電離層是地球大氣層被太陽射線電離的部分，它是地球磁層的內(nèi)界。由于它影響到高頻電波的傳播，它有非常重要的實際意義。

地球物理

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地球大氣層最下面的一層是對流層，它從地面延伸到約10千米的高處。10千米以上為平流層，再向上為中間層。在中間層里入射的陽光形成臭氧層。在約80千米以上的熱成層大氣已經(jīng)非常稀薄，在這里陽光中的紫外線和X射線可以使得空氣分子電離，自由的電子在與正電荷的離子合并前可以短暫地自由活動，這樣在這個高度造成一個等離子體。在這里自由電子的數(shù)量足以影響電波的傳播。

在電離層中陽光電離大氣分子與離子重新捕獲自由電子的過程平衡。一般來說高度越高，大氣約稀薄，則電離過程約占上風(fēng)。不過電離層的特性還隨許多其它因素影響。

電離過程的主力是太陽及其活動。電離層內(nèi)電離度主要由獲得的太陽輻射所影響。因此電離層隨周日和季節(jié)（冬季半球遠(yuǎn)離太陽，因此受到的輻射比較少）而變化。太陽活動主要隨太陽黑子周期而變化。一般來說太陽表面黑子越多，太陽活動越強(qiáng)烈。除此以外隨地球表面緯度的不同當(dāng)?shù)厥艿降奶栞椛鋸?qiáng)度也不同。耀斑和太陽風(fēng)中的帶電粒子可以與地球磁場相互作用，導(dǎo)致對電離層的擾亂。

分層

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太陽輻射對不同高度不同成分的空氣分子電離造成電離層不同的分層：

D層

D層是電離層最低的一層，離地球表面50至90千米。這里主要是波長為121.5納米的賴曼-α氫光譜線的光電離一氧化氮。在太陽活動非常強(qiáng)烈時（超過50個黑子），硬X射線還可以電離空氣中的氮?dú)夂脱鯕獾姆肿印Ｒ归g宇宙射線造成一個剩余電離。這個層里離子對自由電子的捕獲率比較高，因此電離效應(yīng)比較低，因此它對高頻無線電波沒有影響。日間這里自由電子與其它粒子的碰撞率約為每秒1000萬次。10MHz以下的電波會被D層吸收，隨著電波頻率的增高這個吸收率下降。夜間這個吸收率最低，中午最高。日落后這個層減弱非常大。D層最明顯的效應(yīng)是白天遠(yuǎn)處的中波電臺收不到。

E層

E層是中層，在地面上90至120千米。這里的電離主要是軟X射線和遠(yuǎn)紫外線對氧氣分子的電離。這個層只能反射頻率低于10MHz的電波，對頻率高于10MHz的電波它有吸收的作用。E層的垂直結(jié)構(gòu)主要由電離和捕獲作用所決定。夜間E層開始消失，因為造成電離的輻射消失了，由于捕獲在低處比較強(qiáng)，因此其高度開始上升。高空周日變化的風(fēng)對E層也有一定影響。隨著夜間E層的升高，電波可以被反射到更加遠(yuǎn)的地方。

ES層

ES層也被稱為偶現(xiàn)E層。它是小的、強(qiáng)烈電離的云，它可以反射頻率在25至225MHz之間的電波。偶現(xiàn)E層可以持續(xù)數(shù)分鐘到數(shù)小時不等，其形成原因可能有多種，而且還在研究中。夏季偶現(xiàn)E層出現(xiàn)得比較多，持續(xù)時間一般也比冬季長。電波的反射距離一般為1000千米左右。

F層

F層離地面120至400千米。在這里太陽輻射中的強(qiáng)紫外線（波長10至100納米）電離單原子氧。F層對于電波傳播來說是最重要的層。夜間F層合并為一個層，白天分為F1和F2兩個層。大多數(shù)無線電波天波傳送是F層形成的。在白天F層是電離層反射率最高的層。

異常

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實際上電離層不象上面所敘述的那樣由規(guī)則的、平滑的層組成。實際上的電離層由塊狀的、云一般的、不規(guī)則的電離的團(tuán)或者層組成。

冬季異常

夏季由于陽光直射中緯度地區(qū)的F2層在白天電離度加高，但是由于季節(jié)性氣流的影響夏季這里的分子對單原子的比例也增高，造成離子捕獲率的增高。這個捕獲率的增高甚至強(qiáng)于電離度的增高。因此造成夏季F2層反而比冬季低。這個現(xiàn)象被稱為冬季異常。在北半球冬季異常每年都出現(xiàn)，在南半球在太陽活動低的年度里沒有冬季異常。

