电离层物理与电波传播5

电离层共振发电无线输电技术（山西省孝义市科学技术局郭伟伟）宇宙99%以上的物质都以等离子态形式存在，离我们最近的等离子体就是地球电离层。

电离层是地球大气的一个重要层区，它是由太阳电磁辐射、宇宙线和沉降粒子作用于地球高层大气，使之电离而生成的自由电子、离子和中性粒子构成的准中性等离子体区域。

处在50km至几千千米高度间，温度在180～3000K范围之间，其带电粒子（电子和离子）的运动受到地磁场的制约，因此在电波传播领域又称电离层介质为磁离子介质。

描述电离层最基本的参量是电子密度，通常按照电子密度随高度的变化来划分电离层的结构。

随着高度的变化，电离层电子密度出现几个极大值区域。

电离层电子密度的高度分布随昼夜、季节、纬度和太阳活动而变化。

由于白天和晚上的电离源（太阳电磁辐射）不同，电离层结构也有所不同，太阳活动高年和低年中，太阳电磁辐射的差异也导致电离层电子密度有很大差别。

但共同的特点是在200～400km高度之间电子密度有一个明显的峰值。

地球的电离层与磁气圈中所包含的潜在能量，各自至少达到30亿kW。

1952年舒曼(Schumann)指出,地球和电离层可以构成一个谐振腔体,腔体中存在一个特殊的谐振频率,这一频率主要由地球的尺寸决定,并由全球的闪电放电激发。

这个谐振频率被称为舒曼共振(Schumann Resonance).舒曼共振的频谱在ELF波段,频率为8Hz左右(这个值的说法多,7.83/7.5/7.2等),恰好人类大脑的α波与θ波也近于8Hz,于是有人将舒曼共振称为"地球的脑波"。

美国天才物理学家尼古拉.特斯拉1899年在科罗拉多热泉从事一个1.5兆瓦系统研究时惊奇地发现，该系统发出的电脉冲环绕地球返回来时“其强度没有减小，电能可以经济地无线传输到任何遥远的地点，我已毫无疑问地对此进行过无数次观察、实验与测量。

这些已证明实际可以将无限量的电力从一个中央发电厂传输到即便最大的距离，12000英里甚至到地球的另一侧，而且传输过程中的电力损失不超过1%，对地球电离层空穴进行共振激化期望能够增加自然“舒曼”频率的强度，有助于捕获有用的电能源。

招生院系地球与空间科学学院计划招生数全日制49人拟接收推免人数40人备注说明无地球与空间科学学院招生专业及招生人数专业代码专业名称计划招生数拟接收推免数研究方向学习方式考试科目专业备注全日制非全日制全日制非全日制070503地图学与地理信息系统907001. 地理信息系统基础理论全日制① 101 思想政治理论② 201 英语一③ 301 数学一④ 825 地理信息系统复试内容包括：专业课笔试、计算机基础笔试、上机考试和面试，其中专业课笔试课程为遥感概论。

02. 空间分析与智能理解全日制03. 高性能地学计算全日制04. 数字地球与智慧城市全日制05. 三维地理信息系统全日制06. 地理信息系统建模与应用全日制07. 地理信息系统工程全日制070802空间物理学303001. 太阳和日球层物理全日制① 101 思想政治理论② 201 英语一③ 301 数学一④ 826 普通物理(含力学、电磁学、热学)或① 101 思想政治理论② 201 英语一③ 301 数学一④ 806 普通物理(包括力学、电磁学、光学)本专业只招收推荐免试研究生，不招收应试考生(强军计划考生除外）。

