電離層

電離層是地球大氣層被太陽射線電離的部分，它是地球磁層的內界。由於它影響到無線電波的傳播，它有非常重要的實際意義。

## 地球物理

地球大氣層最下面的一層是對流層，它從地面延伸到約10公里的高處。10公里以上為平流層，再向上為中間層。在約80公里以上的增溫層大氣已經非常稀薄，在這裡陽光中的紫外線和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併前可以短暫地自由活動，這樣在這個高度造成等離子體。在這裡自由電子的數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，大氣越稀薄，則電離過程越占上風。不過電離層的特性還受到許多其它因素的影響。

電離過程的主力是太陽活動。電離層內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（冬季陽光入射角度較低，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，太陽活動越強烈。除此以外隨地球表面緯度的不同當地受到的太陽輻射強度也不同。耀斑和太陽風中的帶電粒子可以與地球磁場相互作用，導致對電離層的擾亂。

## 分層

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100公里。這裡主要是波長為121.5納米的來曼-α氫光譜線的光電離一氧化氮。在太陽活動非常強烈時（超過50個黑子），硬X射線還可以電離空氣中的氮氣和氧氣的分子。夜間宇宙射線造成一個剩餘電離。這個層里離子對自由電子的捕獲率比較高，因此電離效應比較低，從而它對高頻無線電波沒有影響。日間這裡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。日落後這個層減弱非常大。D層最明顯的效應是白天遠處的中波電台收不到。

### E層

E層是中層，在地面上100至150公里。這裡的電離主要是軟X射線和遠紫外線對氧氣分子的電離。這個層只能反射頻率低於10MHz的電波，對頻率高於10MHz的電波它有吸收的作用。E層的垂直結構主要由電離和捕獲作用所決定。夜間D層開始消失，因為造成電離的輻射消失了，由於捕獲在低處比較強，因此其高度開始上升。高空周日變化的風對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的地方。

### ES層

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

### F層

F層在地面以上150至超過500公里。在這裡太陽輻射中的強紫外線（波長10至100納米）電離單原子氧。F層對於電波傳播來說是最重要的層。夜間F層合併為一個層，白天分為F1和F2兩個層。大多數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

實際上電離層不像上面所敘述的那樣由規則的、平滑的層組成。實際上的電離層由塊狀的、雲一般的、不規則的電離的團或者層組成。

### 冬季異常

夏季由於陽光直射中緯度地區的F2層在白天電離度加高，但是由於季節性氣流的影響夏季這裡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於電離度的增高。因此造成夏季F2層反而比冬季低。這個現象被稱為冬季異常。在北半球冬季異常每年都出現，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。由於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致磁赤道附近±20度之間F層的電離度加強。

## 擾亂

### X射線：突發電離層騷擾

太陽活躍時期強烈的耀斑發生時硬X射線會射擊到地球。這些射線可以一直穿透到D層，在這裡迅速導致大量自由電子，這些電子吸收高頻（3-30MHz）電波，導致無線電中斷。與此同時甚低頻（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射線結束後D層電子迅速被捕獲，無線電中斷很快就會結束，信號恢復。

### 質子：極冠吸收

耀斑同時也釋放高能質子。這些質子在耀斑爆發後15分鐘至2小時內到達地球。這些質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。極冠吸收可以持續一小時至數日，平均持續24至36小時。

### 地磁風暴

地磁風暴是地球磁場暫時的、劇烈的騷擾。

- 地磁風暴時F2層非常不穩定，會分裂甚至完全消失。
- 在極地附近會有極光產生。

## 無線電應用

電離層被用來反射和傳送高頻無線電信號。反射後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盪。若此時自由電子被捕獲的話，則電波中的部分能量會消失。

