空间探测导课程报告
题： 磁暴电离层电子密度变化影响
院 （系）： 空学院
班 级 06xxxx
作 者 xx
时 间： xxxx年4月6日
目录
目录 2
第章 电离层相关知识 3
11电离层产生 3
12电离层形成 3
13电离层分层结构[2] 3
D层 4
E层 4
F 层 4
第二章 电离层测高仪系统组成工作原理 5
21电离层测高仪 5
22电离层频高图 5
第三章 磁暴电离层浓度影响 6
31Kp指数K指数 6
32Dst指数 7
33磁暴天电离层浓度变化 8
第四章 推测证 11
参考文献 11
第章 电离层相关知识
11电离层产生
极短紫外线 X 射线两种太阳辐射会导致电离层电离太阳辐射 X 射线着规模太阳耀斑数序增长规变化X 射线D层E层底部气电离极短紫外线非常重电离辐射产生太阳色球层包含太阳黑子群热光斑般情况源太阳极短紫外线接恒定着太阳黑子数量变化会发生月变化年变化极短紫外线辐射100 ～ 400千米高度范围氧原子氧分子氮分子吸收产生E层F1层F2层电离原太阳紫外线辐射极短紫外线辐射波长更长引起电离约 40 千米高度臭氧吸收[1]
12电离层形成
太阳极短紫外线辐射原子分子吸收时电离气层部然极短紫外线强度气层密度产生离子电子少介两者间某区域离子电子产生速度达形成电子浓度某电离层产生
13电离层分层结构[2]
Fig11电离层分层结构
电离层分层结构图11样划分历史原考虑电离层结构特性高频通信重性白天四层存着高度增长分D层E层F1层F2层F2 层高频通信重原F2层天24时存F2层高度允许长跳距通频率高电离层区域根电子浓度剖面划分层间缓慢变化稳渡层身环境独化学物理特性D层E层F1层仅仅白天存受太阳影响然F2层白天存外出现夜间电子浓度会降低F2层受太阳影响外受素影响太阳风球磁场正F2 层夜间出现高频通信关重值注意 F2 层电子浓度处仅 1空气粒子电离电离层中性分子浓度低离子电子浓度中性分子低数量级（10
幂）
D层
D层距离面电离层高度通常50 公里100公里层发生电离作元素氧化氮量氧化氮1215纳米拉曼α氢光谱线电离形成层D层距离太阳较远部电离效应弱电子浓度高频电磁波没太影响影响表现 10MHz 电磁波产生吸收效应D 层受太阳辐射影响尤明显白天厚度变尤中午时段严重干扰中波电波通信夜晚开始太阳辐射急剧降D 层厚度电子浓度降非常快趋消失
E层
D层方紧接着 E 层E 层般出现海拔 100 公里 150 公里间层电离作象氧气分子氧气分子太阳光中X射线紫外线电离层电离活动强度较电子浓度较层已开始反射10MHz电磁波更高频率10MHz 电磁波层表现作更程度表现吸收作D层样太阳辐射变化E层白天非常活跃特点高度变低夜间太阳辐射量足影响E层底层E层高度会逐渐升高D层E层会消失E 层夜间高度断升高通E层反射10MHz 通信范围会断增加
F 层
F 层电离层中高层电离层中受太阳辐射影响层层电离象单原子氧层电离活动强度非常层实现电磁波反射部分高频段电磁波够F层发生发射受太阳活动影响白天F 层通常分成两子层——F1层F2层时F2层起反射电磁波作夜晚F1 层F2层会退化统F层F层线通信说关重民短波通信军天波雷达赖F 层F层高度准确预报电离层应重范畴
14电离层测高仪参数
foF2F 区域高层寻常波界频率
foF1中纬区F1层出现夏季太阳活动高低年变化低纬区形态复杂
foE应E区分层中低厚度寻常波界频率
foEs偶发E层界频率
fmin电离图观测回波描迹低频率
hmF2抛物层h'f理曲线峰值高度
h'F整F区寻常波描迹低虚高
h'F2F区高稳定分层寻常波描迹低虚高
hpF2频率0834foF2处寻常波模式虚高
第二章 电离层测高仪系统组成工作原理
21电离层测高仪
电离层测高仪通常发射机接收机天线频率合成器显示记录器程序控制器等组成工作频率整短波波段频率范围 （05MHz ～ 30MHz）连续改变电离层测高仪进行探测时发射机高频脉振荡通天线垂直辐射计碰撞磁场影响 根阿普顿 哈特里公式（见磁离子理）电离层介质折射指数：
式中
称等离子体频率f 发射频率应电离层中某高度电子密度值N ( 单位m）fN 值利测高仪电离层某层进行探测时发射机频率f 低值逐渐增高 f＝fN 时n＝0电波N相应高度反射回点接收频率电离层反射回波测量出电波返传递时延获反射高度频率关系曲线[3]
22电离层频高图
垂直探测电离图电波垂直入射电离层反射回回波记录称频率虚高图简称频高图般说频高图进行反演电离层电子浓度高度分布反映垂直探测站空电离层状况
