活躍的高空大氣層

○呂傳彬

活躍的高空大氣層

○呂傳彬

早在1901年12月12日，美國(guó)一家報(bào)紙就以大字標(biāo)題發(fā)了一條醒目的新聞：“無(wú)線電波跨越了大西洋”。它使讀者震驚。眾所周知，無(wú)線電波和光波一樣，是以直線傳播的。而此時(shí)，無(wú)線電波怎么會(huì)從英國(guó)繞到了紐芬蘭，通過(guò)了地球弧度的四分之一的距離呢？當(dāng)時(shí)，科學(xué)家并未對(duì)此做出解釋。

后來(lái)科學(xué)家提出了一種假設(shè)，即對(duì)這件事情的一種可能解釋。他們認(rèn)為，在地球大氣層邊緣有一個(gè)“天空鏡”，無(wú)線電波就是從那里被“彈”下來(lái)返回地球的。

再后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)了電離層。電離層中充滿了氧原子和氮原子，它們吸收太陽(yáng)能以后就失去了外層電子，正是這些被釋放的電子使無(wú)線電波返回地球。這樣就發(fā)現(xiàn)了“天空鏡”。

范艾倫輻射帶

科學(xué)家在發(fā)現(xiàn)電離層后又有了新的發(fā)現(xiàn)：電離層上方的大氣層中有得以實(shí)現(xiàn)全球性通信的通路。空間的這個(gè)區(qū)域始于地球表面以上的幾百公里處，一直延伸到幾萬(wàn)公里的高空。這個(gè)地帶就是科學(xué)家所說(shuō)的范艾倫輻射帶。它的形狀如同雙環(huán)的電子回旋加速器。它和電離層一樣，帶中充滿了荷電粒子，所不同的是，范艾倫帶中的電場(chǎng)強(qiáng)度比電離層的強(qiáng)得多。

地球本身就是一個(gè)磁體，它有南極和北極，以及由地球磁場(chǎng)形成的磁層。地球的磁層不同于一般磁體的磁場(chǎng)，由于巨大的太陽(yáng)能的作用，磁層的形狀像流線型的淚滴。這就是通常所說(shuō)的太陽(yáng)風(fēng)導(dǎo)致的現(xiàn)象。

太陽(yáng)風(fēng)

太陽(yáng)不斷地放出電子、氫、氦和其他重元素的核子組成的完全電離的粒子流，并以約400公里每秒的速度將這些帶電粒子“吹”到空間，這就是太陽(yáng)風(fēng)。太陽(yáng)風(fēng)“吹過(guò)”太陽(yáng)系內(nèi)的各種物體，和它們相互作用；當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)“吹過(guò)”地球時(shí)，其中大部分的帶電粒子呼嘯而過(guò)，撞擊著地球磁層，和地球磁場(chǎng)相互作用，使磁層變成淚滴形；一部分粒子強(qiáng)行穿過(guò)地球的磁屏障，被地球漏斗形的極地強(qiáng)磁場(chǎng)的磁力線捕獲，正是陷入這里的數(shù)量巨大的太陽(yáng)風(fēng)粒子形成了范艾倫輻射帶。

雖然這些帶電粒子被禁錮在地球高空，但仍攜帶著很高的能量。只在幾秒鐘的短暫時(shí)間之內(nèi)，它們就能在地球的南極和北極之間嘯叫、閃爍、跳動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。

太陽(yáng)風(fēng)暴

有時(shí)，太陽(yáng)能量突然爆發(fā)，稱為太陽(yáng)風(fēng)暴。在強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)暴期間，太陽(yáng)風(fēng)粒子能以800公里每秒的速度向地面侵襲！這種兇猛的侵襲使磁層變?nèi)酰瑤щ娏Ｗ佑康椒栋瑐悗А倪@里，粒子噴入地球極地上空的大氣層。

