體),如在極小期的1年,R12=10或極大期R12=110.(此資料可向台北

市天文教育館詢問)

太陽黑子出現總是會影響地球的無線電通訊,如果太陽於高活動期時,閃燄(flare)和

黑子出現會是高峰期.因為地球上的電離層中,自由電子分佈結構和太陽風的高能

離子的強度有重大關係,所以在太陽黑子極大期幾年,電離層中的D層會因太陽帶

來的紫外線和X射線增強在幾秒中內急速增加D層的自由電子數增加至10 的9次

方/每立方公尺.雖然自由電子不及E層密度,但D層的空氣密度卻高於E層及F層.所

以通訊電波引起D層電離電子諧振的能量因嚴重被D層吸收(空氣密度大,分子間

和自由電子的碰撞頻率高,所以電波間的傳送諧振相對下降),引起中,短,超短波傳

送路徑嚴重衰減(fedeout)而斷訊.如地面的業餘無線電,高頻通訊及衛星通訊.嚴重

時,地球白天通訊大範圍斷訊.甚至衛星被太陽高能量電離子的脈衝所破壞,此為太

陽電離風暴(Ionospheric storm).黑子極大期間,時常會在一般的突發性電離干擾中,

可明顯突然間降低通訊強度,雜音大量出現(SID現象.Sudden Ionospheric Disturbance)

無線電接收中,D層吸收所引起的電線輸入電壓會幾分鐘內降至 0µV.此現象會在1

小時後慢慢提昇電壓值至正常值.

 

Es層(Sporadic E layer突發性E層):

此層為和流星反射特性極為相同的一層,所以此說明會較詳細.

Es層(Sporadic E layer)的產生和E層( E layer propagation)的產生收太陽輻射不相同.Es

層是因為大氣緯度不同,熱量傳導影響E層而產生的一種不可預知的雲塊.因為Es

層在高緯地區是和極光的出現有許多關係.同時其地磁活動也有相關聯.但不影響

中緯度地區,在此不作詳細說明.赤道附近的Es層則是出現在赤道+/-6度左右的位

置.隨季節變化不大,但反射特性非常差(10MHz以上即穿透無反射).

我們台灣位於中緯度地區.此地區的Es層又不同於赤道和高緯的Es層.此地區的Es層出現

於夏天.同時出現時,其電子密度高於一般E 層電子數.大小約幾公里到1000公里之間.高

度多集中在110公里左右.對於較高頻(30MHz以上)的電波有反射作用,但通常會吸收HF

的較低頻率電波.所以10-30MHz電波在白天 遇上大量Es層後,即被少量反射或吸收(無法

穿透E層,在較高的F層反射).造成通訊距離大幅縮短或嚴重衰減. 不過下半夜後,E層,D層

密度下降,短波可穿透直達F層造成多次反射傳導路徑.遠通至數萬公里外的歐美國家.

另外造成另一種使VHF(30-300MHz)電波反射的自然現象就是流星.一般而言,流星於大

氣層燃燒時,高度約在80-110公里之間,造成大氣周圍電離化. 此電離化因流星自由落體

移動時,會留下一圓柱狀電離體.長度達數公里至數十公里.電波能反射即靠此圓柱形的

電離體.此體電子密度非常高,有時高達 2 x 10的14次方自由電子數.所以能反射較高頻

VHF的電波信號(自由電子密度和電波頻率呈正比,即較高電子密度可反射電波頻率越

高,但若頻率太高(300MHz以上的UHF),因折射率N關係,會無法讓太高頻信號在此電離體

內多次折射而導至穿透,所以觀測流星echo頻率不要太高,信號頻率越高,echo時間越短.不

利信號判別).但電離體因溫度急速下降而導至電子密度急速衰減.所以接收大流星的

Echo時,信號會突然昇高至數百µV(40-50dBµ),然後降至0µV(-1dBµ)以下(即快速衰減,此過

程時間為數分之1秒至數十秒).一般流星約提昇至100µV後即衰減,時間約在數秒左右.

