簡介

電離層（Ionosphere）是地球大氣的一個電離區(qū)域。由于受地球以外射線（主要是太陽輻射）對中性 電離層與磁層原子和空氣分子的電離作用，距地表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。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。

在電離作用產(chǎn)生自由電子的同時，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，會引起自由電子的消失。大氣各風(fēng)系的運動、極化電場的存在、外來帶電粒子不時入侵，以及氣體本身的擴散等因素，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，電離的遷移運動主要受地球磁場的控制，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)來表示。但電離層的研究對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、大氣密度以及太陽輻射通量等因素有關(guān)。電離層內(nèi)任一點上的電子密度，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)，不僅使人們對無線電波傳播的各種機制有了更深入的認(rèn)識，并且對地球大氣層的結(jié)構(gòu)及形成機制有了更清晰的了解。

研究簡史

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科諾爾里亥維賽層之間發(fā)送極低頻率波。基于他的試驗的基礎(chǔ)上他進行了數(shù)學(xué)計算，他對這個區(qū)域的共振頻率的計算與今天的試驗結(jié)果相差不到15%。1950年代學(xué)者確認(rèn)這個共振頻率為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傳送。馬可尼使用了一個通過風(fēng)箏豎起的400英尺長的天線。在英國的發(fā)送站使用的頻率約為500kHz，其功率為到那時為止所有發(fā)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(xù)理論計算和今天的試驗有人懷疑馬可尼的結(jié)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·黑維塞提出了電離層中的科諾爾里亥維賽層的理論。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(xué)的發(fā)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(fā)現(xiàn)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(yè)余電臺只能在1.5MHz以上工作。當(dāng)時政府認(rèn)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(fā)現(xiàn)。

1947年愛德華·阿普爾頓因于1927年證實電離層的存在獲得諾貝爾物理學(xué)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(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號和1971年ISIS 2號的發(fā)射。這些衛(wèi)星全部是用來研究電離層的。

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動也可使電子或離子密度發(fā)生變化。

大氣的電離主要是太陽輻射中紫外線和X射線所致。此外，太陽高能帶電粒子和銀河宇宙射線也起相當(dāng)重要的作用。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動也可使電子或離子密度發(fā)生變化。

內(nèi)部分層

綜述

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）及其隨時間（晝夜、季節(jié)和太陽活動周期）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）與太陽天頂角ě近似地滿足由簡單層理論所導(dǎo)出的關(guān)系式П=ɑcosě(兆赫)，式中ɑ和b為常數(shù)。這個關(guān)系式反映了電離層電子密度隨時間和地區(qū)變化的基本趨勢。在較高的F2層，電離輸運起著重要作用；在地球磁極，存在著外來帶電粒子的轟擊，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。無線電波中的短波 圖示1
在該層受到較大的吸收。太陽活動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)，冬季有時會出現(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)和太陽活動周期三種變化，大致符合簡單層理論公式，分別于中午、夏季和活動高年達到最大值；這時，公式中常量ɑ≈0.9(180 1.44R)，b≈0.25，R為12個月內(nèi)太陽黑子數(shù)流動平均值。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，在太陽活動高年和電離層暴時，F(xiàn)1層變得明顯。NmF1和hmF1的變化與E層類似，大致符合簡單層的理論公式，這時ɑ≈4.3 0.01R，b≈0.2。

② F2層（離地面約210公里以上）：反射無線電信號或影響無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5×10厘米。在任何季節(jié)，NmF2的正午值都與太陽活動性正相關(guān)。hmF2與太陽活動性一般也有正相關(guān)關(guān)系，除赤道地區(qū)外，夜間值高于白天值。在F2層，地球磁場大氣各風(fēng)系、擴散和其他動力學(xué)因素起著重要的作用，其形態(tài)變化不能用查普曼的簡單層理論來描述，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(通常是在本地時間13時至15時)，同時NmF2還具有半日變化分量，其最大值分別在本地時間上午10～11時和下午22～23時。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，它明顯地受地磁場控制，其地理變化呈“雙峰”現(xiàn)象，在磁緯±20度附近達到最大值。在高緯度地區(qū)，可觀測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”，這是地球背陽面上從極光圈開始朝向低緯寬約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的不均勻結(jié)構(gòu)：Es層即偶發(fā)E層（見Es層電波傳播）和擴展F層（見電離層不均勻體）。

實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。實際上的電離層由塊狀的、云一般的、不規(guī)則的電離的團或者層組成。

結(jié)構(gòu)