复试阶段加试普通物理、经典物理和空间物理概论。

02. 磁层物理全日制03. 电离层物理和电波传播全日制04. 空间物理和空间环境探测技术全日制05. 行星物理全日制070901矿物学、岩石学、矿床学4030① 101 思想政治理论② 201 英语一 或 203 日语③ 651 高等数学与地质学基础④ 947 岩石学02. 变质岩石学全日制03. 矿床学全日制04. 矿物学全日制070902地球化学504001. 实验地球化学全日制① 101 思想政治理论② 201 英语一③ 651 高等数学与地质学基础④ 887 地球化学02. 地质年代学与同位素地球化学全日制03. 环境地球化学全日制04. 矿床地球化学全日制05. 有机地球化学与生物地球化学全日制06. 地球化学全日制070903古生物学与地层学504001. 演化生物学（古脊椎动物学、古无脊椎动物学、古植物学）全日制① 101 思想政治理论② 201 英语一 或 202 俄语 或 203日语 或 253 法语 或 254 德语③ 651 高等数学与地质学基础④ 807 地史学 或 948 古生物学02. 微体古生物学全日制03. 古生态环境学全日制04. 古生物地理学全日制05. 综合地层学全日制06. 沉积地层学全日制07. 地球生物学全日制070904构造地质学8070① 101 思想政治理论② 201 英语一 或 202 俄语 或 203日语③ 651 高等数学与地质学基础④ 808 构造地质学基础 或 947 岩石学02. 区域地质与大地构造学全日制03. 前寒武纪地质学全日制04. 盆地构造全日制05. 岩石物理全日制06. 灾害地质学全日制07. 活动构造与地震全日制08. 构造磁学（包括海洋磁学）全日制09. 构造地貌与热年代学全日制10. 火山与环境全日制11. 计算地球动力学全日制070920地质学（材料及环境矿物学）302001. 矿物材料全日制① 101 思想政治理论② 201 英语一 或 202 俄语 或 203日语③ 651 高等数学与地质学基础④ 909 矿物学或① 101 思想政治理论② 201 英语一③ 302 数学二④ 942 环境学科综合02. 环境矿物学与环境矿物材料全日制03. 矿物工程全日制04. 晶体结构和晶体化学全日制05. 持久性有机污染物防治全日制06. 炭-石墨材料全日制07. 矿物与微生物全日制08. 生物矿化全日制070921地质学（石油地质学）605001. 含油气盆地构造全日制① 101 思想政治理论② 201 英语一③ 651 高等数学与地质学基础④ 808 构造地质学基础 或 809 石油地质学或① 101 思想政治理论② 201 英语一③ 301 数学一④ 801 计算机专业基础02. 油气地球物理全日制03. 沉积学及层序地层学全日制04. 油气储层地质全日制05. 油气地球化学全日制06. 油气田勘探与开发全日制081602摄影测量与遥感6050① 101 思想政治理论② 201 英语一③ 301 数学一④ 910 遥感概论复试内容包括：专业课笔试、计算机基础笔试、上机考试和面试，其中专业课笔试课程为地理信息系统和全球定位与导航。

一．电磁场基本性质：1．电场和磁场：静止电荷产生的场表现为对于带电体有力的作用，这种场称为电场。

不随时间变化的电场称为静电场。

运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导体有力的作用，这种物质称为磁场。

不随时间变化的磁场称为恒定磁场。

2. 电磁波及麦克斯韦方程：如果电荷及电流均随时间改变，它们产生的电场及磁场也是随时变化的，时变的电场与时变的磁场可以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的时变电磁场。

时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，在空间形成了电磁波。

静电场与恒定磁场相互无关、彼此独立，可以分别进行研究。

0c D B B E t D H J t ρ∇=⎧⎪∇=⎪⎪∂⎨∇⨯=-∂⎪⎪∂∇⨯=+⎪∂⎩g g cD E B H J E εμσ=⎧⎪=⎨⎪=⎩ 3. 物质属性 电磁场与电磁波虽然不能亲眼所见，但是客观存在的一种物质，因为它具有物质的 两种重要属性：能量和质量。

