電離層(Ionosphere)是地球大氣的一個(gè)電離區(qū)域。60千米以上的整個(gè)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。也有人把整個(gè)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。電離層從離地面約50公里開(kāi)始一直伸展到約1000公里高度的地球高層大氣空域，其中存在相當(dāng)多的自由電子和離子，能使無(wú)線電波改變傳播速度，發(fā)生折射、反射和散射，產(chǎn)生極化面的旋轉(zhuǎn)并受到不同程度的吸收。

 簡(jiǎn)介

電離層(Ionosphere)是地球大氣的一個(gè)電離區(qū)域。由于受地球以外射線(主要是太陽(yáng)輻射)對(duì)中性原子和空氣分子的電離作用，距地表60千米以上的整個(gè)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。也有人把整個(gè)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。

在電離作用產(chǎn)生自由電子的同時(shí)，電子和正離子之間碰撞復(fù)合，以及電子附著在中性分子和原子上，會(huì)引起自由電子的消失。大氣各風(fēng)系的運(yùn)動(dòng)、極化電場(chǎng)的存在、外來(lái)帶電粒子不時(shí)入侵，以及氣體本身的擴(kuò)散等因素，引起自由電子的遷移。在55公里高度以下的區(qū)域中，大氣相對(duì)稠密，碰撞頻繁，自由電子消失很快，氣體保持不導(dǎo)電性質(zhì)。在電離層頂部，大氣異常稀薄，電離的遷移運(yùn)動(dòng)主要受地球磁場(chǎng)的控制，稱為磁層。

電離層的主要特性由電子密度、電子溫度、碰撞頻率、離子密度、離子溫度和離子成分等空間分布的基本參數(shù)來(lái)表示。但電離層的研究對(duì)象主要是電子密度隨高度的分布。電子密度(或稱電子濃度)是指單位體積的自由電子數(shù)，隨高度的變化與各高度上大氣成分、大氣密度以及太陽(yáng)輻射通量等因素有關(guān)。電離層內(nèi)任一點(diǎn)上的電子密度，決定于上述自由電子的產(chǎn)生、消失和遷移三種效應(yīng)。在不同區(qū)域，三者的相對(duì)作用和各自的具體作用方式也大有差異。

電離層的發(fā)現(xiàn)，不僅使人們對(duì)無(wú)線電波傳播的各種機(jī)制有了更深入的認(rèn)識(shí)，并且對(duì)地球大氣層的結(jié)構(gòu)及形成機(jī)制有了更清晰的了解。

研究簡(jiǎn)史

1899年尼古拉·特斯拉試圖使用電離層進(jìn)行遠(yuǎn)距無(wú)線能量傳送。他在地面和電離層所謂的科諾爾里亥維賽層之間發(fā)送極低頻率波。基于他的試驗(yàn)的基礎(chǔ)上他進(jìn)行了數(shù)學(xué)計(jì)算，他對(duì)這個(gè)區(qū)域的共振頻率的計(jì)算與今天的試驗(yàn)結(jié)果相差不到15%。1950年代學(xué)者確認(rèn)這個(gè)共振頻率為6.8Hz。

1901年12月12日古列爾莫·馬可尼首次收獲跨大西洋的信號(hào)傳送。馬可尼使用了一個(gè)通過(guò)風(fēng)箏豎起的400英尺長(zhǎng)的天線。在英國(guó)的發(fā)送站使用的頻率約為500kHz，其功率為到那時(shí)為止所有發(fā)送機(jī)的100倍。收到的信號(hào)為摩爾斯電碼中的S(三點(diǎn))。要跨越大西洋，這個(gè)信號(hào)必須兩次被電離層反射。繼續(xù)理論計(jì)算和今天的試驗(yàn)有人懷疑馬可尼的結(jié)果，但是1902年馬可尼無(wú)疑地達(dá)到了跨大西洋傳播。

1902年奧利弗·黑維塞提出了電離層中的科諾爾里亥維賽層的理論。這個(gè)理論說(shuō)明電波可以繞過(guò)地球的球面。這個(gè)理論加上普朗克的黑體輻射理論可能阻礙了射電天文學(xué)的發(fā)展。事實(shí)上一直到1932年人類才探測(cè)到來(lái)自天體的無(wú)線電波。1902年亞瑟·肯乃利(Arthur Kennelly)還發(fā)現(xiàn)了電離層的一些電波-電子特性。

1912年美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)1912年廣播法案，下令業(yè)余電臺(tái)只能在1.5MHz以上工作。當(dāng)時(shí)政府認(rèn)為這以上的頻率無(wú)用。致使1923年使用電離層傳播高頻無(wú)線電波的發(fā)現(xiàn)。