发射频率整短波波段范围(般 0530MHz)定频率步进连续改变通收发点接收机接收频率电离层反射回波(echo)测量回波传播时间时间推出虚高h' 着变化曲线图频高图
图21底层100km左右E层300km左右F2层曲线电子浓度剖面曲线曲线右顶点表示电子浓度处
F2层
电子浓度时
E层
Fig21 20090103 000000频高图
第三章 磁暴电离层浓度影响
31Kp指数K指数
K指数称三时磁情指数描述太阳风粒子磁层相互耦合引起面磁场非规扰动强度天世界时划分成8连续3时时间段3时时间段三时扰幅扰幅——K应关系确定K指数09分10级中三时扰幅3时时间段磁3分量（般两水分量）中扰幅（观测数减非K变化数值值差值中非K变化K变化相K变化定义3时时间段太阳风磁层耦合引起磁场非规扰动）确定(Bartels et al 1939)Kp指数台站K指数方时季节加化日常应中般Kp56称中磁暴Kp789称磁暴[4]
20160507 000020160511 1200 Kp指数变化：
图22出5月8日5月9日间Kp指数达7说明期间强烈磁暴产生
Fig22 20160507 000020160511 1200Kp指数变化[1]
32Dst指数
Dst指数：利处赤道附度间隔致均匀数磁台站时磁水强度变化均值化赤道值Ｄｓｔ指数Ｄｓｔ指数描述磁水分量（Ｈ分量）强度变化情况赤道附中低绅度区磁场受环电流影响Dst指数评估环电流变化情况磁暴期间剧烈变化磁参数中变化突出Ｈ分量磁场扰动程中磁层电流体系会发生变化变化会Dst指数造成影响Dst指数描述研究磁扰动Ｗ磁暴完整变化程[5]
中国气象局官网Dst指数值磁暴分四等级（见表11）：表11 磁暴等级划分
2016050720160511 Dst指数变化：
图23中：蓝色折线预测Dst指数红色实际观测Dst指数5月8号附Dst指数发生明显降低点值83nT磁暴等级划分应该属中等偏磁暴
Fig 23 2016050720160511 Dst指数变化[1]
20160508 800 Dst 83
33磁暴天电离层浓度变化
根前Dst指数Kp指数推测5月8号天电离层电子密度会受磁暴影响发生变化0000时0215时频高图相互较发现f2层截止频率foF28400MHz增加8700MHz说明电子密度相较前增加说明部分外电子进入电离层
20160508日频高图 URSI：JI91J station name：JICAMARCA LAT1200 LONG 28320
00：00 02：15
20160508 0000日频高图[2]
20160508 0215日频高图
03000400图中频率超11MHz说明电子密度增加非常种情况直持续久
20160508 03000400频高图
1000 图中电子减弱迹象foE2变3500MHz
20160508 10001215频高图
1215 f2层恢复原密度foF28600MHz时法高空中反射层
1430 foE2次增加10800MHz
20160508 1430频高图
16：15 推测受磁暴影响已法识频高图数种现象直持续2100
20160508 1615频高图
第四章 推测证
查阅空间环境预报中心关2016年5月份空间环境事件发现5月8号发生磁暴事件：
受冕洞高速流影响北京时间2016年5月8日0800起球磁场发生强烈扰动截止5月9日0800磁12时达磁暴水9时达中等磁暴水3时达磁暴水(Kp7)达橙色警报等级受次冕洞高速流影响太阳风速度高达720kms左右行星际磁场南分量低达12nT
次位日面中心冕洞面积较预计磁扰动会持续12天
Fig31 5月8日冕洞示意图
2016年5月8日磁暴事件
参考文献
[1] 熊年禄唐存琛李行健等 电离层物理概武汉：武汉学出版社1999
[2] 洋高频波雷达电离层高度信息获取研究哈尔滨工业学2013
[3] 赵静关电离层测高仪电磁环境测试方法研究 国家线电监测中心2015
[4] 王庚磁Kp指数现报模式全球K指数分布预报模式中国科学院学2015
[5] 彭宇翔支持量机结合远程相关性学磁暴Dst指数预报中应研究南京信息工程学2016
图片源：
[1] 中国科学院国家空间科学中心（NASS）址：httpwwwsepcaccndstModel_chnphp
[2] Digital Ionogram DataBase(DID Base)址：httpulcarumleduDIDBase
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空间探测导课程报告