但电磁场与电磁波的质量极其微小，因此，通常仅研究电磁场与电磁波的能量特性。

电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传播无需依赖于任何媒质。

在没有物质存在的真空环境中，电磁场与电磁波的存在和传播会感到更加“自由”。

因此对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为“自由空间”。

当空间存在媒质时，在电磁场的作用下媒质中会发生极化与磁化现象，结果在媒质中又产生二次电场及磁场，从而改变了媒质中原先的场分布，这就是场与媒质的相互作用现象。

4. 历史的回顾与电磁场与波的应用公元前600年希腊人发现了摩擦后的琥珀能够吸引微小物体；公元前300年我国发现了磁石吸铁的现象；后来人们发现了地球磁场的存在。

1785年法国科学家库仑（1736－1806）通过实验创建了著名的库仑定律。

1820年丹麦人奥斯特（1777－1851）发现了电流产生的磁场。

同年法国科学家安培（1775－1836）计算了两个电流之间的作用力。

1831年英国科学家法拉第（1791－1867）发现电磁感应现象，创建了电磁感应定律，说明时变磁场可以产生时变电场。

电离层无线电波传播dianliceng wuxian dianbo chuanbo电离层无线电波传播radio wave propagation in the ionosphere无线电波在电离层中传播的规律及其应用的研究，早先着重于电波在电离层F2层电子密度峰值以下区域的传播问题，人造卫星上天以后，扩展到穿越整个电离层区域的传播规律问题。

基本理论电离层由自由电子正离子负离子、分子和原子组成，是部分电离的等离子体介质。

带电粒子的存在影响无线电波的传播，其机制是带电粒子在外加电磁场的作用下随之振动，从而产生二次辐射，同原来的场矢量相加，总的效果表现为电离层对电波的折射指数小于1。

