电离层


电离层示意图

电离层（Ionosphere）

基本概念：
地球大气的一个电离区域。60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把磁层看作电离层的一部分。除地球外，金星、火星和木星都有电离层，土星、天王星、海王星和冥王星的电离层结构，有待进一步探测研究。

研究简史
为解释地磁场的变化，19世纪时，C.F.高斯和开尔文等提出高空存在导电层的设想。1924年，Sir E.V.阿普尔顿等通过对无线电波回波的接收，证实了电离层的存在。R.A.沃森-瓦特于1926年首先提出"电离层 " 这一名称。1925年，G.布雷特和M.A.图夫发明的电离层垂直探测仪，是地面探测电离层的基本设备，为后来积累了大量的实测资料，为电离层研究起了重要的作用。1949年首次在V-2火箭上安装朗缪尔探针直接探测电离层，开创了直接探测的先例。1925 ～ 1932年，阿普尔顿和D.R.哈特里等人创立的磁离子理论，为研究电波在电离层中的传播奠定了理论基础。1931年，S.查普曼提出电离层形成理论，极大地推动了电离层的研究。电离层研究极大地促进了短波通信的发展。

电离层的形成
地球高层大气的分子和原子，在太阳紫外线、Χ射线和高能粒子的作用下电离，产生自由电子和(正、负)离子，形成等离子体区域即电离层。电离层从宏观上呈现中性。电离层的变化，主要表现为电子密度随时间的变化。而电子密度达到平衡的条件，主要取决于电子生成率和电子消失率。电子生成率是指中性气体吸收太阳辐射能发生电离，在单位体积内每秒钟所产生的电子数。电子消失率是指当不考虑电子的漂移运动时，单位体积内每秒钟所消失的电子数。带电粒子通过碰撞等过程又产生复合，使电子和离子的数目减少；带电粒子的漂移和其他运动也可使电子或离子密度发生变化。

电离层结构
可用电离层特性参量电子密度、离子密度、电子温度、离子温度等的空间分布来表征。但其研究主要是电子密度随高度的分布。电子密度（或称电子浓度）是指单位体积的自由电子数。电子密度随高度的变化与各高度上大气成分、大气密度以及太阳辐射通量等因素有关。
电离层在垂直方向上呈分层结构，一般划分为D层 、 E 层和F层，F层又分为F1 层和F2层。最大电子密度约为106厘米-3，大约位于300千米高度附近。除正规层次外，电离层区域还存在不均匀结构，如偶发E层（Es）和扩展F。偶发E层较常见，是出现于E层区域的不均匀结构。厚度从几百米至一二千米，水平延伸一般为0.1～10千米，高度大约在110千米处，最大电子密度可达106厘米-3。扩展F是一种出现于F层的不均匀结构，在赤道地区，常沿地磁方向延伸，分布于250～1000千米或更高的电离层区域。
电离层分层结构只是电离层状态的理想描述，实际上电离层总是随纬度、经度呈现复杂的空间变化，并且具有昼夜、季节、年、太阳黑子周等变化。由于电离层各层的化学结构、热结构不同，各层的形态变化也不尽相同。

电离层骚扰
太阳扰动以及其他原因导致对电离层正常状态的显著偏离。太阳扰动引起的电离层骚扰主要有电离层突然骚扰、电离层暴、极盖吸收、极光带吸收等。人为因素如核爆炸、大功率发射机对电离层加热也能引起电离层骚扰。电离层骚扰对无线电波传播会产生严重影响。
①电离层突然骚扰。太阳色球在耀斑爆发期间发出强烈的紫外线和Χ射线辐射 ，使 D 层的电子密度突然增大 ，对通讯造成严重影响，甚至中断。突然骚扰持续时间一般为几分钟至几小时。
②电离层暴。F2层状态的异常变化。
③极盖吸收。在强烈的太阳耀斑爆发时，由太阳喷射出来的高能质子流沿地磁力线沉降到极盖区上空，使 D 层的电离急剧增大，以至通过该区的无线电波被强烈吸收，常造成无线电通讯中断。
④ 极光带吸收。来自太阳扰动区的高能电子和质子沉降到极区上空，使极光带低电离层的电离增强，以至通过该区域的电磁波被强烈吸收。极光带吸收甚至使电波讯号中断。

电离层和电波传播
电离层对电波传播的影响与人类活动密切相关，如无线电通讯、广播、无线电导航、雷达定位等。受电离层影响的波段从极低频(ELF) 直至甚高频(VHF)，但影响最大的是中波和短波段。电离层作为一种传播介质使电波受折射、反射、散射并被吸收而损失部分能量于传播介质中。3～ 30兆赫为短波段，它是实现电离层远距离通讯和广播的最适当波段，在正常的电离层状态下，它正好对应于最低可用频率和最高可用频率之间。但由于多径效应，信号衰落较大；电离层暴和电离层突然骚扰，对电离层通讯和广播可能造成严重影响，甚至讯号中断。300千赫至3兆赫为中波段，广泛用于近距离通讯和广播。