题： 磁暴电离层电子密度变化影响
院 （系）： 空学院
班 级 06xxxx
作 者 xx
时 间： xxxx年4月6日
目录
目录 2
第章 电离层相关知识 3
11电离层产生 3
12电离层形成 3
13电离层分层结构[2] 3
D层 4
E层 4
F 层 4
第二章 电离层测高仪系统组成工作原理 5
21电离层测高仪 5
22电离层频高图 5
第三章 磁暴电离层浓度影响 6
31Kp指数K指数 6
32Dst指数 7
33磁暴天电离层浓度变化 8
第四章 推测证 11
参考文献 11
第章 电离层相关知识
11电离层产生
极短紫外线 X 射线两种太阳辐射会导致电离层电离太阳辐射 X 射线着规模太阳耀斑数序增长规变化X 射线D层E层底部气电离极短紫外线非常重电离辐射产生太阳色球层包含太阳黑子群热光斑般情况源太阳极短紫外线接恒定着太阳黑子数量变化会发生月变化年变化极短紫外线辐射100 ～ 400千米高度范围氧原子氧分子氮分子吸收产生E层F1层F2层电离原太阳紫外线辐射极短紫外线辐射波长更长引起电离约 40 千米高度臭氧吸收[1]
12电离层形成
太阳极短紫外线辐射原子分子吸收时电离气层部然极短紫外线强度气层密度产生离子电子少介两者间某区域离子电子产生速度达形成电子浓度某电离层产生
13电离层分层结构[2]
Fig11电离层分层结构
电离层分层结构图11样划分历史原考虑电离层结构特性高频通信重性白天四层存着高度增长分D层E层F1层F2层F2 层高频通信重原F2层天24时存F2层高度允许长跳距通频率高电离层区域根电子浓度剖面划分层间缓慢变化稳渡层身环境独化学物理特性D层E层F1层仅仅白天存受太阳影响然F2层白天存外出现夜间电子浓度会降低F2层受太阳影响外受素影响太阳风球磁场正F2 层夜间出现高频通信关重值注意 F2 层电子浓度处仅 1空气粒子电离电离层中性分子浓度低离子电子浓度中性分子低数量级（10
幂）
D层
D层距离面电离层高度通常50 公里100公里层发生电离作元素氧化氮量氧化氮1215纳米拉曼α氢光谱线电离形成层D层距离太阳较远部电离效应弱电子浓度高频电磁波没太影响影响表现 10MHz 电磁波产生吸收效应D 层受太阳辐射影响尤明显白天厚度变尤中午时段严重干扰中波电波通信夜晚开始太阳辐射急剧降D 层厚度电子浓度降非常快趋消失
E层
D层方紧接着 E 层E 层般出现海拔 100 公里 150 公里间层电离作象氧气分子氧气分子太阳光中X射线紫外线电离层电离活动强度较电子浓度较层已开始反射10MHz电磁波更高频率10MHz 电磁波层表现作更程度表现吸收作D层样太阳辐射变化E层白天非常活跃特点高度变低夜间太阳辐射量足影响E层底层E层高度会逐渐升高D层E层会消失E 层夜间高度断升高通E层反射10MHz 通信范围会断增加
F 层
F 层电离层中高层电离层中受太阳辐射影响层层电离象单原子氧层电离活动强度非常层实现电磁波反射部分高频段电磁波够F层发生发射受太阳活动影响白天F 层通常分成两子层——F1层F2层时F2层起反射电磁波作夜晚F1 层F2层会退化统F层F层线通信说关重民短波通信军天波雷达赖F 层F层高度准确预报电离层应重范畴
14电离层测高仪参数
foF2F 区域高层寻常波界频率
foF1中纬区F1层出现夏季太阳活动高低年变化低纬区形态复杂
foE应E区分层中低厚度寻常波界频率
foEs偶发E层界频率
fmin电离图观测回波描迹低频率
hmF2抛物层h'f理曲线峰值高度
h'F整F区寻常波描迹低虚高
h'F2F区高稳定分层寻常波描迹低虚高
hpF2频率0834foF2处寻常波模式虚高
第二章 电离层测高仪系统组成工作原理
21电离层测高仪
电离层测高仪通常发射机接收机天线频率合成器显示记录器程序控制器等组成工作频率整短波波段频率范围 （05MHz ～ 30MHz）连续改变电离层测高仪进行探测时发射机高频脉振荡通天线垂直辐射计碰撞磁场影响 根阿普顿 哈特里公式（见磁离子理）电离层介质折射指数：
式中
称等离子体频率f 发射频率应电离层中某高度电子密度值N ( 单位m）fN 值利测高仪电离层某层进行探测时发射机频率f 低值逐渐增高 f＝fN 时n＝0电波N相应高度反射回点接收频率电离层反射回波测量出电波返传递时延获反射高度频率关系曲线[3]
22电离层频高图
垂直探测电离图电波垂直入射电离层反射回回波记录称频率虚高图简称频高图般说频高图进行反演电离层电子浓度高度分布反映垂直探测站空电离层状况