由於流星產生的電離密度和下降速度有極大關係,一般流星的產生是因為彗星的塵埃在

經過地球時,其速度若大於每秒42公里,就會脫離彗星軌道進入地球大氣層.此時若是同

體積流星但因進入地球的方向不同,產生電離化程度也不同.如垂直迎向地球公轉方向.

即地球公轉速度為每秒72公里.此流星速度為42+72=114(公里/秒).如果是流星和地球是

同方向,追上地球進入大氣層,其速度為最慢,72-42=30(公里/ 秒).此速度的範圍中,形成電

子密度的值也不一樣.在依電子密度公式關係:

N=m.v四次方.m=流星質量.v=流星自由落體速度.N=電子密度.

速度最高者表示此流星會造成最大電子密度的電離體,但柱狀長度較短.若電波高度

及角度正確,剛好會在此產生一個強度很大的反射echo.時間也較長.常見於火流星的出

現.此機會在流星雨時最大.對於144MHz的通訊也能成功.所以國外許多火腿都利用流星

雨進行50MHz,144MHz及430MHz的臨界通訊實驗.

在此將Es層和流星電離放在一起,是因為雖然其產生電離的原因不同,但特性十分相同.

同時在觀測時,E層,Es層和流星反射在時間上和信號特性不同,我們可以將之辦別如下:

 

1.E層:受太陽輻射影響,夏天電子密度最大..反射頻率在30-60MHz左右.反射時間穩定不

移動.存在電子密度為10 的11次方/立方公尺.存在時間為十餘小時.以50MHz通訊最普遍.

2.Es層:受大氣熱力及緯度影響.亦存於夏天.但密度高於E層,且易吸收較低頻電波.較高

頻電波可反射.會快速移動無法預測出現時間及位置.144MHz即利用此層.但通訊情況差

且時間極短,不穩定.

3.流星反射:電離體出現高度相同於Es層(110公里),但電子密度較高於E ,Es層.反射信號

於VHF頻帶.如在50MHz至150MHz帶觀測,但70MHz以上,冬天易受大氣水分子傳導(波導)

影響.觀測到echo時間極短,約數分之1秒至數十秒.且有極快衰減現象.若遇大流星可觀測

到因流星高速移動的都普勒現象(Doppler).

 

觀測流星的 echo非常容易辦別,E,Es層的echo信號非常穩定,且時間長達數十分鐘至1小時

以上,信號可保持較長時間穩定,再慢慢衰減(數分鐘的時間).當然,在夏天作流星觀測,受

E,Es層的反射干擾也最嚴重.但在秋,冬,春天,Es層不存在,E層的電子密度低於10的8次方/

每立方公尺.E層的干擾也不存在.所以冬天的獅子座流星雨才會是觀測流星echo最佳時

機.

瞭解電離層的反射特性後,最後再談談流星觀測中最重要的電波傳導路徑損失,因為如

果觀測流星信號電台,因發射功率不大或天線架設錯誤,導至電波無法傳到接收機,那流

星觀測目的則無法達成,僅收到雜訊而失敗.

 

天線和電波路徑損失(Path loss)及流星電波觀測的關係:

 

使用Dipole和Yagi天線對於流星反射的路徑損失計算對於觀測流星HR數有決定性關係,

因為天線和望遠鏡一樣,是補捉微弱光源或電波信號的主要儀器.如果望遠鏡的口徑太

小,只能看到較亮的星星,相對的星星數目就少多了.相同地,如果天線感度過低,僅能補抓

到"大"流星,甚至火流星. 而一般小流星或微流星是"視"而不見的.

今天使用天線也一樣,如果使用低增益或高損失的天線,一樣無法收到遠處的微弱信號.

所以流星的HR數就少了.

觀測流星的天線一般我們使用1/2波長的偶極天線(Diploe)或八木天線(Yagi).