赤道異常

在地球磁赤道左右約±20度之間F2層形成一個電離度高的溝，這個現(xiàn)象被稱為赤道異常。其形成原因如下：在赤道附近地球磁場幾乎水平。由于陽光的加熱和潮汐作用電離層下層的等離子上移，穿越地球磁場線。這在E層形成一個電流，它與水平的磁場線的相互作用導(dǎo)致磁赤道附近±20度之間F層的電離度加強(qiáng)。

擾亂

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X射線：突發(fā)電離層騷擾

太陽活躍時期強(qiáng)烈的耀斑發(fā)生時硬X射線會射擊到地球。這些射線可以一直穿透到D層，在這里迅速導(dǎo)致大量自由電子，這些電子吸收高頻（3-30MHz）電波，導(dǎo)致無線電中斷。與此同時及低頻（3-30kHz）會被D層（而不是被E層）反射（一般D層吸收這些信號）。X射線結(jié)束后D層電子迅速被捕獲，無線電中斷很快就會結(jié)束，信號恢復(fù)。

質(zhì)子：極冠吸收

耀斑同時也釋放高能質(zhì)子。這些質(zhì)子在耀斑爆發(fā)后15分鐘至2小時內(nèi)到達(dá)地球。這些質(zhì)子沿地球磁場線螺旋在磁極附近撞擊地球大氣層，提高D層和E層的電離。極冠吸收可以持續(xù)一小時至數(shù)日，平均持續(xù)24至36小時。

地磁風(fēng)暴

地磁風(fēng)暴是地球磁場暫時的、劇烈的騷擾。

地磁風(fēng)暴時F2層非常不穩(wěn)定，會分裂甚至完全消失。

在極地附近會有極光產(chǎn)生。

無線電應(yīng)用

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電離層被用來反射和傳送高頻無線電信號。反射后的信號回到地球表面，可以再次被反射到電離層。

電波可以使得電離層里的自由電子以同樣的頻率振蕩。假如此時自由電子被捕獲的話電波中的部分能量消失。假如電離層里自由電子的碰撞頻率小于電波頻率，而且自由電子密度足夠高的話可以產(chǎn)生全發(fā)射。

假如電波頻率高于電離層內(nèi)的等離子頻率的話，則電子運(yùn)動不夠快來反射電波。在一個臨界頻率以下電離層可以垂直反射電波：

f{critical} = 9 \times 10^{-3} \sqrt{N}

N是每立方厘米電子密度，fcritical是頻率（單位為MHz）。

最高可用頻率是在一定時間里可以在兩點(diǎn)之間傳送信號的頻率上限。

f{muf} = \frac{f{critical}}{ \sin{(I)}}

I是波與水平線之間的角度。

截止頻率以下的電波無法在一定角度下穿透電離層。

其它應(yīng)用

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有人建議使用電離層來從地球磁場里獲取能量。目前有對這個建議的可行性的研究。

測量

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電離層圖

電離層圖顯示使用電離層探測儀測量的電離層層次的高度及其臨界頻率。電離層探測儀垂直向電離層發(fā)送一系列頻率（一般從0.1至30MHz）。隨頻率增高，信號在被發(fā)射前可以穿透更高的層。最后頻率高到不再被反射。

太陽流

太陽流是使用加拿大渥太華的一臺射電望遠(yuǎn)鏡測量的太陽輻射在2800MHz頻率的強(qiáng)度。測量結(jié)果證明這個強(qiáng)度與太陽黑子活動相稱。不過導(dǎo)致地球大氣上層電離的主要是太陽的紫外線和X射線。目前地球靜止業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星可以測量太陽的X射線流。這個數(shù)據(jù)與電離層的電離度更加相應(yīng)。

研究項目

科學(xué)家使用不同手段研究電離層的結(jié)構(gòu)，包括被動觀測電離層產(chǎn)生的光學(xué)和無線電信號，研究不同的射電望遠(yuǎn)鏡被反射的信號，以及被反射的信號與原信號之間的差別。

1993年開始的為期20年的高頻活動極光研究計劃以及類似的項目研究使用高能無線電發(fā)射機(jī)來改變電離層的特性。這些研究集中于研究電離層等離子體的特性來更好地理解電離層，以及利用它來提高民用和軍事的通訊和遙測系統(tǒng)。

