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K9LA关于传播的纯理论文章----地球、太阳和电离层 [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 0楼 发表于: 2014-04-14
— 本帖被 BA7IO 执行加亮操作(2014-04-16) —
译了几篇K9LA写的几篇关于传播的纯理论性文章,帮助我深入的了解了传播。

所有文章是K9LA在2012年 DXU的会议上做的关于传播的主题演讲的PPT拓展出来的。

不过文章是纯理论的,看起来有些乏味。有蛤蟆感兴趣的话,我就在这个帖子里不定期贴出来。

主要有 传播产生的本质--太阳和地球的影响和作用;传播的物理意义;

考量传播--SFI,SN,A,K指数的意义及各指数间的相关性;电离层的构成;电离层的结构;测量电离层;噪声等几篇。

这些文章澄清了一些目前广泛流传的传播知识中存在的一些谬误,

比如:电离层真的是分层么,晚上D和E完全消失了么,MUF值、SSN值是某天的真实值么,

各个波段的单跳距离是一样的么,接收到的HF信号是衰减后的那“一束”发射信号么等等。

贴出的话,希望也能得到其它同好者的指正。
[ 此帖被BA7IO在2014-04-15 00:20重新编辑 ]
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只看该作者 1楼 发表于: 2014-04-14
功德无量!静候高见!
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只看该作者 2楼 发表于: 2014-04-14

地球、太阳和电离层
太阳在核聚变的过程中,产生电磁辐射并喷射出太阳物质。100-1000埃波长(紫外线)的电磁辐射电离地球电离层的F层;10-100埃波长(软X光)的电磁辐射电离E层;1-10埃波长(硬X光)的电磁辐射电离D层。太阳定期喷射太阳物质,其中含有由电子和质子组成的带电粒子。太阳物质构成了太阳风,处于稳定期的太阳,其刮向地球的太阳风平均速度可以达到400公里每秒。
太阳风会对地球磁场产生显著影响。在太阳风的影响下,地球磁场并不是简单的磁棒磁场。面向太阳一面的地球磁场受到压缩;背对太阳风的一面的地球磁场受到拉伸,生成磁尾,磁尾长度可以达到10多倍地球半径。电磁辐射对处于白天中的整个电离层构成影响;太阳喷射的构成太阳物质的带电粒子,则沿着地球磁力线进入电离层。它只对磁力线进入地球时所处的高纬度地区的电离层构成影响。
此外,太阳的电磁辐射会电离大气中的原子,使原子中的电子逃逸并沿着地球磁力线以电子的旋转频率做螺旋运动。因此地球磁场在无线电传播中起着非常重要的作用。