由于自由电子的质量远小于离子的质量,一般电子的作用是主要的，只要考虑电子就够了。

但如电波频率较低而接近于离子的等离子体频率时，离子的影响也不能忽略。

由于地磁场的存在，带电粒子也受它的影响，所以电离层又是各向异性的（见磁离子理论）。

电离层的形成和结构特性是受太阳控制的，因此它既随时间又随空间变化。

在这样复杂的介质中，分析无线电波传播问题必须建立相对简化的物理模型并根据电波的频率采用相应的理论和方法。

对于电离层电波传播，介质的折射指数是一个最根本的参数，实验证明相当有效。

为人们普遍接受的磁离子理论表达的折射指数的公式称为阿普尔顿-哈特里公式,它是电离层电子密度和电波频率的函数，所以又被称为色散公式，而电离层则是一种色散介质。

对于短波和波长更短的电波传播问题，可以采用近似的射线理论，对长波和超长波则一般需要采用波动理论，有时可将地面和电离层底部之间看作一个同心球形波导。

折射和反射电离层的折射指数主要取决于电子密度和电波频率，电子密度愈大或电波频率愈低，折射指数愈小。

因为电离层的折射指数小于1,电波在电离层中受到向下折射，在垂直投射的情况下，折射指数等于零时，电波不能传播，产生“反射”。

在一定值的电子密度情况下，使折射指数为零的频率称为电波的临界频率，在地磁场的影响可以忽略时，这一频率就等于电子的等离子体频率。

电离层对高频电波传播的影响研究1. 本文概述本文旨在深入研究电离层对高频电波传播的影响。

电离层，作为地球大气层的一部分，由太阳紫外线、射线和太阳风等太阳活动引起的气体电离形成。

这一区域的存在对高频电波（如无线电波、微波等）的传播特性具有显著影响，尤其在无线通信、雷达探测、卫星通信等领域具有广泛的应用价值。

本文将首先介绍电离层的基本结构和特性，包括其形成机制、电子密度分布、以及在不同时间和地点的变化规律。

接着，本文将重点分析电离层对高频电波传播的主要影响，包括信号衰减、折射、散射等现象，以及这些现象对电波传播路径、传播速度和信号质量的影响。

本文还将探讨电离层变化对高频电波传播的影响，包括电离层扰动、电离层暴等极端天气事件对电波传播的影响，以及这些影响对无线通信、雷达探测等实际应用的影响。

2. 电离层特性及其动态变化电离层，也称为电离层或电离大气层，是地球大气层的一部分，其中气体分子和原子因太阳紫外线、射线和太阳风等太阳活动的影响而被电离。

这层电离的大气对高频电波传播有着重要的影响。

电离层的主要特性包括其电子密度、离子密度、温度、压力和高度等。

电子密度是决定电离层对电波吸收和折射性质的关键因素。

电离层的电子密度会随着时间、地理位置、太阳活动等因素的变化而变化，这种变化对高频电波的传播特性有着直接的影响。

电离层的动态变化主要包括昼夜变化、季节变化、太阳活动周期变化等。

昼夜变化是由于太阳照射引起的电离层电子密度的日变化和夜变化。

季节变化则是由于地球围绕太阳旋转，导致不同地区在不同季节受到太阳照射的影响不同，从而影响电离层的电子密度。

太阳活动周期变化则是指太阳活动的强弱对电离层的影响，通常在太阳活动高峰期，电离层的电子密度会增加，对电波传播的影响也会增强。

电离层的动态变化不仅会影响高频电波的传播路径，还会引起电波的衰减、折射、散射等现象。

例如，电离层中的电子会对电波产生吸收作用，导致电波能量衰减电离层中的电子密度梯度会导致电波发生折射，改变电波的传播方向电离层中的不规则结构则会引起电波的散射，使电波的能量分布更广。

电波主要传播方式2008-06-05 11:25:45 作者：不详电波传输不依靠电线，也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播，有些电波能够在地球表面传播，有些波能够在空间直线传播，也能够从大气层上空反射传播，有些波甚至能穿透大气层，飞向遥远的宇宙空间。

任何一种无线电信号传输系统均由发信部分、收信部分和传输媒质三部分组成。

传输无线电信号的媒质主要有地表、对流层和电离层等，这些媒质的电特性对不同波段的无线电波的传播有着不同的影响。

根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，可将电波传播方式分成下列几种：地表传播对有些电波来说，地球本身就是一个障碍物。

当接收天线距离发射天线较远时，地面就象拱形大桥将两者隔开。

那些走直线的电波就过不去了。

只有某些电波能够沿着地球拱起的部分传播出去，这种沿着地球表面传播的电波就叫地波，也叫表面波。

地面波传播无线电波沿着地球表面的传播方式，称为地面波传播。

其特点是信号比较稳定，但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快。

因此，这种传播方式主要适用于长波和中波波段。

天波传播声音碰到墙壁或高山就会反射回来形成回声，光线射到镜面上也会反射。

无线电波也能够反射。

在大气层中，从几十公里至几百公里的高空有几层“电离层”形成了一种天然的反射体，就象一只悬空的金属盖，电波射到“电离层’就会被反射回来，走这一途径的电波就称为天波或反射波。

