临界频率

各电离层最高频率反射波

临界频率无线电波垂直地向电离层投射时，能够从电离层各层(如E层、F层)反射回来的波各有其最高频率，分别称为各层的“临界频率”(有时也称“截止频率”)。

简介

虽然所有的无线电波都可被大气层折射，但是折射的程度却取决于电波的频率。经较强折射的电波会迅速地弯折而回到地面，但仅仅被轻微折射的电波就会穿过电离层而去，不再返回到地面。

折射作用的大小与无线电波的频率成反比。这样，低频无线电波经受较强的折射，而很高频率的电波则只受轻微的折射。但这并不意味着低频波总是被弯折而返回地面的，由于在白天，D层吸收了低频波的大部分能量，它们抵达不到E层和F层，所以也不能被折射回来。

如果逐步增高直接向上发射的无线电波的频率，当达到某一频率时，电波就会穿过大气层。发生这种情况的频率，就叫做临界频率。高于临界频率的所有电波都不能返回地面。临界频率并不总是相同的，它取决于电离层的电离程度，而电离程度又取决于白昼的时间和一年中的季节。盛夏期间的中午，临界频率是最高的。

临界频率原理

电离层会引起电磁波的折射和弯曲。在存在不同分层的等离子体中，如果电子密度增加，电磁射线将会偏离法线方向；而电子密度减少时，又会转向法线方向。与无电离层时的传输相比，电离层的存在增加了电磁波的传播路径。此外，由于电离层可以反射电磁波信号，信号也可以在水平方向的地球表面两点之间进行弯曲传播，这样就能拓展航天器的信号接收范围，反射的频率与电离层电子密度分布有关。无线电信号通过电离层的传播轨迹如图1所示。电离层临界频率定义为能垂直入射穿透电离层的电磁波的最小频率。临界频率确定的等离子体频率，对应于该区域中的最大电子密度。D区、E区、F1区和F2区等各区均有自己的临界频率。然而，我们所说的临界频率通常指所有区中最大的临界频率，即日间为F2区的临界频率，夜间为F区的临界频率。利用电离层探测仪可以测量到地球表面临界频率，其方法是：利用电离层探测仪垂直向上发射频率不断增加的电磁信号，然后测量信号的返回时间。临界频率是高度的函数，可求得对应的最大电子密度为

式中e——质子电荷，C

fpe——临界频率，HZ

me——电子质量，电子数·m-3

ε0——自由空间的介电常数，kg-3·S4·A2

电离层的临界频率设定了航天器与地面测控站之间通信传输频率的下限。

临界频率——简单层中垂直方向波的传播

大气上层是电离层这一情况说明电离源处在地球大气的外部。太阳辐射是主要的电离源，这已由实验数据证实。关于实验数据的讨论，以后将要谈到。

既然这样，就应当至少在某个高度上存在一个电子浓度和离子浓度的最大值，或简言之，存在一个电离的最大值。

事实上，太阳辐射是能量流。由于能量损耗在空气的中性分子和原子的电离上，这个能量流的强度随着射线深入大气圈而减小。但电离结果出现的自由电子和离子的浓度，不仅取决于太阳辐射的能流强度，还依赖于大气的密度。而大气的密度是随高度而减小的。因此在大气的上“界”，由于空气密度是非常之小，大气的电子和离子浓度很小，而在大气的低层，由于能够使大气气体电离的射线在几乎通过了整个大气层后能量流变得很小，所以电子和离子浓度也很小。在这两个最小电离之同的某个高度上应当存在电子和离子渡度的最大值——电离最大值。

因而，为了进行分析，我佣可以采用如图2所指出的那种电子浓度N对高度的依赖性。

此种电子浓度按高度的分布称为“层”或“简单层”。我们将在几何光学近似下，忽略电磁能在层中的吸收，即认为σ=0，来研究电波在此种“简单层”中的传播(图2)。在这种情况中电波传播的性质完全取决于折射率疗对高度的依赖性。

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