前方高能——日全食带来的辐射

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发布于2023-07-18

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当地时间8月21日美国将经历一次自西向东的日全食过程，本来是一次很正常的现象。而这样的过程带来的影响，也许并不是我们能认识到的。人们将电离层划分成D、E、F3层，而F层又被细分成F1和F2两层。各层都有其不同作用。比如D层影响着中波电台信号的传播，在白天和黑夜接收效果明显不同。而高层则对于GPS和一些通信有重要意义。人们在大量实测数据的基础上，用较简单的数学模式描述电离层形态和结构，以便在无线电通信和宇宙航行等工程设计中应用。研究最多的是对无线电波传播有直接影响的电子密度模式。下图则清晰的示意出了日食情况对美国本土电离层的辐射。

8月21日，日全食过程中将有效关闭电离层高能量辐射源，电离层距离地面50-400英里。图中是日食和月球阴影路径，不同色彩阐明了日食现象如何影响日射量。

美国宇航局指出，基于太阳辐射吸收的波长，电离层将分成3个不同的区域，它们分别被命名为D、E和F层，D层是最低电离层，F层是最高电离层。

美国宇航局解释称，电离层是地球大气层的一个带电层，它处于不断变化之中，基于太阳活动性和太空气候，电离层会出现增大或者缩小，这一变化过程将导致通讯和导航信息中断。

当8月21日月球掠过太阳前方形成日全食时，白天将瞬间变成黑夜，之后再恢复白天的光线条件。

当8月21日月球掠过太阳前方形成日全食时，白天将瞬间变成黑夜，之后再恢复白天的光线条件。目前，美国宇航局指出，日全食过程中将有效关闭电离层高能量辐射源，电离层距离地面50-400英里。

电离层响应太阳活动性，能够持续发生变化，即将到来的日全食将给科学家提供一个前所未有的机会，研究电离层的变化机制。美国宇航局解释称，电离层是地球大气层中的带电层，它处于不断变化之中，基于太阳活动性和太空气候，电离层会出现增大或者缩小，这一变化过程将导致通讯和导航信息中断。

美国宇航局支持的3支研究小组将调查电离层，发现太阳在该活动中的重要角色。美国科罗拉多大学波德分校太空科学家鲍勃马歇尔（Bob Marshall）说：日食现象关闭了电离层的高能量辐射源，没有电离辐射，电离层将变得松懈，从白天状态转变成夜晚状态，日食现象结束后再恢复正常。

人们在日食现象中将看到太阳短暂地被月球遮盖，阻挡了照射电离层的辐射。在这段时间里，研究人员能够确定阻挡了多少辐射，以及这个区域延伸程度，并持续了多长时间。

另一项研究负责人美国弗吉尼亚理工学院电子和计算机工程师格雷格厄尔（Greg Earle）说：在我们有生之年，这是看到最完美的一次日全食现象，但是现在的人造卫星、GPS和无线通信网络比以前更加密集，它们会遭受一定的影响。

这是我们首次掌握如此大量信息研究日食现象，研究小组将使用自动通信或者导航信息，跟踪电离层的特征变化。美国宇航局指出，在正常的白天-夜晚循环中，带电大气粒子浓度盈亏将随着太阳活动而发生变化。

目前，科学家最新测量提供了太阳照射光线和电离层响应最新信息数据，有助于更好地理解它们之间的交互性。第三支研究小组首席调查员美国麻省理工学院海斯塔克天文台太空科学家菲尔埃里克森（Phil Erickson）说：与可见光线相对比，太阳超紫外线辐射具有较高的变化性，这将形成电离层气候中的可变性，由于地球存在较强的磁场，带电粒子同时影响地球上所有的磁场线，所有这一切意味着电离层非常复杂。

厄尔说：在白天电离层等离子体密度很大，日落之后太阳产生的等离子体逐渐减少，带电粒子将在夜晚逐渐重新结合，密度逐渐下降。在日食现象期间，我们认为这一过程的时间间隔会更加短暂。

当带电粒子（等离子体）浓度增大时，当信号从发射器抵达接收器时，信号很可能会发生碰撞，这将改变信号传播的路径。在日食现象期间，专家认为信号会增强，因为大气层和电离层吸收较少的传输能量。马歇尔说：如果我们在某处设置一个接收器，该位置的测量将提供发射器和接收器之间部分电离层的信息。

我们使用接收器监控该信息的相位和振幅，当信号上下波动时，这完全是由电离层的变化所形成的。研究人员将沿着日全食观测路径往返传输电磁信号，日全食观测路径从俄勒冈州海岸一直延伸至南卡罗来纳州海岸。

通过这项观测，他们将采集日食前后的数据信息，便于将日食响应与基线数据进行对比。美国宇航局指出，基于已吸收太阳辐射的波长，电离层分离成3个独特区域。它们分别被命名为D、E和F层，D层是最低电离层，F层是最高电离层，研究人员将对它们进行深入研究。

马歇尔说：电离层密度较低，但这并不意味着它不重要。D电离层对于军事、海军和工程部门操作的通信系统具有潜在影响，我们可能看到全球范围产生的影响，地球磁场就像连接两个不同半球的连线，每当一个半球发生电离变化，另一个半球也将出现类似的状况。

厄尔带领的研究小组在美国各地放置测量电离层高度和密度的仪器，仪器分别放置在俄勒冈州本德市、堪萨斯州霍尔顿市、南卡罗来纳州Shaw空军基地。

厄尔说：他们将结合来自全国范围内GPS网络的测量数据，以及逆向灯塔网络观测的信号。我们正在研究F电离层底部，分析日食期间电离层发生怎样的变化，这是电离层的一部分，信号传播的变化将非常强烈。这项研究工作可能有助于缓解无线电信号干扰。

同时，通过这项研究将有助于更好地理解电离层。埃里克森说：过去几年里，其他研究人员对日食现象进行了深入研究分析，伴随着采用更多的仪器设备，我们将逐渐增强测量电离层的能力，它通常会揭晓我们从未提及的谜团。

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