Diploe天線應該是極適合流星觀測的特性,因為Dipole是以面向方向的地平起至中天為主

要的接收範圍.所以以接收日本的信號為例,如果架設於方位為東西方向,面向南北方位

的接收情況是最佳的.這和流星雨輻射點呈45-50度仰角是接收最高峰的運行位置及天體

運行的方位大約可以一致(肉眼觀測結果亦同).

可惜是Dipole本身無方向性的良好特性,卻無任何增益(Gain effect).這對於較小的流星echo

是不利的.我們可從電波路徑損失計算看出結果.

另外八木天線的特性和Diploe剛好相反,八木的接收角度窄,但有極高的增益特性.對於

微小流星信號有增強效果.

舉例:

我們看看一個日本信號發射電台發射一個50w beacon(示標台信號) CW或USB(單旁通)的

信號進入天空,若是流星的角度,高度正確時,反射此信號到我們的天線後,信號強度會剩

下多少?如果信號夠強,才會被接收機檢波產生音頻信號進入喇叭發出聲音.如果信號進

入天線後,信號電壓已經微弱到低於雜訊電壓,此信號我們是收不到的....(當然!如果是使

用FM接收機接收遠方的FM電台信號,其結果也是如此..)

首先看看自己的收音機的最低感度是多少? 一般而言,使用普通收音機的FM感度多在

V(1/1,000,000 伏特).而遠方的電台多在400-2000公里範圍內.而電台發射功率高達3KW

以上.如有較大流星經過,加上沒有地方電台蓋台或2次,3次駐波干擾.多可由收音機收到

(但在台灣此怪地區,自政府開放中低功率電台成立,加上非法及灰色電台到處臨立.此機

會很少很少..幾乎不可能啦!悲哀!!!....).

一般的50MHz信號發射台多是小功率業餘電台.功率多在2-100w左右.除了要瞭解此台信

號發射時間及內容資料外(要24小時發射).同時要隨時注意他老人家(發射者多半是OM)

是否哪天和老婆吵架,老婆不爽摔機故障或QSY(轉換頻率).每天提心吊膽的...實在辛

苦!(筆者註:因為cw信號在無線電發燒友聽起來非常悅耳,但每天24小時發音,聽在老婆大

人耳裡就不是那麼回事了....)在此提供日本九州 Miyazaki 縣立大學radio club的beacon 台.

頻率50.0169MHz USB mode/50.0175MHz cw mode.發射功率50w.24小時無方向性發射.此電

台現是我主要流星電波發射源.

所以天線的選擇和路徑的損失計算是非常重要的.

流星電波的路徑損失總和有有3種損失,其如下:

1.發射電台發射後的自由空間損失

2.流星電離體的吸收損失

3.設備的損失

自由空間路徑損失是因為發射站發射電波時,電波脫離天線後,是以幾何擴散方式,一波

一波往外擴散.由於傳播路徑遠,慢慢電波沿發射角度慢慢擴大.即能量密度隨著路徑距

離的平方呈反比(和光的照度和距離比相似),造成損失.

公式可簡化為

自由空間路徑損失=32.44 + 20. log .f +20 . log D (dB)

f=MHz(發射頻率).D=Km(距離).

若是以筆者的龍潭觀測站為例.本站是龍潭至日本九州的宮琦(Miyazaki),其距離為1,125

公里.天線為無增益的Dipole 發射電波

32.44+20.(1.69)+20.(3.05)=32.44+33.8+61=127.2(dB).

接收站為dipole接收.故無仰角問題.但若Yagi天線接收.就要算以兩站相對距離1,125公里

考慮,經流星平均高度(110公里)為主,電波以此方式反射路徑接收.其仰角為7-8度.

流星電離體吸收損失:一般E層吸收因頻率不同有高低變化.但主要為D層吸收較多.所以

E層一般吸收在1dB左右.

但流星電離體的反射面積小(僅數公里至數十公里).所以反射的電波較為一般E層反射

小.故可視為吸收程度較E層高.約在 5-8dB.小流星更高達15dB以上.