太阳黑子指的是有紫外线辐射的太阳表面区域,它和地球电离层的F层电离程度有关系。太阳黑子数目,如果按天统计的话,变化非常大;即使统计每月的太阳黑子平均值,其数值仍然变化很大。因此我们需要一个更大时间跨度,或者更平滑的太阳黑子平均值,用以测量记录。这就是SSNsmoothed sunspot numberSSN的计算,是把测量的时间点的前6个月和后6个月,共13个月每个月的平均太阳黑字数做平均。由于SSN是一段时间跨度的平滑平均值,因此官方的本月SSN值都会在6个月后发布。使用SSN数值统计的缺陷是可能会掩盖那些短期内会加强传播的异常太阳活动。
太阳黑子活动的周期大约为11年,每个周期内,黑子活动的加强期通常比衰减期要短,即加强期为4-5年,衰减期为6-7年。处于或接近太阳活动高峰期时,不断增加的太阳黑子数,带来更多的影响地球大气层的紫外线辐射。更多的紫外线辐射使得F层电离程度加剧,进而导致F层可以折射更高频率返回地球进行DX通联,这些频率包括15米,12米,10米以及6米。处于或接近太阳活动低谷期时,太阳黑子数量很少以至于高波段频率直接穿越电离层。和太阳低谷期对应的是更稳定的电离层和更少的电离层吸收,此时最适合低波段传播,包括160米和80米。因此,概括来说,SSN值高的话,适合高波段传播;而SSN值较低的话,则适合低波段传播。
经常给传播带来干扰的是太阳耀斑和日冕大爆发(CME)。影响传播的太阳耀斑被称作X射线耀斑,这是因为它们的波长在1-8埃的范围内。X射线耀斑分为3个级别:C,最小;M,中等;X,最大。C级别的耀斑通常对传播没什么影响,而MX级别的耀斑则对传播有个持续的不利影响。
一个1-8埃波长范围的X级耀斑,其电磁辐射会导致地球日照面的传播消失,原因是其增加了电离层的D层吸收。此外X级耀斑会释放高能质子,这些高能质子在地球磁场的作用下被引致极地冰盖上方。这就导致了两极地区冰盖吸收现象,实质是极地两端上空的D层吸收加剧。
日冕大爆发是太阳物质的大规模喷发,它会导致太阳风速度的迅速升高,此时太阳风像冲击波一样撞向地球。当这个冲击波袭击地球时,如果此时的太阳磁场极性是向南的话,太阳磁场耦合入地球磁场,从而导致地球磁场的剧烈动荡,进而导致我们看到的A指数和K指数增加。
这种地球磁场的变化,除了会带来极光活动,还会导致螺旋绕着地球磁力线的电子脱离磁力线,进入地球磁尾。随着电子的流失,最大可用频率(MUF)降低。直到地球磁场恢复正常,电离活动补偿流失的电子后,最大可用频率才会恢复。多数情况下,增加的A指数和K指数,会带来MUF的降低。AK指数增加时,MUF偶尔会在低纬度地区增加(导致这一现象的实质比较复杂)。
太阳耀斑和日冕大爆发是相关联的。但是,它们可能会一起出现,也可能会单独出现,科学家还在研究他们之间的关系。但是可以确定的是,大型耀斑发出的以光速传播的电磁辐射,会导致地球向阳面的无线电通讯在耀斑爆发后10分钟内短期中断。此外,耀斑喷发的高能粒子要花费数小时才能到达地球,日冕大爆发的冲击波则需花费数天才能到达地球,因此我们有时间对它们带来的干扰进行预警。(这是因为耀斑的传播是以光速传播,即3X10^8m/S;而日冕爆发导致的太阳物质传播的速度是1000致数千KM/H)
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只看该作者 3楼 发表于: 2014-04-14
楼主好人,功德无量呀
BD3MV 李志刚 信箱:BD3MV@163.COM   QQ号919401826
QTH:河北宣化318信箱075100     CSKC号是046   三进宫后与2014年在天津考取C本,从1994年开始玩业余无线电至今,取得DXCC100CW和SSB混合奖不容易呀
宣化位于北京西偏北170公里,京包铁路、京藏高速都路过这里。
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只看该作者 4楼 发表于: 2014-04-14
支持楼主,学习学习!
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CSKC:099
地址:山后北清路一路向西
QQ:八1零4零5九8
邮箱:我的呼号@163.com
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只看该作者 5楼 发表于: 2014-04-14
楼主功德无量,K9LA在传播上方面的文章非常经典,虽然读起来枯燥,但对真正想理解传播的ham来讲是非常实用的。另外NM7M的小手 枪那本书也值得一看,不过更加晦涩一点。
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只看该作者 6楼 发表于: 2014-04-14
学习传播理论,解析由来,,,SRC,加油!
海滨小城(威海)欢迎你!
QSL:山东省威海市59#信箱
威海HAM基地(高区东涝台); Y3C11  R8   X510
山东威海  IOTA  AS146 (刘公岛 鸡鸣岛 褚岛 海驴岛)  
2013 IOTA AS-146 鸡鸣岛暨IOTA CONTEST  圆满完成10245个QSO
2013年全国业余无线电应急通信演练赛(江苏灌云) 荣获一等奖(银奖)
手机; 妖巴零零流散零漆巴散舞(微信同号/或扫左侧头像二维码)    
设备;TS590S     IC7000
天线;G8(BG5FCH)   斜拉1/4 3兆天线  瑞雪RX456+1/4 斜拉10米线
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只看该作者 7楼 发表于: 2014-04-14
回 BA4ALC 的帖子
BA4ALC:楼主功德无量,K9LA在传播上方面的文章非常经典,虽然读起来枯燥,但对真正想理解传播的ham来讲是非常实用的。另外NM7M的小手 枪那本书也值得一看,不过更加晦涩一点。 (2014-04-14 22:30) 