太陽輻射使部分中性分子和原子電離為自由電子和正離子，它在大氣中穿透越深，強度（產(chǎn)生電離的能力）越趨減弱，而大氣密度逐漸增加，于是，在某一高度上出現(xiàn)電離的極大值。大氣不同成分，如分子氧、原子氧和分子氮等，在空間的分布是不均勻的。它們?yōu)椴煌ǘ蔚妮椛渌婋x，形成各自的極值區(qū)，從而導(dǎo)致電離層的層狀結(jié)構(gòu)。電離層在垂直方向上呈分層結(jié)構(gòu)，一般劃分為D層、E層和F層，F(xiàn)層又分為F1層和F2層。最大電子密度約為10厘米，大約位于300千米高度附近。除正規(guī)層次外，電離層區(qū)域還存在不均勻結(jié)構(gòu)，如偶發(fā)E層（Es）和擴展F。偶發(fā)E層較常見，是出現(xiàn)于E層區(qū)域的不均勻結(jié)構(gòu)。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10厘米。擴展F是一種出現(xiàn)于F層的不均勻結(jié)構(gòu)，在赤道地區(qū)，常沿地磁方向延伸，分布于250～1000千米或更高的電離層區(qū)域。

電離層分層結(jié)構(gòu)只是電離層狀態(tài)的理想描述，實際上電離層總是隨緯度、經(jīng)度呈現(xiàn)復(fù)雜的空間變化，并且具有晝夜、季節(jié)、年、太陽黑子周等變化。由于電離層各層的化學(xué)結(jié)構(gòu)、熱結(jié)構(gòu)不同，各層的形態(tài)變化也不盡相同。

模式

電離層模式是電離層諸參量隨高度變化的數(shù)學(xué)描述。這種變化與地理位置、季節(jié)、地方時，以及太陽和地磁活動性有關(guān)。復(fù)雜的電離層形態(tài)給實際應(yīng)用帶來極大困難，因此，人們在大量實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，用較簡單的數(shù)學(xué)模式描述電離層形態(tài)和結(jié)構(gòu)，以便在無線電通信和宇宙航行等工程設(shè)計中應(yīng)用。研究最多的是對無線電波傳播有直接影響的電子密度模式。

式中N(h)為離地面高度h處的電子密度；h0為起算高度；α為常數(shù)；ɑ為層的半厚度。這些模式只能描述電離層電子密度剖面的某一部分。為了完整地描述剖面，須在不同部分采用不同的數(shù)學(xué)表達式。

對F層峰值以下的電子密度剖面，可按照不同的實際應(yīng)用，采用不同的組合模式。國際無線電咨詢委員會推薦用于短波場強計算的布雷德利－杜德奈模式，是拋物模式(F2層)-線性模式（F1層）-拋物模式（E層）的組合模式。模式參數(shù)可以從電離層觀測站所得到的特性參數(shù)推算出來。一般情況下，所得的電子密度分布與實際分布的高度差別小于20公里。其他的模式還有：余弦模式（F2層）-正割模式（E-F層）-拋物模式（E層）的組合模式，可用于精度要求較高的射線追蹤計算；拋物模式（F2）層與多項式組合模式，便于從電離層垂測儀的頻率-高度圖計算F2層的峰值高度、峰處標(biāo)高和等效峰下平板厚度。

《國際參考電離層》(IRI，1979)給出的電子密度、電子溫度和離子溫度剖面。

包括F層峰值區(qū)域在內(nèi)的電子密度剖面中，較典型的有本特模式和賓夕法尼亞州1號電離層模式。本特模式的高度范圍約從150公里到2000公里。峰值高度以下為拋物平方模式，峰值高度以上為拋物模式；更高的高度上為三個相接的指數(shù)模式。本特模式忽略剖面（特別是F部區(qū)域）的細節(jié)，著眼于精確地表達電離層電子含量。它適用于計算無線電波由于折射所造成的時延和方向的變化。賓夕法尼亞州1號電離層模式（120～1250公里）是在一個經(jīng)驗所得的高度范圍內(nèi)，模擬電離層的物理化學(xué)過程，通過調(diào)節(jié)電離反應(yīng)速度和垂直電子流計算電子密度。這一模式主要用于研究輸運過程和風(fēng)的衰減等理論問題。

國際無線電科學(xué)聯(lián)盟和美國空間研究委員會根據(jù)電離層的實測資料編制成《國際參考電離層》，它是一套專門的計算機程序，輸入數(shù)據(jù)為地理經(jīng)度和緯度、月份、本地時間、太陽黑子數(shù)。輸出數(shù)據(jù)為電離層諸參量的垂直分布。圖3為輸出剖面示例。

由于來自外空，太陽和地球大氣本身的各種擾動源的激發(fā)，電離層還會產(chǎn)生相應(yīng)的擾動變化和不規(guī)則結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)各種不同的形態(tài)（見電離層擾動、電離層不均勻體、電離層調(diào)變）

異常

綜述

實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。實際上的電離層由塊狀的、云一般的、不規(guī)則的電離的團或者層組成。

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 朝陽面電離層里的電流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

朝陽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。

擾亂

X射線：突發(fā)電離層騷擾

太陽活躍時期強烈的耀斑發(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。

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(fā)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鏡測量的太陽輻射在2800MHz頻率的強度。測量結(jié)果證明這個強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 電離層監(jiān)視圖學(xué)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。

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。