1947年愛(ài)德華·阿普爾頓因于1927年證實(shí)電離層的存在獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。莫里斯·威爾克斯和約翰·拉克利夫研究了極長(zhǎng)波長(zhǎng)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(nèi)的傳播的理論。

1962年加拿大衛(wèi)星Alouette 1升空，其目的是研究電離層。其成功驅(qū)使了1965年Alouette 2衛(wèi)星的發(fā)射和1969年ISIS 1號(hào)和1971年ISIS 2號(hào)的發(fā)射。這些衛(wèi)星全部是用來(lái)研究電離層的。

形成原因

地球高層大氣的分子和原子，在太陽(yáng)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(shí)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(yáng)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(dòng)時(shí)，單位體積內(nèi)每秒鐘所消失的電子數(shù)。帶電粒子通過(guò)碰撞等過(guò)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(dòng)也可使電子或離子密度發(fā)生變化。

內(nèi)部分層

電離層形態(tài)是電離層中電子密度等基本參量的空間結(jié)構(gòu)(高度和經(jīng)緯度分布)及其隨時(shí)間(晝夜、季節(jié)和太陽(yáng)活動(dòng)周期)變化的情況。電離層可從低到高依次分為D層、E層和F層等，其中F層還可分為F1層和F2層。E層和F1層中，電子遷移作用較小，具有查普曼層的主要特性。層的臨界頻率П(其平方正比于峰值電子密度)與太陽(yáng)天頂角ě近似地滿足由簡(jiǎn)單層理論所導(dǎo)出的關(guān)系式П=ɑcosě(兆赫)，式中ɑ和b為常數(shù)。這個(gè)關(guān)系式反映了電離層電子密度隨時(shí)間和地區(qū)變化的基本趨勢(shì)。在較高的F2層，電離輸運(yùn)起著重要作用;在地球磁極，存在著外來(lái)帶電粒子的轟擊，形態(tài)更為復(fù)雜。D層和F1層的峰形一般并不很凸出。圖1為電離層電子密度的典型高度分布。

D層 　離地面約50～90公里。白天，峰值密度NmD和相應(yīng)高度hmD的典型值分別為10厘米和85公里左右。無(wú)線電波中的短波在該層受到較大的吸收。太陽(yáng)活動(dòng)最高年的吸收幾乎是最低年的兩倍。一年之中，NmD的夏季值大于冬季值，但在中緯地區(qū)，冬季有時(shí)會(huì)出現(xiàn)異常吸收。夜間，電離基本消失。

E層 　離地面約90～130公里。白天，峰值密度NmE及其相應(yīng)高度hmE的典型值分別為10厘米和115公里。NmE的晝夜、季節(jié)和太陽(yáng)活動(dòng)周期三種變化，大致符合簡(jiǎn)單層理論公式，分別于中午、夏季和活動(dòng)高年達(dá)到最大值;這時(shí)，公式中常量ɑ≈0.9(180 1.44R)，b≈0.25，R為12個(gè)月內(nèi)太陽(yáng)黑子數(shù)流動(dòng)平均值。夜間，NmE下降，hmE上升;NmE≈5×10厘米，hmE的變化幅度一般不超過(guò)20公里。

F層

離地面約130公里以上，可再分為F1和F2層。

① F1層(離地面約130～210公里)：白天，峰值密度NmF1及其相應(yīng)高度hmF1的典型值分別為2×10厘米和180公里。F1層峰形夜間消失，中緯度F1層只出現(xiàn)于夏季，在太陽(yáng)活動(dòng)高年和電離層暴時(shí)，F(xiàn)1層變得明顯。NmF1和hmF1的變化與E層類似，大致符合簡(jiǎn)單層的理論公式，這時(shí)ɑ≈4.3 0.01R，b≈0.2。

② F2層(離地面約210公里以上)：反射無(wú)線電信號(hào)或影響無(wú)線電波傳播條件的主要區(qū)域，其上邊界與磁層相接。白天，峰值密度NmF2及其相應(yīng)高度hmF2的典型值分別為10厘米;夜間，NmF2一般仍達(dá)5×10厘米。在任何季節(jié)，NmF2的正午值都與太陽(yáng)活動(dòng)性正相關(guān)。hmF2與太陽(yáng)活動(dòng)性一般也有正相關(guān)關(guān)系，除赤道地區(qū)外，夜間值高于白天值。在F2層，地球磁場(chǎng)大氣各風(fēng)系、擴(kuò)散和其他動(dòng)力學(xué)因素起著重要的作用，其形態(tài)變化不能用查普曼的簡(jiǎn)單層理論來(lái)描述，于是F2層比起E層和F1層便有種種“異常”。所謂日變化異常是指F2層電子密度的最大值不是出現(xiàn)在正午(通常是在本地時(shí)間13時(shí)至15時(shí))，同時(shí)NmF2還具有半日變化分量，其最大值分別在本地時(shí)間上午10～11時(shí)和下午22～23時(shí)。季節(jié)異常是指F2層正午的電子密度在冬季要比夏季高。赤道異常是指F2層電子密度并不在赤道上空最大，它明顯地受地磁場(chǎng)控制，其地理變化呈“雙峰”現(xiàn)象，在磁緯±20度附近達(dá)到最大值。在高緯度地區(qū)，可觀測(cè)到許多與帶電粒子沉降有關(guān)的異常現(xiàn)象。其中，最為重要的是F層“槽”，這是地球背陽(yáng)面上從極光圈開(kāi)始朝向低緯寬約5～10度的低電子密度的帶區(qū)。

