电离层对LOFAR的影响


甚高频(VHF)频带是指 30 MHz 到 300 MHz 的无线电电波,高频(HF)频带是指 3 MHz 至 30 MHz 的无线电电波。电离层通常不会反射VHF的信号。但HF频带的无线电波可以通过大气中的电离层层回到地球。

电离层是地球大气层中受到太阳辐射电离的部分,通常位于距地表约50公里以上的区域。电离层的电离过程主要受到太阳活动的影响。在这一过程中,太阳光照射到大气分子时,将其电离,产生自由电子和离子。电离层中的离子和自由电子之间存在一个平衡,离子会重新捕获自由电子以维持这种平衡。

电离层的电离程度主要受太阳辐射的影响,尤其是太阳活动的强弱。因此,电离层的状态会随昼夜变化而发生变化,白天太阳辐射较强,电离程度较高,而晚上太阳辐射消失,电离度较低。此外,季节变化也会对电离层产生影响,冬季由于太阳光的入射角度较低,地面接收到的辐射较少,导致电离层的电离程度较低。

如图Figure 3所示,电离层按距离地面的高度从低向高大致可分为D,E, F层(F层有时也可细分为F1和F2层)。

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https://www.spaceweatherlive.com/en/archive/2024/05/11/xray.html

D层是电离层最低的一层,离地球表面50至100公里。10 MHz 以下的电波会被D层吸收,但在强烈的太阳X射线活动期间,吸收频率范围可以扩展到 20 MHz 或 30 MHz,随着电波频率的增高这个吸收率下降。夜间这个吸收率最低,中午最高。日落后这个层减弱非常大。D层的吸收会阻止更高层(如 E 层和 F 层)对信号的反射。因为信号在进入更高层之前已经被 D 层吸收,所以无线电信号无法在电离层的高层之间进行“弹跳反射”。

下图为LOFAR站点记录的beamlet statitsctic数据,站点beam指向Cas A。如图所示,由于D层对对10 MHz以下电磁波的吸收,导致 7 MHz以下几乎没有信号。同时由于电离层E,F层对3至30 MHz的地表无线电波的反射,导致噪声的20MHz左右存在较大干扰。

Figure 2: LOFAR的beamlet观测结果

但是,注意到Figure 3 图中11:30和15:30左右的红色圈中所示,噪声明显降低。这主要是由于太阳活动造成的。由于太阳的距离活动,导致D层的对30MHz以下电磁波的吸收增强,从而LOFAR在此波段接收不到噪声信号。下图Figure 3所示的太阳活动强度,对应了我们的观测结果。

Figure 3: 2024-05-11当天的太阳活动历史

Author: Jun Wang
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