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電離層是什麼

No.35   1995 Dec.   p68~69,   by 鮑文謙 / BV3BR, P.O. Box2-34 Taoyuan



   火腿族之間的業餘通信範圍之所以能夠發展成為涵蓋全球,不分國界的通信活動,完全要拜科技及大自然之賜。

   在科技方面所指的當然就是「電磁波」的發現和應用,而在大自然的方面,便是指利用自然力量所產生的「電離層」,將電磁波無遠弗屆的傳遞到全世界任何角落,讓每一個火腿族成員,只要在家中,便可利用無線電將個人的訊息做無限延伸,與全球各地的同好交誼。具有如此龐大力量的嗜好,舉世少有,因此也難怪業餘無線電被稱之為「興趣之王」 (King of Hobbies)。這種能夠將無線電波,尤其是在 3MHz 到 30MHz 頻帶的短波,做反射的「電離層」,是什麼東西呢?


「電離層」反射電波

   我們都知道,地球表面上還有一層被空氣所包圍的大氣層,在大氣層外緣,也就是高層部位的氣體,經由太陽光照射後,受到紫外線等等的影響,產生分離的現象,使得電子和離子被分離出來,並且再凝聚成帶有電子和離子的層帶,便稱之為「電離層」。

   電離層可以分成 D 層、E 層、F 層等三個層次,D 層最低,約在地面的 70 公里左右的高空;E 層則大致在 100 到 120 公里之間,而 F 層則是最高,存在於 200 至 400 公里左右的空中。在這三段的電離層當中,F 層又可細分為 F1 層和 F2 層。

   一般來講,在夜間的地區,只會在高空約 250 至 300 公里的位置,形成一個 F 層。而白晝的地帶則除了形成 D 層和 E 層之外,在 200 至 250 公里的高度處則形成 F1 層,而在 350 至 400 公里的範圍,則是 F2 層。

   換句話說,在夜間的電離層,僅為 F 層,到了白晝則是產生 D、E、 F1、F2 等四個層次的電離層。

Fig 02
電離層之日夜分佈差異。

   這些不同層次的電離層;除了高度不同之外,最主要的差別在電子和離子的密度。較低的電離層密度小,較高的電離層密度大;也就是高度愈高,密度愈大。所以說 D 層的電離層密度最鬆散,而 F 層則是最為緊密結實。

Fig 01
經由電離層和地表、海面的反射,天波可在大氣層內多次跳躍反射。

   在短波,也就是 HF 的高頻通信時,電波便是藉由 F 層範圍的電離層反射。而反射的次數也不僅只限一次,電波在碰到電離層之後,反射回大地,地面再將之反射升空,如此便會多次的反射,而將電波傳到地球上任一地點,或是產生在不同的地點均可同時接收到同一個信號的現象。所以這也是 HF 頻段的通信,可以在同一時段中和各個不同地區進行 QSO,而且可遍及世界上任何一個角落的原因。

   上面所提及的各個電離層的高度,只是一個概略的數值,主要還是和太陽的位置有關,如 F 層在晝、夜所產生的變化。而季節的不同、日光照射角度的不同,也都會影響到電離層的形成條件,當然也就會使電波的反射狀況跟著變化了。


「散離 E 電離層」可遇不可求

   通常在各個電離層當中,只有 F 層反射 HF 電波,而被廣泛應用。而 VHF 和 UHF 的電波則是穿透各電離層,不被反射。可是在某些自然的條件下,E 層的電離層當中,會突然出現電子密度激增的現象,而使得 V/UHF 電波不能穿透而被反射,此時 V/UHF 的通信範圍便會增加,傳播至意想不到的 DX 距離,這就是所謂的 Sporadic E"- 「散離 E 電離層」,也可簡稱為 "Es"。

   這種 Es 現象,在夏季的白晝發生的機會較大,亦有聽說在太陽黑子活動最為繁盛的時期也頗易出現。雖是如此,這種自然現象仍是可遇不可求,更何況目前 V、UHF 擁擠混亂,即使有幸遇到 Es,不但不能好好利用,反而可能是將此間的亂象靠著「散離 E 電離層」做出 DX QRM 而不是 DX QSO。


電離層結構變化會影響不同波長的電波反射

   不論是 F 電離層或是離散 E 電離層 Es,其形成均依靠自然力量,非人力所能控制,即便是較容易形成的 F 層,也不是每天會在固定的方位或密度形成,就如同天上的白雲一般,形狀、位置千變萬化,絕不會出現兩朵相同的雲。

   因此在 HF 通信上,同樣一個頻率,在不同的時間,兩個遠距離的電台,不一定每天都能夠達成通信;而在通信的當中,信號會經常有時好時壞的現象,甚至逐漸的或是突然間信號就中斷了。遇到了這種情況,有時候改變通信頻段便可解決,例如在 21MHz 通信的當中,突然信號傳遞上發生減弱或中斷的情況時,或許轉換到 14MHz 頻段即能改善。此種現象也說明了電離層在結構上的變化,也會對不同波長的電波在反射上有所影響。


「電離層」自古已於

   「電離層」這種自然現象,自古以來即存在於自然界。馬可尼當年發明了無線電,完成人類跨海通信的壯舉,以及往後一次又一次拉長通信距離的時代裡,人們仍然尚未知曉電離層的存在。

   在初期人們只以為電波是經由一種叫「以太」 (Ether) 的東西所傳送,當時的科學家認為宇宙中充滿了這種看不見的物質,電磁波便是靠著「以太」為媒介來傳輸,而電波也是沿著地球的彎曲面行進。

   研究無線電的人們在這種模糊的觀念下,經過了好些年,才得知電波在傳遞上依波長的不同而各有其傳輸性質。而短波信號是靠著電離層的反射才能距離傳送的實情,也是在馬可尼完成 DX 通信之後,經過相當歲月才得知的。


無限的探索空間

   無線電和電離層實在是一個巧妙的結合,也許馬可尼當初也不知道世上有「電離層」。

   總而言之,無線電結合科技和自然力量造福了人類,提供便捷的通信,縮短人與人之間的距離。而利用電離層傳播的短波通信,時好壞的微妙特性,也為無線電的研究者和業餘無線電愛好者預留了無限的探索空間,當然也是火腿族樂此不疲的原因所在。 END



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