峰上固定高度的電子密度和電離層電子總含量的時(shí)間變化，與NmF2有類似之處。圖2為電離層各層的峰值密度Nm和相應(yīng)高度hm在中緯度地區(qū)的平均晝夜變化。

除上述各均勻厚層外，電離層還存在著兩種較常見(jiàn)的不均勻結(jié)構(gòu)：Es層即偶發(fā)E層(見(jiàn)Es層電波傳播)和擴(kuò)展F層(見(jiàn)電離層不均勻體)。

實(shí)際上電離層不像上面所敘述的那樣由規(guī)則的、平滑的層組成。實(shí)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。

異常

實(shí)際上電離層不像上面所敘述的那樣由規(guī)則的、平滑的層組成。實(shí)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(yáng)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(duì)單原子的比例也增高，造成離子捕獲率的增高。這個(gè)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(gè)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(yáng)活動(dòng)低的年度里沒(méi)有冬季異常。

赤道異常

朝陽(yáng)面電離層里的電流在地球磁赤道左右約±20度之間F2層形成一個(gè)電離度高的溝，這個(gè)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(chǎng)幾乎水平。由于陽(yáng)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(chǎng)線。這在E層形成一個(gè)電流，它與水平的磁場(chǎng)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

X射線：突發(fā)電離層騷擾

太陽(yáng)活躍時(shí)期強(qiáng)烈的耀斑發(fā)生時(shí)硬X射線會(huì)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(wú)線電中斷。與此同時(shí)及低頻(3-30kHz)會(huì)被D層(而不是被E層)反射(一般D層吸收這些信號(hào))。X射線結(jié)束后D層電子迅速被捕獲，無(wú)線電中斷很快就會(huì)結(jié)束，信號(hào)恢復(fù)。

質(zhì)子：極冠吸收

耀斑同時(shí)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(shí)內(nèi)到達(dá)地球。這些質(zhì)子沿地球磁場(chǎng)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(shí)至數(shù)日，平均持續(xù)24至36小時(shí)。

地磁風(fēng)暴

地磁風(fēng)暴是地球磁場(chǎng)暫時(shí)的、劇烈的騷擾。

地磁風(fēng)暴時(shí)F2層非常不穩(wěn)定，會(huì)分裂甚至完全消失。 在極地附近會(huì)有極光產(chǎn)生。

測(cè)量

電離層圖

電離層圖顯示使用電離層探測(cè)儀測(cè)量的電離層層次的高度及其臨界頻率。電離層探測(cè)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(hào)在被反射前可以穿透更高的層。最后頻率高到不再被反射。

太陽(yáng)流

太陽(yáng)流是使用加拿大渥太華的一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡測(cè)量的太陽(yáng)輻射在2800MHz頻率的強(qiáng)度。測(cè)量結(jié)果證明這個(gè)強(qiáng)度與太陽(yáng)黑子活動(dòng)相稱。不過(guò)導(dǎo)致地球大氣上層電離的主要是太陽(yáng)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(cè)量太陽(yáng)的X射線流。這個(gè)數(shù)據(jù)與電離層的電離度更加相應(yīng)。

研究項(xiàng)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(dòng)觀測(cè)電離層產(chǎn)生的光學(xué)和無(wú)線電信號(hào)，研究不同的射電望遠(yuǎn)鏡被反射的信號(hào)，以及被反射的信號(hào)與原信號(hào)之間的差別。

1993年開(kāi)始的為期20年的高頻主動(dòng)極光研究計(jì)劃以及類似的項(xiàng)目研究使用高能無(wú)線電發(fā)射機(jī)來(lái)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(lái)更好地理解電離層，以及利用它來(lái)提高民用和軍事的通訊和遙測(cè)系統(tǒng)。

超級(jí)雙子極光雷達(dá)網(wǎng)研究高高度和中高度對(duì)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(gè)項(xiàng)目包括全球11個(gè)不同國(guó)家的多部雷達(dá)。

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