電離層

電離層（Ionosphere）

地球大氣的一個電離區域。60千米以上的整個地球大氣層都處於部分電離或完全電離的狀態，電離層是部分電離的大氣區域，完全電離的大氣區域稱磁層。也有人把整個電離的大氣稱為電離層，這樣就把磁層看作電離層的一部分。除地球外，金星、火星和木星都有電離層，土星、天王星、海王星和冥王星的電離層結構，有待進一步探測研究。

研究簡史

為解釋地磁場的變化，19世紀時，C.F.高斯和開爾文等提出高空存在導電層的設想。1924年，Sir E.V.阿普爾頓等透過對無線電波回波的接收，證實了電離層的存在。R.A.沃森-瓦特於1926年首先提出“電離層 ” 這一名稱。1925年，G.佈雷特和M.A.圖夫發明的電離層垂直探測儀，是地面探測電離層的基本裝置，為後來積累了大量的實測資料，為電離層研究起了重要的作用。1949年首次在V-2火箭上安裝朗繆爾探針直接探測電離層，開創了直接探測的先例。1925 ～ 1932年，阿普爾頓和D.R.哈特里等人創立的磁離子理論，為研究電波在電離層中的傳播奠定了理論基礎。1931年，S.查普曼提出電離層形成理論，極大地推動了電離層的研究。電離層研究極大地促進了短波通訊的發展。

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，產生自由電子和(正、負)離子，形成等離子體區域即電離層。電離層從宏觀上呈現中性。電離層的變化，主要表現為電子密度隨時間的變化。而電子密度達到平衡的條件，主要取決於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生電離，在單位體積內每秒鐘所產生的電子數。電子消失率是指當不考慮電子的漂移運動時，單位體積內每秒鐘所消失的電子數。帶電粒子透過碰撞等過程又產生複合，使電子和離子的數目減少；帶電粒子的漂移和其他運動也可使電子或離子密度發生變化。

電離層結構

可用電離層特性參量電子密度、離子密度、電子溫度、離子溫度等的空間分佈來表徵。但其研究主要是電子密度隨高度的分佈。電子密度（或稱電子濃度）是指單位體積的自由電子數。電子密度隨高度的變化與各高度上大氣成分、大氣密度以及太陽輻射通量等因素有關。

電離層在垂直方向上呈分層結構，一般劃分為D層 、 E 層和F層，F層又分為F1 層和F2層。最大電子密度約為106釐米-3，大約位於300千米高度附近。除正規層次外，電離層區域還存在不均勻結構，如偶發E層（Es）和擴充套件F。偶發E層較常見，是出現於E層區域的不均勻結構。厚度從幾百米至一二千米，水平延伸一般為0.1～10千米，高度大約在110千米處，最大電子密度可達106釐米-3。擴充套件F是一種出現於F層的不均勻結構，在赤道地區，常沿地磁方向延伸，分佈於250～1000千米或更高的電離層區域。

電離層分層結構只是電離層狀態的理想描述，實際上電離層總是隨緯度、經度呈現複雜的空間變化，並且具有晝夜、季節、年、太陽黑子週等變化。由於電離層各層的化學結構、熱結構不同，各層的形態變化也不盡相同。

電離層騷擾

太陽擾動以及其他原因導致對電離層正常狀態的顯著偏離。太陽擾動引起的電離層騷擾主要有電離層突然騷擾、電離層暴、極蓋吸收、極光帶吸收等。人為因素如核爆炸、大功率發射機對電離層加熱也能引起電離層騷擾。電離層騷擾對無線電波傳播會產生嚴重影響。①電離層突然騷擾。太陽色球在耀斑爆發期間發出強烈的紫外線和Χ射線輻射 ，使 D 層的電子密度突然增大 ，對通訊造成嚴重影響，甚至中斷。突然騷擾持續時間一般為幾分鐘至幾小時。②電離層暴。F2層狀態的異常變化。③極蓋吸收。在強烈的太陽耀斑爆發時，由太陽噴射出來的高能質子流沿地磁力線沉降到極蓋區上空，使 D 層的電離急劇增大，以至透過該區的無線電波被強烈吸收，常造成無線電通訊中斷。 ④ 極光帶吸收。來自太陽擾動區的高能電子和質子沉降到極區上空，使極光帶低電離層的電離增強，以至透過該區域的電磁波被強烈吸收。極光帶吸收甚至使電波訊號中斷。

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，如無線電通訊、廣播、無線電導航、雷達定位等。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使電波受折射、反射、散射並被吸收而損失部分能量於傳播介質中。3～ 30兆赫為短波段，它是實現電離層遠距離通訊和廣播的最適當波段，在正常的電離層狀態下，它正好對應於最低可用頻率和最高可用頻率之間。但由於多徑效應，訊號衰落較大；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重影響，甚至訊號中斷。300千赫至3兆赫為中波段