在电波中，主要是短波具有这种特性。

电离层是怎样形成的呢？原来，有些气层受到阳光照射，就会产生电离。

太阳表面温度大约有6000℃，它辐射出来的电磁波包含很宽的频带。

其中紫外线部分会对大气层上空气体产生电离作用，这是形成电离层的主要原因。

电离层一方面反射电波，另一方面也要吸收电波。

电离层对电波的反射和吸收与频率(波长)有关。

频率越高，吸收越少，频率越低，吸收越多。

所以，短波的天波可以用作远距离通讯。

此外，反射和吸收与白天还是黑夜也有关。

白天，电离层可把中波几乎全部吸收掉，收音机只能收听当地的电台，而夜里却能收到远距离的电台。

无线电波的传播方式一、无线电波的传播方式无线电波以每秒三十万公里的速度离开发射天线后，是经过不同的传播路径到达接收点的。

人们根据这些各具特点的传播方式，把无线电波归纳为四种主要类型。

1）地波，这是沿地球表面传播的无线电波。

2）天波，也即电离层波。

地球大气层的高层存在着“电离层”。

无线电波进入电离层时其方向会发生改变，出现“折射”。

因为电离层折射效应的积累，电波的入射方向会连续改变，最终会“拐”回地面，电离层如同一面镜子会反射无线电波。

我们把这种经电离层反射而折回地面的无线电波称为“天波”。

3）空间波，由发射天线直接到达接收点的电波，被称为直射波。

有一部分电波是通过地面或其他障碍物反射到达接收点的，被称为反射波。

直射波和反射波合称为空间波。

4）散射波，当大气层或电离层出现不均匀团块时，无线电波有可能被这些不均匀媒质向四面八方反射，使一部分能量到达接收点，这就是散射波。

在业余无线电通信中，运用最多的是“天波”传播方式，这是短波远距离通信向必要条件。

空间波和散射波的运用多见于超高频通信，而地波传播“般只用于低波段和近距离通信。

二、电离层与天波传播1．电离层概况在业余无线电中，短波波段的远距离通信占据着极重要的位置。

短波段信号的传播主要依靠的是天波，所以我们必需对电离层有所了解。

地球表面被厚厚的大气层包围着。

大气层的底层部分是“对流层”，其高度在极区约为九公里，在赤道约为十六公里。

在这里，气温除局部外总是随高度上升而下降。

人们常见的电闪雷鸣、阴晴雨雪都发生在对流层，但这些气象现象一般只对直射波传播有影响。

在离地面约10到50公里的大气层是“同温层”。

它对电波传播基本上没有影响。

离地面约50到400公里高空的空气很少流动。

在太阳紫外线强烈照射下，气体分子中的电子挣脱了原子的束缚，形成了自由电子和离子，即电离层。

由于气体分子本身重量的不同以及受到紫外线不同强度的照射，电离层形成了四个具有不同电子密度和厚度的分层，每个分层的密度都是中间大两边小。

电离层中电波传播的基础物理问题
电离层中电波传播的基础物理问题包括：
1. 介质特性：电离层是由高度电离的气体组成，其电磁波传输特性与常规的空气或真空介质不同。

电离层中存在的离子和自由电子可以对电波的传播速度、传播方向和极化状态产生影响。

2. 折射和反射：电离层中的离子和自由电子可以使电波产生折射和反射。

表面反射和天线朝向的角度也可以影响电波的传输。

3. 大气异常传播：电离层中的等离子体密度分布与地球表面物理区域分布的不均匀性相结合，会导致一些异常传播现象，例如超视距和多路径传播等。

4. 色散和吸收：电离层中不同频率的电波对等离子体的折射率有不同的响应，从而产生了色散现象。

同时，在高频率下，电离层的吸收也非常显著，这将限制电波的传播距离。

综上所述，电离层中电波传播的物理问题非常复杂，需要对空间中等离子体的物理特性、电磁波的传输特性、落地大气的情况等多方面进行综合研究。

一．电磁场基本性质：1．电场和磁场：静止电荷产生的场表现为对于带电体有力的作用，这种场称为电场。

不随时间变化的电场称为静电场。

运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导体有力的作用，这种物质称为磁场。

不随时间变化的磁场称为恒定磁场。

2. 电磁波及麦克斯韦方程：如果电荷及电流均随时间改变，它们产生的电场及磁场也是随时变化的，时变的电场与时变的磁场可以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的时变电磁场。

时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，在空间形成了电磁波。

静电场与恒定磁场相互无关、彼此独立，可以分别进行研究。

0c D B B E t D H J t ρ∇=⎧⎪∇=⎪⎪∂⎨∇⨯=-∂⎪⎪∂∇⨯=+⎪∂⎩cD E B H J E εμσ=⎧⎪=⎨⎪=⎩ 3. 物质属性 电磁场与电磁波虽然不能亲眼所见，但是客观存在的一种物质，因为它具有物质的 两种重要属性：能量和质量。

但电磁场与电磁波的质量极其微小，因此，通常仅研究电磁场与电磁波的能量特性。

电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传播无需依赖于任何媒质。

在没有物质存在的真空环境中，电磁场与电磁波的存在和传播会感到更加“自由”。

因此对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为“自由空间”。

当空间存在媒质时，在电磁场的作用下媒质中会发生极化与磁化现象，结果在媒质中又产生二次电场及磁场，从而改变了媒质中原先的场分布，这就是场与媒质的相互作用现象。

4. 历史的回顾与电磁场与波的应用公元前600年希腊人发现了摩擦后的琥珀能够吸引微小物体；公元前300年我国发现了磁石吸铁的现象；后来人们发现了地球磁场的存在。

1785年法国科学家库仑（1736－1806）通过实验创建了著名的库仑定律。

1820年丹麦人奥斯特（1777－1851）发现了电流产生的磁场。

同年法国科学家安培（1775－1836）计算了两个电流之间的作用力。

1831年英国科学家法拉第（1791－1867）发现电磁感应现象，创建了电磁感应定律，说明时变磁场可以产生时变电场。

北大考博辅导：北京大学空间物理学考博难度解析及经验分享根据教育部学位与研究生教育发展中心最新公布的第四轮学科评估结果可知，在2018-2019年空间物理学专业考研学校排名中，排名第一的是武汉大学，排名第二的是北京大学，排名第三的是中国科学技术大学。