谢谢ALC大大。

K9LA对NM7M也崇拜有加,K9LA在他的个人网站上还列出了NM7M对传播的主要贡献。


小手枪一书出版于1996年3月,这本书也是很多蛤蟆深入了解传播的“圣经”,已不再版。

让人感动的是在NM7M去世后,其子女授权K9LA贴出他的小手枪一文在网上传播。

K9LA的文章的中译和使用,得到了K9LA的完全授权。

也希望同好们尊重原作者的要求,不要用于商业用途。

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只看该作者 8楼 发表于: 2014-04-14
院长把精华取消了,


过两天继续贴,一直贴到给精华。
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只看该作者 9楼 发表于: 2014-04-14
回 BA4ALC 的帖子
BA4ALC:楼主功德无量,K9LA在传播上方面的文章非常经典,虽然读起来枯燥,但对真正想理解传播的ham来讲是非常实用的。另外NM7M的小手 枪那本书也值得一看,不过更加晦涩一点。 (2014-04-14 22:30) 

谢谢ALC大大

K9LA对NM7M 也崇拜有加,专门写文章记述他对“传播”知识的贡献。

http://www.k9la.us/NM7M_Contributions_to_Propagation.pdf


LP一书,是蛤蟆们学习传播的“圣经”,K9LA也极力推荐这本书。

NM7M其他的著作也受到他的推崇和推荐。

让人感动的是,NM7M去世多年后,其子女授权K9LA在其个人网站上刊提供P一书及其它书籍的电子版下载,完全免费。

K9LA和NM7M一样,为传播 写了很多文章,而且文章中都是有实际的观测数据和实际通联的数据支撑和分析的。

这些文章的中译和使用,已经得到K9LA的授权。希望同好们尊重原作者,不要将相关文章用于商业用途。

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只看该作者 10楼 发表于: 2014-04-14
前排留名。。。。。。
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只看该作者 11楼 发表于: 2014-04-15
回 BH4SRC 的帖子
BH4SRC:院长把精华取消了,[表情] [表情] [表情] [表情]
过两天继续贴,一直贴到给精华。 (2014-04-14 23:05) 

冤枉啊,我明明加了精华的啊。。。

你不停地贴,我就不停地射!看这个,比看《金瓶梅》有意思多了!
[ 此帖被BA7IO在2014-04-15 00:18重新编辑 ]
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只看该作者 12楼 发表于: 2014-04-15
虽然夜深,还是要仔细拜读,期待下一集

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只看该作者 13楼 发表于: 2014-04-15
了解不多

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只看该作者 14楼 发表于: 2014-04-15
学习中,感谢楼主,期待下一季。
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只看该作者 15楼 发表于: 2014-04-15
敬佩楼主实力,感谢楼主分享,期待下文!

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只看该作者 16楼 发表于: 2014-04-15
K指数和A指数的由来
K指数和A指数是两个已知参数,用于预测高纬度电离层对传播的影响(美国国家标准和技术院电台WWV每个整点后18分钟会播报这两个指数的值)。下面我们就来深入研究下K指数和A指数,以便更好的理解这两个传播参数。

我们先从K指数说起,K指数是地球磁场相对平静状况下3小时的磁场变化值。K指数的值用磁力计测量,单位是毫微特斯拉(nT)。表一给出了nT和在中纬度地区博尔德台站用磁力计测量的K指数值之间的对应关系。


如果我们用nT对应范围的中值给nT和K指数值画一条对应关系图,则可以得到如图一所示的图

需要注意的是nT的值以对数比例表示的,画出的曲线是一条近似的直线。但是由于其并不是一条直线,因此我们认为K指数值具有准对数性。

在谈论下个话提前,注意下这个说明。就是每个测量台都有自己的nT和K指数值的缩放比例。这么做是为了让每个测量台K指数值能够表示相同的程度的磁场扰动。对于某个给定的扰动,地球磁场的变化在高纬度地区的变化值最大。因此位于阿拉斯加的学院台测量的K指数值为9时,对应的磁场变化值要大于2500nT;而位于低纬度地区苏门答腊的凯珀台测到的K指数值为9时,其对应的磁场变化值则为略大于300nT。这两个值的大小可以和位于中纬度地区博尔德台测得K指数值为9时对应的磁场变化值做比较,见表一。