在電離層中，這些高能太陽(yáng)風(fēng)粒子遇到氧原子和氮原子，激勵(lì)它們發(fā)光，而更多的情況是電引起磁層發(fā)光，綠色、白色、藍(lán)色和紅色的光條紋在極地上空飄舞，這就是極光。

這種發(fā)光現(xiàn)象是帶電粒子與電離層碰撞的結(jié)果，它對(duì)無(wú)線電波和電視信號(hào)的傳播也有影響。太陽(yáng)風(fēng)暴期間，傳播到電離層上的信號(hào)損失決定于電離層頂部的靜電干擾情況。在太陽(yáng)風(fēng)暴期間，全球性的通訊隨時(shí)能被切斷，甚至主要的軍事防御站的無(wú)線電通信也會(huì)中止。

產(chǎn)生磁暴的太陽(yáng)風(fēng)暴，很少能持續(xù)24小時(shí)以上，當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)衰減下去的時(shí)候，磁層便恢復(fù)正常。此時(shí)，太陽(yáng)風(fēng)粒子安然地懸浮在地球上空。

科學(xué)家研究了太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)無(wú)線電通信干擾的情況，提出借助地球上空的高能粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)全球性的無(wú)線電通信的設(shè)想。為此，科學(xué)家做了實(shí)驗(yàn)，他們用大功率發(fā)射機(jī)將甚低頻無(wú)線電波對(duì)著空間發(fā)射出去，其目的是想在沒(méi)有人造衛(wèi)星的幫助下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊。

天然放大器

科學(xué)家把甚低頻無(wú)線電信號(hào)發(fā)射到地球高空，結(jié)果是大部分甚低頻信號(hào)從電離層反射了回來(lái)，另一部分信號(hào)一直向上傳播，直抵范艾倫帶。實(shí)驗(yàn)證明，信號(hào)傳播得相當(dāng)遠(yuǎn)，最后沿磁層磁力線返回地球，僅在幾秒鐘的時(shí)間內(nèi)就繞了地球半周。返回的信號(hào)有時(shí)可放大一千倍，有時(shí)卻在完全沒(méi)有放大的情況下返回。

科學(xué)家利用人造衛(wèi)星對(duì)范艾倫帶中的擾動(dòng)情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)無(wú)線電信號(hào)是從范艾倫帶中的電子上獲得能量的，使信號(hào)得到了增強(qiáng)。范艾倫帶的作用好像是攜帶信號(hào)繞地球半圈的人造衛(wèi)星，同時(shí)也起到了天然放大器的作用。

無(wú)線電信號(hào)在范艾倫帶中放大并圍繞地球傳播的結(jié)論是科學(xué)家十多年來(lái)的研究成果，它揭示了甚低頻遠(yuǎn)距離通信的秘密，為尋求全球性的通信通路開(kāi)辟了道路，提供了可能。

在未來(lái)

在范艾倫帶中，甚低頻無(wú)線電信號(hào)有時(shí)放大了一千倍，有時(shí)完全不能放大，對(duì)此科學(xué)家至今還不能做出解釋。目前，科學(xué)家正在借助圍繞范艾倫帶內(nèi)側(cè)的人造衛(wèi)星發(fā)射甚低頻信號(hào)，然后由地面站接收，用以研究無(wú)線電波在范艾倫帶中的行為。

甚低頻信號(hào)傳播的距離很遠(yuǎn)，如果能使無(wú)線電波在范艾倫帶中得到放大，那么只需為數(shù)不多的發(fā)射機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)全球性的通信。這種新的通信系統(tǒng)可以不借助人造衛(wèi)星的幫助，是一種廉價(jià)而靈活的通信方式。甚低頻還適合水下通信和艦船導(dǎo)航，便于遠(yuǎn)距離的軍事聯(lián)絡(luò)。

或許，全球性的新的通信系統(tǒng)很快就會(huì)建立起來(lái)，只是在伺機(jī)使用罷了。