第四百零三篇 龐多拉「天毀計劃」十三

超級雙子極光雷達網研究高高度和中高度對8至20MHz頻率的相干散射。相干散射與晶體的布拉格散射類似，是由電離層密度差異造成的相增衍射散射。這個項目包括全球11個不同國家的多部雷達。

科學家還測量衛星和其它恆星的無線電波經過電離層所產生的變化。位於波多黎各的阿雷西博天文台本來就是打算用來研究地球電離層的。

電離層對電波傳播的影響與人類活動密切相關，如無線電通訊、廣播、無線電導航、雷達定位等。受電離層影響的波段從極低頻（ELF）直至甚高頻（VHF），但影響最大的是中波和短波段。電離層作為一種傳播介質使電波受折射、反射、散射並被吸收而損失部分能量於傳播介質中。3～30千赫為短波段，它是實現電離層遠距離通訊和廣播的最適當波段，在正常的電離層狀態下，它正好對應於最低可用頻率和最高可用頻率之間。但由於多徑效應，信號衰落較大；電離層暴和電離層突然騷擾，對電離層通訊和廣播可能造成嚴重影響，甚至訊號中斷。300千赫至3兆赫為中波段，廣泛用於近距離通訊和廣播。

百年前，三聲短促而且微弱的訊號，向世界宣布了無線電的誕生。一九〇一年，紮營守候在訊號山(SignalHill位於加拿大東南角)的義大利科學家馬可尼，終於接收到了從英格蘭發出的跨過大西洋的無線電訊號，這個實驗向世人證明了無線電再也不是僅限於實驗室的新奇東西，而是一種實用的通訊媒介。此後短波用作全球性的國際通訊媒介便開始發達起來了。

在地震多發區，其上空的電離層常常異常，這是由俄羅斯及日本的學者組成的研究小組通過多年對電離層電子濃度的觀測發現，得出的結論，它將對人類研究地震形成及地震前期預報提供幫助。他們分析了由原蘇聯發射的一顆衛星在五年半時間內對電離層觀測得到的相關數據和全球各地的地震發生記錄，並進行了比較。電離層擾動，就像一盆水放在地面上，即使沒有風吹，自己內部有泡泡也會導致水面不平靜，因此，跟蹤大氣電離層電子濃度的變化可預測地震的發生，能夠最大限度地減少地震帶來的人員傷亡和財產損失。比較公認的地震影響電離層的理論有兩種：一是地震區產生的內重力波對電離層的影響，二是地震區的異常垂直電場進入電離層從而引起電離層擾動。

參與共同研究工作的是日本宇宙開發事業團及俄羅斯科學院航空宇宙監測科學中心通過多年研究發現，地震前震中上空大氣電離層電子濃度發生著急劇改變。過去曾有科學家指出地震與電離層變化之間有聯繫，也有在地震發生的前後觀測到地磁波的存在和電離層的變化等相關記錄，但在關於「地面上的電磁波是不是會對電離層產生影響」這一問題，人們普遍存在懷疑。此次，科學家們將一九七七至一九七九年的記錄數據進行分析，發現包括日本在內的太平洋西部地震多發區，在這段時間內共發生了一百五十次以上的里氏五級以上大地震，而這些地區的上空電離層的電子密度也遠遠高於平常密度。而那些很少發生地震的地區，電離層的電子相對較低。

電離層中電子濃度的變化比較複雜，參與研究工作的日本專家兒玉哲哉指出，假如增加觀測電離層的衛星數量，那麼準確預報地震將不會再是一句空話。但藉助於美國的GPS和俄羅斯的「格洛納斯」全球衛星系統就可以監測電離層狀態的變化。該方法對預測短期地震很有價值，條件是大氣電離層電子濃度的變化應該是周期性測量得到的。為了周期性的觀測大氣電離層的狀態，俄研究人員使用了無線電信號，衛星釋放出的雙頻無線電信號可以被地面站接收到。在衛星定位系統雙頻信號的基礎上，科研人員研製出了計算信號參數變化的演算法，並編製了計算機程序。

2009年3月，國內首個根據大氣電離層變化來監測地震的探測試驗站在聊城地震水化試驗站建成。

研究人員指出，跟蹤大氣電離層電子濃度變化預測地震的這種方法在2004年9月16日至22日發生在俄羅斯加里寧格勒的地震事件中得到了驗證。這次地震是在同一地方以2.5小時為間隔發生的，地面衛星信號接收站距離震中在260千米到320千米之間。觀測數據表明，震前的3至5個晝夜的時間內電離層電子濃度在增長，而在震前2個晝夜的時間內電子濃度的最大值大大下降了，電離層電子濃度急劇下降只發生在震中附近，位於震中1100千米的地面設備記錄的信號沒有任何改變。因此，可以認為，電離層電子濃度的急劇下降是由於地震效應引起的，電離層的這種狀態就是要發生地震的徵兆。以往的研究結果顯示，對於5級以上的地震，在地震附近地區一般會出現電離層擾動，概率約為74.1%。

從2008年5月5日到15日，汶川以東至日本沖繩、南至海南南部地區的電離層出現明顯擾動，電離層TEC出現了明顯增加，而平時，這樣的增加很少能看到。5月9日的擾動，則是「往水中扔了一塊石頭」，後來發生大地震的所在地附近出現了大範圍的電離層參數異常增加。

由於熱運動和電磁力的作用，從某個分子逸出的電子可能與另一失去電子的陽離子碰撞而複合，也可與中性分子暫時結合而成陰離子。在電離層中，電離與複合總在不斷地進行著，但在一塊地區內，自由電子和陰離子的濃度與陽離子的濃度基本上是相同的，因而總體呈電中性。這是物質的第四態，稱為等離子體態。電離層的溫度最高不超過1000K，屬於冷而弱的等離子體。

太陽輻射的各種成分對大氣的作用不同，短紫外線和X射線使大氣電離，較長的紫外線使大氣分子分解為單個原子，更長的紫外線使O2變為O3。微粒流能引起大氣電離和升高溫度等多種作用。太陽輻射穿過大氣時，因被吸收而衰減。穿越相同的氣層，輻射的波長越短，衰減越多。因此，只有波長較長的紫外線能達到地面，大氣的成分也因吸收紫外線而隨高度改變。

研究和火箭實測表明，大約90km高度以下大氣分子量沒有明顯變動，但在高度l0～50km範圍內O3含量的百分數較大，極大值約在20～35km處。35～40km以上出現NO。90km以上O2開始分解為氧原子，在更高處N2也開始分解，在約100km以上，大氣的主要成分為O、N2和N。在約500km以上，N2和O2就都不存在了，He和H含量的百分數則逐漸增加，到2000km以上就只有這兩種原子了。

大氣分子有向外散逸的趨勢。這種趨勢與地球引力對抗的結果，大氣壓力隨高度按指數規律衰減。各種成分所含的離子數可能在某一高度上出現最大值，但因各種因素（包括地磁場）對電離層同時作用以及帶電粒子的遷移、散逸的結果，實際的離子濃度隨高度的變動並不是幾種成分理論分佈的疊加。大體上，陰離子只存在於70km（白天）或90km（夜晚）以下，其上主要是濃度基本相同的陽離子和自由電子。濃度隨高度的分佈曲線在某幾個高度上出現逗留，這些高度對於電磁波的反射起著重要的作用。各區域從下而上命名為D層（約在地面以上40～90km）、E層（約90～160km）和F層（伸展到數千公里以外）。