最後設備的吸收多於電線耗損及接收機發熱元件.若電線長度在15公內在此可不計.

最後可知約損失127.2+10=137.2dB.

發射站發射功率為50w .以50w轉成dB對數值為145dB瓦.以發射信號-路徑損失=145-137.2

=7.8(dB).7.8dB大約等於4.5µV感應電壓(即接收機的dipole天線收到的信號約為4.5µV).

以接收CW或USB信號的接收機最低感度約在 0.25µV而言.接收到4.5µV已可清楚收到

信號音頻了.但推動 接收機的S信號強度表是極為勉強了.

若是遇到大流星電離體,其反射面積大的話,電離體的相對損失就會減少.天線收到的

信號強度可增加 2dB.如果是使用Yagi天線有電壓增益的話,如增加gain為8-10dB,則接收

到的強度可增加至10dB以上(即增加5倍以上天線電壓感度).

3.流星反射:電離體出現高度相同於Es層(110公里),但電子密度較高於E ,Es層.反射信號

於VHF頻帶.如在50MHz至150MHz帶觀測,但70MHz以上,冬天易受大氣水分子傳導(波導)

影響.觀測到echo時間極短,約數分之1秒至數十秒.且有極快衰減現象.若遇大流星可觀測

到因流星高速移動的都普勒現象(Doppler).

 

觀測流星的 echo非常容易辦別,E,Es層的echo信號非常穩定,且時間長達數十分鐘至1小時

以上,信號可保持較長時間穩定,再慢慢衰減(數分鐘的時間).當然,在夏天作流星觀測,受

E,Es層的反射干擾也最嚴重.但在秋,冬,春天,Es層不存在,E層的電子密度低於10的8次方/

每立方公尺.E層的干擾也不存在.所以冬天的獅子座流星雨才會是觀測流星echo最佳時

機.

瞭解電離層的反射特性後,最後再談談流星觀測中最重要的電波傳導路徑損失,因為如

果觀測流星信號電台,因發射功率不大或天線架設錯誤,導至電波無法傳到接收機,那流

星觀測目的則無法達成,僅收到雜訊而失敗.

 

天線和電波路徑損失(Path loss)及流星電波觀測的關係:

 

使用Dipole和Yagi天線對於流星反射的路徑損失計算對於觀測流星HR數有決定性關係,

因為天線和望遠鏡一樣,是補捉微弱光源或電波信號的主要儀器.如果望遠鏡的口徑太

小,只能看到較亮的星星,相對的星星數目就少多了.相同地,如果天線感度過低,僅能補抓

到"大"流星,甚至火流星. 而一般小流星或微流星是"視"而不見的.

今天使用天線也一樣,如果使用低增益或高損失的天線,一樣無法收到遠處的微弱信號.

所以流星的HR數就少了.

觀測流星的天線一般我們使用1/2波長的偶極天線(Diploe)或八木天線(Yagi).

Diploe天線應該是極適合流星觀測的特性,因為Dipole是以面向方向的地平起至中天為主

要的接收範圍.所以以接收日本的信號為例,如果架設於方位為東西方向,面向南北方位

的接收情況是最佳的.這和流星雨輻射點呈45-50度仰角是接收最高峰的運行位置及天體

運行的方位大約可以一致(肉眼觀測結果亦同).

可惜是Dipole本身無方向性的良好特性,卻無任何增益(Gain effect).這對於較小的流星echo

是不利的.我們可從電波路徑損失計算看出結果.

另外八木天線的特性和Diploe剛好相反,八木的接收角度窄,但有極高的增益特性.對於

微小流星信號有增強效果.

舉例:

我們看看一個日本信號發射電台發射一個50w beacon(示標台信號) CW或USB(單旁通)的

信號進入天空,若是流星的角度,高度正確時,反射此信號到我們的天線後,信號強度會剩

下多少?如果信號夠強,才會被接收機檢波產生音頻信號進入喇叭發出聲音.如果信號進

入天線後,信號電壓已經微弱到低於雜訊電壓,此信號我們是收不到的....(當然!如果是使

用FM接收機接收遠方的FM電台信號,其結果也是如此..)