发射频率整短波波段范围(般 0530MHz)定频率步进连续改变通收发点接收机接收频率电离层反射回波(echo)测量回波传播时间时间推出虚高h' 着变化曲线图频高图
图21底层100km左右E层300km左右F2层曲线电子浓度剖面曲线曲线右顶点表示电子浓度处
F2层
电子浓度时
E层
Fig21 20090103 000000频高图
第三章 磁暴电离层浓度影响
31Kp指数K指数
K指数称三时磁情指数描述太阳风粒子磁层相互耦合引起面磁场非规扰动强度天世界时划分成8连续3时时间段3时时间段三时扰幅扰幅——K应关系确定K指数09分10级中三时扰幅3时时间段磁3分量（般两水分量）中扰幅（观测数减非K变化数值值差值中非K变化K变化相K变化定义3时时间段太阳风磁层耦合引起磁场非规扰动）确定(Bartels et al 1939)Kp指数台站K指数方时季节加化日常应中般Kp56称中磁暴Kp789称磁暴[4]
20160507 000020160511 1200 Kp指数变化：
图22出5月8日5月9日间Kp指数达7说明期间强烈磁暴产生
Fig22 20160507 000020160511 1200Kp指数变化[1]
32Dst指数
Dst指数：利处赤道附度间隔致均匀数磁台站时磁水强度变化均值化赤道值Ｄｓｔ指数Ｄｓｔ指数描述磁水分量（Ｈ分量）强度变化情况赤道附中低绅度区磁场受环电流影响Dst指数评估环电流变化情况磁暴期间剧烈变化磁参数中变化突出Ｈ分量磁场扰动程中磁层电流体系会发生变化变化会Dst指数造成影响Dst指数描述研究磁扰动Ｗ磁暴完整变化程[5]
中国气象局官网Dst指数值磁暴分四等级（见表11）：表11 磁暴等级划分
2016050720160511 Dst指数变化：
图23中：蓝色折线预测Dst指数红色实际观测Dst指数5月8号附Dst指数发生明显降低点值83nT磁暴等级划分应该属中等偏磁暴
Fig 23 2016050720160511 Dst指数变化[1]
20160508 800 Dst 83
33磁暴天电离层浓度变化
根前Dst指数Kp指数推测5月8号天电离层电子密度会受磁暴影响发生变化0000时0215时频高图相互较发现f2层截止频率foF28400MHz增加8700MHz说明电子密度相较前增加说明部分外电子进入电离层
20160508日频高图 URSI：JI91J station name：JICAMARCA LAT1200 LONG 28320
00：00 02：15
20160508 0000日频高图[2]
20160508 0215日频高图
03000400图中频率超11MHz说明电子密度增加非常种情况直持续久
20160508 03000400频高图
1000 图中电子减弱迹象foE2变3500MHz
20160508 10001215频高图
1215 f2层恢复原密度foF28600MHz时法高空中反射层
1430 foE2次增加10800MHz
20160508 1430频高图
16：15 推测受磁暴影响已法识频高图数种现象直持续2100
20160508 1615频高图
第四章 推测证
查阅空间环境预报中心关2016年5月份空间环境事件发现5月8号发生磁暴事件：
受冕洞高速流影响北京时间2016年5月8日0800起球磁场发生强烈扰动截止5月9日0800磁12时达磁暴水9时达中等磁暴水3时达磁暴水(Kp7)达橙色警报等级受次冕洞高速流影响太阳风速度高达720kms左右行星际磁场南分量低达12nT
次位日面中心冕洞面积较预计磁扰动会持续12天
Fig31 5月8日冕洞示意图
2016年5月8日磁暴事件
参考文献
[1] 熊年禄唐存琛李行健等 电离层物理概武汉：武汉学出版社1999
[2] 洋高频波雷达电离层高度信息获取研究哈尔滨工业学2013
[3] 赵静关电离层测高仪电磁环境测试方法研究 国家线电监测中心2015
[4] 王庚磁Kp指数现报模式全球K指数分布预报模式中国科学院学2015
[5] 彭宇翔支持量机结合远程相关性学磁暴Dst指数预报中应研究南京信息工程学2016
图片源：
[1] 中国科学院国家空间科学中心（NASS）址：httpwwwsepcaccndstModel_chnphp
[2] Digital Ionogram DataBase(DID Base)址：httpulcarumleduDIDBase
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