假如電離層內自由電子的碰撞頻率小於電波頻率，且自由電子密度夠高，則電波能夠有全反射的現象。

當電波頻率高於電離層內的等離子頻率時，會因電子運動不夠快而使得電波得以穿透電離層。在電波頻率小於臨界頻率時，電離層可以垂直反射無線電波：

$$f_o = 9 \times 10^{-3} \sqrt{N}$$

$N$是每立方厘米電子密度，$f_o$是頻率（單位為MHz）。

最高可用頻率（MUF, Maximum Usable Frequency）是在一定時間內，可以在兩點之間傳送信號的頻率上限。

$$f_{muf} = \frac{f_o}{ \sin{(I)}}$$

$I$是波與水平線之間的角度。

## 其它應用

近年國立中央大學太空科學研究所劉正彥教授等人的研究顯示，規模五以上的地震在發生前至少超過七成震央上空的電離層都曾突然變稀薄；規模六以上強烈地震更高達九成都會在震前出現電離層異常擾動。故如當下判斷某區電離層突然變稀薄非由太陽黑子等外來活動引起時，則可能是由於地球板塊擠壓累積能量所致，故應可利用電離層異常擾動現象作為地震預測的重要參考，讓政府為可能將到來的大地震預作準備，不過這樣的論點仍有爭議。

有人建議使用電離層來從地球磁場裡獲取能量。目前有對這個建議的可行性的研究。

## 測量

### 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送一系列頻率（一般從0.1至30MHz）。隨頻率增高，信號在被反射前可以穿透更高的層。最後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台射電望遠鏡測量的太陽輻射在2800MHz頻率的強度。測量結果證明這個強度與太陽黑子活動相稱。不過導致地球大氣上層電離的主要是太陽的紫外線和X射線。目前靜止環境觀測衛星可以測量太陽的X射線流。這個數據與電離層的電離度更加相應。

### 研究項目

科學家使用不同手段研究電離層的結構，包括被動觀測電離層產生的光學和無線電信號，研究不同的射電望遠鏡被反射的信號，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年的高頻主動式極光研究計劃以及類似的項目研究使用高能無線電發射機來改變電離層的特性。這些研究集中於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。

超級雙子極光雷達網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。

科學家還測量衛星和其它恆星的無線電波經過電離層所產生的變化。位于波多黎各的阿雷西博天文台本來就是打算用來研究地球電離層的。

## 學術研究歷史及未來研究方向

1899年尼古拉·特斯拉試圖使用電離層進行遠距無線能量傳送。他在地面和電離層所謂的肯涅利-赫維賽德層之間發送極低頻率波。基於他的試驗的基礎上他進行了數學計算，他對這個區域的共振頻率的計算與今天的試驗結果相差不到15%。1950年代學者確認這個共振頻率為6.8Hz。

1901年12月12日古列爾莫·馬可尼首次接收跨大西洋的信號傳送。馬可尼使用了一個通過風箏豎起的400英尺長的天線。在英國的發送站使用的頻率約為500kHz，其功率為到那時為止所有發送機的100倍。收到的信號為摩爾斯電碼中的S（三點）。要跨越大西洋，這個信號必須兩次被電離層反射。繼續理論計算和今天的試驗有人懷疑馬可尼的結果，但是1902年馬可尼無疑地達到了跨大西洋傳播。

1902年奧利弗·赫維賽德提出了電離層中的肯涅利-赫維賽德層的理論。這個理論說明電波可以繞過地球的球面。這個理論加上普朗克的黑體輻射理論可能阻礙了射電天文學的發展。事實上一直到1932年人類才探測到來自天體的無線電波。1902年亞瑟·肯乃利（Arthur Kennelly）還發現了電離層的一些電波-電子特性。

1912年美國國會通過1912年廣播法案，下令業餘電台只能在1.5MHz以上工作。當時政府認為這以上的頻率無用。致使1923年使用電離層傳播高頻無線電波的發現。

1947年愛德華·阿普爾頓因於1927年證實電離層的存在獲得諾貝爾物理學獎。莫里斯·威爾克斯和約翰·拉克利夫研究了極長波長電波在電離層的傳播。維塔利·金茲堡提出了電磁波在電離層這樣的等離子體內的傳播的理論。

1962年加拿大衛星Alouette 1升空，其目的是研究電離層。其成功驅使了1965年Alouette 2衛星的發射和1969年ISIS 1號和1971年ISIS 2號的發射。這些衛星全部是用來研究電離層的。