首先看看自己的收音機的最低感度是多少? 一般而言,使用普通收音機的FM感度多在

V(1/1,000,000 伏特).而遠方的電台多在400-2000公里範圍內.而電台發射功率高達3KW

以上.如有較大流星經過,加上沒有地方電台蓋台或2次,3次駐波干擾.多可由收音機收到

(但在台灣此怪地區,自政府開放中低功率電台成立,加上非法及灰色電台到處臨立.此機

會很少很少..幾乎不可能啦!悲哀!!!....).

一般的50MHz信號發射台多是小功率業餘電台.功率多在2-100w左右.除了要瞭解此台信

號發射時間及內容資料外(要24小時發射).同時要隨時注意他老人家(發射者多半是OM)

是否哪天和老婆吵架,老婆不爽摔機故障或QSY(轉換頻率).每天提心吊膽的...實在辛

苦!(筆者註:因為cw信號在無線電發燒友聽起來非常悅耳,但每天24小時發音,聽在老婆大

人耳裡就不是那麼回事了....)在此提供日本九州 Miyazaki 縣立大學radio club的beacon 台.

頻率50.0169MHz USB mode/50.0175MHz cw mode.發射功率50w.24小時無方向性發射.此電

台現是我主要流星電波發射源.

所以天線的選擇和路徑的損失計算是非常重要的.

流星電波的路徑損失總和有有3種損失,其如下:

1.發射電台發射後的自由空間損失

2.流星電離體的吸收損失

3.設備的損失

自由空間路徑損失是因為發射站發射電波時,電波脫離天線後,是以幾何擴散方式,一波

一波往外擴散.由於傳播路徑遠,慢慢電波沿發射角度慢慢擴大.即能量密度隨著路徑距

離的平方呈反比(和光的照度和距離比相似),造成損失.

公式可簡化為

自由空間路徑損失=32.44 + 20. log .f +20 . log D (dB)

f=MHz(發射頻率).D=Km(距離).

若是以筆者的龍潭觀測站為例.本站是龍潭至日本九州的宮琦(Miyazaki),其距離為1,125

公里.天線為無增益的Dipole 發射電波

32.44+20.(1.69)+20.(3.05)=32.44+33.8+61=127.2(dB).

接收站為dipole接收.故無仰角問題.但若Yagi天線接收.就要算以兩站相對距離1,125公里

考慮,經流星平均高度(110公里)為主,電波以此方式反射路徑接收.其仰角為7-8度.

流星電離體吸收損失:一般E層吸收因頻率不同有高低變化.但主要為D層吸收較多.所以

E層一般吸收在1dB左右.

但流星電離體的反射面積小(僅數公里至數十公里).所以反射的電波較為一般E層反射

小.故可視為吸收程度較E層高.約在 5-8dB.小流星更高達15dB以上.

最後設備的吸收多於電線耗損及接收機發熱元件.若電線長度在15公內在此可不計.

最後可知約損失127.2+10=137.2dB.

發射站發射功率為50w .以50w轉成dB對數值為145dB瓦.以發射信號-路徑損失=145-137.2

=7.8(dB).7.8dB大約等於4.5µV感應電壓(即接收機的dipole天線收到的信號約為4.5µV).

以接收CW或USB信號的接收機最低感度約在 0.25µV而言.接收到4.5µV已可清楚收到

信號音頻了.但推動 接收機的S信號強度表是極為勉強了.

若是遇到大流星電離體,其反射面積大的話,電離體的相對損失就會減少.天線收到的

信號強度可增加 2dB.如果是使用Yagi天線有電壓增益的話,如增加gain為8-10dB,則接收

到的強度可增加至10dB以上(即增加5倍以上天線電壓感度).

                                                                               END