作为北京大学实施国家“211工程”和“985工程”的重点学科，地球与空间科学学院的空间物理学一级学科在历次全国学科评估中均名列第二。

下面是启道考博整理的关于北京大学空间物理学考博相关内容。

一、专业介绍空间物理学是一款非常有趣的基于2D物理引擎的益智类游戏,玩家绘制出任意图形，它会神奇的变成实际物体，利用真实的物理原理将蓝色圆球击中黄色五角星即可过关。

解决谜题需要你运用带有艺术性和创造性的思维来完成,游戏非常具有艺术性，画面风格是小时候经常用的油画棒蜡笔风格，游戏背景音乐非常的悠扬动听，还有一丝神秘感！北京大学地球与空间科学学院的空间物理学在博士招生方面，划分为7个研究方向：070802 空间物理学研究方向：01. 磁层物理学、空间等离子体物理学、空间环境学02. 电离层物理学和电波传播03. 空间探测与空间环境工程04. 太阳与日球层粒子物理05. 太阳大气与太阳风物理06. 行星物理07. 空间物理探测技术此专业实行申请-考核制。

二、考试内容1、初审我院根据申请人提交的纸质申请材料，进行初审。

根据初审结果，择优确定进入考核的候选人。

2、复试各专业/二级学科招生专家组对进入复试的申请者的科学素养和专业能力等进行全面考核。

内容包括专业知识考查（笔试）与综合能力考查（面试）两个环节，对申请者的学科背景、专业素质、操作技能、思维能力、创新能力、外语水平，以及申请人分析、解决问题以及进行创新的综合能力等进行考察。

笔试分数与面试分数所占权重，由各专业/学科确定，并在网上公布。

复试时间一般在三月下旬。

（1）以专业/二级学科为单位进行专业能力笔试各专业/二级学科自行命题，并组织考试和阅卷。

电离层理论一、 电离层背景（基本结构、光化学过程、动力学和电动力学过程，及对无线电电波传 播产生的影响）二、简述赤道区电离层等离子体漂移观测特征、电离层电场产生的物理机制，及其赤道异常的影响三、简述赤道区电离层中存在的等离子体不稳定性及其可能的物理机制四、简述高纬对流电场、粒子沉降、场向电流在磁层-电离层耦合中的作用及其对高纬电离层结构和动力学的影响。

五、简述磁暴期间对电离层扰动产生明显影响的各种可能的物理机制一、 电离层背景（基本结构、光化学过程、动力学和电动力学过程，及对无线电电波传 播产生的影响）电离层基本结构电离层是由高层大气层中气体电离而形成的，其中的电子密度足以影响到无线电波的传播。

气体的电离主要依赖于太阳及其活动。

电离层的结构及峰密度（NmF2）随时间（太阳黑子周期、季节、昼夜）、地理位置（极区、极光区、中纬和赤道区）以及一些与太阳相关的电离层扰动而发生很大的变化。

电离层的电离源主要是来自太阳的（极）紫外辐射（Extreme ultraviolet radiation ）和高能粒子辐射。

对电离层产生显著影响的是地球相对于太阳的旋转，电离成分在阳侧半球增加而在夜侧半球减少。

除此之外，宇宙射线也可以影响到电离成分的分布，电离层对大气的变化极为敏感，任何大气的扰动都会影响到电离成分的重新分布。

电离层按电子密度的分布可分为四个区域： 即D 区、E 区、F 区和顶部区，这些区域可以作进一步划分，如F 区可以分为F1区和F2区等。

可以认为各层由于中性大气的某种成分吸收太阳辐射而产生，他们对入射太阳光子谱的不同部分的响应不同。

处于平衡态的电离层受到如下各种因素的联合作用：光化学过程、热力学过程、动力学过程、电磁学或电动力学过程。

其中的E 层和F1层，近似为Chapman 层，由Chapman 产生率函数和光化平衡条件决定。

在较高处的F2层，它的分布除受光化学过程外还受到诸如中性曳力和磁层过程的共同作用。