下面我们来看看磁力计的记录值,也叫做磁强记录图,看看K指数值是如何确定的。图2是博尔德台2003年4月16日的磁强记录图的快照。(感谢美国国家大洋和气候管理局空间环境中心的克里斯托弗.鲍尔奇博士提供)。
图中上部的实线表示的是磁场的H分量,即磁场水平矢量成分的变化。实线下方的点线表示的是地球磁场平静时的H成分典型值图。图中下部的实线表示的是磁场的D分量,即磁场的磁偏角值的变化。和这条实线几乎重复的点线,表示的是地球磁场平静时的D分量值典型图。
计算任意一个3小时时间段的K值,首先要找出该时间段对应的于地球磁场平静时曲线的H分量和D分量的最大正偏离和负偏离值。然后每个分量的最大偏离值被相加计算出各个分量的最大扰动值。具有最大扰动值得分量决定该时间段的K值。以图2中的1200-1500UTC时间段举例来说,D分量相对于平静日曲线具有最大偏离值,只要把平静日典型值图的H分量值和实际值图叠加就能看出,H分量的变化值没有D分量的变化值大。
1350UTC时间点的D分量正偏离值是35nT,而1440UTC时间点的最大负偏离值是-10nT。因此最大扰动值是35nT-(-10nT)=45nT。查询表一得知,该3小时时间段的K指数值是4,这就是博尔德台播报的K指数值。使用同样的方法,可以得出其它7个3小时时间段的K指数值。需要注意的是磁强图测量的是和地球磁场平静典型值之间的偏离值,而不是磁强的实际绝对值。
至此,我们得出了一天中的8个K指数值,并计算了出一天的平均值。由于K指数值具有对数特性,数学上我们不能把8个K指数值相加后除以8得到一天的平均值。为了计算平均值,我们需要具有线性特点的指数值。此时A指数来了。
表二列出了K指数和a指数的对应关系(小a指数对应着某个3小时时段的值,大A则指的是每天的平均值) 此时,我们再画一条nT值和a值得对应关系图,可以得到图3需要注意的是,此时的nT值和a值是通过线性表述画出的图,因此画出的曲线是一条直线。也就是说3小时时间段的a指数值(对应的A值)是线性的值。 现在我们可以简单的相加3小时时间段的a指数值,然后除以8得到日平均值---A指数值。把这个方法应用于全球各地的台站,得到日平均行星A指数值,Ap。基于同样的办法,用全球各地台站的数据也可以算出3小时时间段行星K指数值,Kp。 好了,至此我们知道了K指数值和A指数值的由来,它们又是如何和HF和VHF频段的传播状况联系起来的呢?通常来说,当K指数和A指数变高时:1. 高纬度地区的E层电离加剧(VHF爱好者喜欢这个状况)
2. 极光椭圆区或其附近区域D层吸收增加(不利于传播)
3. 位于中纬度和高纬度地区的F层电离通常会减弱(不利于传播)
4. 根据踢球磁暴形成方式不同,有时低纬度和中纬度地区的F层电离会增加。(有利于传播) 在某个特定的传播路径上,上述几种情况发生的程度是很难确定的。这要依赖于地球磁暴自身、传播路径所处的地磁纬度、太阳活动的程度、季节以及传播路径所处的时间节点。W6ELProp和ICEPAC传播预测软件都可以通过输入K指数值对某个活跃的地磁活动的影响进行广泛的评估。 最后一个需要提及的“问题”是,K指数、a指数及A指数都是通过测量到E层的高度的电波得出的,也就是这些参数并不能给出F层高度的任何预测。此外,由于A指数值是8个K指数值的平均值,当8个3小时段a指数值中的1个或者2个出现峰值时,那么日平均A指数值可能不会反映出来,尽管峰值已经对当时的电离层构成影响。大家可以看A指数值预测传播,但是它不能对短期事件的影响进行预测。这个“问题”曾在2002年的CQ WPX CW比赛中的10米波段发生过,具体详情请参阅CQ杂志2003年3月刊。 就这些了,至此你应该已经完全理解了K指数和A指数的由来。
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