超級雙子極光雷達(dá)網(wǎng)研究高高度和中高度對8至20MHz頻率的相干散射。相干散射與晶體的布拉格散射類似，是由電離層密度差異造成的相增衍射散射。這個項目包括全球11個不同國家的多部雷達(dá)。

科學(xué)家還測量衛(wèi)星和其它恒星的無線電波經(jīng)過電離層所產(chǎn)生的變化。位于波多黎各的阿雷西博天文臺本來就是打算用來研究地球電離層的

電離層的形成

地球高層大氣的分子和原子，在太陽紫外線、Χ射線和高能粒子的作用下電離，產(chǎn)生自由電子和正、負(fù)離子，形成等離子體區(qū)域即電離層。電離層從宏觀上呈現(xiàn)中性。電離層的變化，主要表現(xiàn)為電子密度隨時間的變化。而電子密度達(dá)到平衡的條件，主要取決于電子生成率和電子消失率。電子生成率是指中性氣體吸收太陽輻射能發(fā)生電離，在單位體積內(nèi)每秒鐘所產(chǎn)生的電子數(shù)。電子消失率是指當(dāng)不考慮電子的漂移運(yùn)動時，單位體積內(nèi)每秒鐘所消失的電子數(shù)。帶電粒子通過碰撞等過程又產(chǎn)生復(fù)合，使電子和離子的數(shù)目減少；帶電粒子的漂移和其他運(yùn)動也可使電子或離子密度發(fā)生變化。

地球大氣的一個電離區(qū)域。60千米以上的整個地球大氣層都處于部分電離或完全電離的狀態(tài)，電離層是部分電離的大氣區(qū)域，完全電離的大氣區(qū)域稱磁層。

電離層對電波傳播的影響與人類活動密切相關(guān)，如無線電通訊、廣播、無線電導(dǎo)航、雷達(dá)定位等。受電離層影響的波段從極低頻(ELF) 直至甚高頻(VHF)，但影響最大的是中波和短波段。電離層作為一種傳播介質(zhì)使電波受折射、反射、散射并被吸收而損失部分能量于傳播介質(zhì)中。3～ 30兆赫為短波段，它是實現(xiàn)電離層遠(yuǎn)距離通訊和廣播的最適當(dāng)波段，在正常的電離層狀態(tài)下，它正好對應(yīng)于最低可用頻率和最高可用頻率之間。但由于多徑效應(yīng)，信號衰落較大.

電離層和電波傳播

電離層對電波傳播的影響與人類活動密切相關(guān)，如無線電通訊、廣播、無線電導(dǎo)航、雷達(dá)定位等。受電離層影響的波段從極低頻（ELF）直至甚高頻（VHF），但影響最大的是中波和短波段。電離層作為一種傳播介質(zhì)使電波受折射、反射、散射并被吸收而損失部分能量于傳播介質(zhì)中。3～30兆赫為短波段，它是實現(xiàn)電離層遠(yuǎn)距離通訊和廣播的最適當(dāng)波段，在正常的電離層狀態(tài)下，它正好對應(yīng)于最低可用頻率和最高可用頻率之間。但由于多徑效應(yīng)，信號衰落較大；電離層暴和電離層突然騷擾，對電離層通訊和廣播可能造成嚴(yán)重影響，甚至訊號中斷。300千赫至3兆赫為中波段，廣泛用于近距離通訊和廣播。

電離層傳播：由于太陽和各種宇宙射線的輻射，引起空氣分子的電離，而形成了電離層。電離層分三層。D層（距地面高度60--80Km）、E層（100--120Km）、F1層（200Km）、F2層（200-900Km），中波和短波都能借助電離層的反射傳播到較遠(yuǎn)的距離，最常用用于短波通信。短波頻率為（1.5MHz--30MHz）。百年前，三聲短促而且微弱的訊號，向世界宣布了無線電的誕生。一九○一年，扎營守候在訊號山(Signal Hill位于加拿大東南角)的意大利科學(xué)家馬可尼，終于接收到了從英格蘭發(fā)出的跨過大西洋的無線電訊號，這個實驗向世人證明了無線電再也不是僅限于實驗室的新奇東西，而是一種實用的通訊媒介。此后短波用作全球性的國際通訊媒介便開始發(fā)達(dá)起來了。

這些研究集中于研究電離層等離子體的特性來更好地理解電離層，以及利用它來提高民用和軍事的通訊和遙測系統(tǒng)