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  近代電離層研究發展過程中,電離層探測儀是最先使用的一種觀測儀器,藉由它發現到電離層不規則體的存在。電離層探測儀像雷達一樣,是一種主動探測系統。也就是說,它不是被動地接收訊號,而是主動地發射訊號再經由電離層的反射來探測電離層的各種結構。電離層中介質的成分是一種部份游離的電漿。當電磁波在電離層中行進時,遇到不同密度的電漿,其折射指數就不同。原則上電磁波的折射指數大致滿足:

折射指數2=1-(電漿頻率/電磁波頻率)2

  也就是說,電磁波折射指數大約隨電漿頻率與電磁波頻率之比值增加而減少,其中電漿頻率又隨電漿密度增加而增加。因此,同一頻率的電磁波其折射指數會隨電漿密度增加而減少。當入射電磁波的頻率等於電漿頻率時,折射指數等於零,此時發生全反射現象。電離層探測儀利用前述的反射特性,採用掃頻方式(Sweeping)發射頻率1-20MHz的電磁波,當發射的電磁波頻率與電離層特定高度的電漿頻率相同時,發生反射現象,電磁波將自此高度返回地面,電離層探測儀天線將接收此回波。

  接收到回波信號後,電離層探測儀依照電磁波的傳播時間計算出虛高,即得出電離圖。其中虛高就是虛擬高度。假設電磁波全程在真空中以光速傳播,故將光速乘上傳播時間即得到虛高。但實際上該電磁波在反射前可能已經穿過一段非真空的電漿區,也就是密度不夠高,不足以反射該頻率電磁波的電漿區。由於電磁波在此電漿區的傳播速率不等於光速,故此電磁波真實的反射點高度(實高)將異於虛高(Ionogram)。

  若對電離圖上各項參數變化進行分析,可研究在不同緯度、日夜、季節、太陽黑子數狀態下,電離層的電漿分佈變化情形。

電離圖之範例

  上圖左方為各項電離層參數,紅色曲線代表正常波的反射點虛高,綠色曲線代表異常波的反射點虛高,黑色實線代表正常波反射點的實高,縱軸為高度,單位為公里,橫軸為發射電磁波之頻率,單位為MHz。經過實高分析(true height analysis)將反射點的虛高轉換為實高後,得出電漿密度隨實際高度變化的情況。因電離層探測儀採用全反射原理進行運作,故地面電離層探測儀的觀測範圍只限於電離層中最大電漿濃度下方的電離層。目前電離層最大電漿濃度上方的電漿密度垂直分佈通常有賴理論模式的估算,或由太空站或人造衛星向下發射電磁波來測量。

電離層探測儀特性
發射頻率範圍
1.0至20MHz
掃頻週期
15s至5min
最大觀測高度
1000km
發射峰值功率
1至10kW
頻率解析度
0.1MHz
高度解析度
1.0km
每秒發射脈波數目
50/s
發射脈波週期
30μs