电离层 电离层

自然地理学

地球大气层的最底层是对流层，它从地面延伸到大约10公里的高度。10多公里是平流层，再往上是中间层。约80 km以上的暖化层中的大气已经非常稀薄，阳光中的紫外线和X射线可以电离空气体分子，自由电子在与带正电的离子融合之前可以自由运动一小段时间，从而在这个高度产生等离子体。这里自由电子的数量足以影响无线电波的传播。

在电离层中，大气分子被太阳光电离和自由电子被离子重新捕获的过程是平衡的。一般来说，海拔越高，大气越稀薄，电离过程越高。然而，电离层的特性也受到许多其他因素的影响。

电离过程的主要力量是太阳活动。电离层电离程度主要受获得的太阳辐射影响。因此，电离层随太阳和季节而变化。太阳活动主要随黑子周期变化。一般来说，太阳表面的黑子越多，太阳活动越强。此外，太阳辐射的强度随着地球表面的纬度而变化。耀斑和太阳风中的带电粒子可以与地球磁场相互作用，对电离层造成干扰。

层

电离层各层的高度

不同高度和成分的空气体分子被太阳辐射电离，造成不同的电离层分层；

d层

D层是电离层的最低层，距离地球表面50到100公里。这里，一氧化氮的光电离主要由波长为121.5 nm的莱曼-α氢谱线引起。当太阳活动非常强烈时，硬x射线也能电离空气体中的氮和氧分子。夜间宇宙射线导致残余电离。这一层离子对自由电子的俘获率比较高，所以电离效应比较低，所以对高频无线电波没有影响。白天，自由电子与其他粒子的碰撞率约为每秒1000万次。低于10MHz的无线电波会被D层吸收，吸收率随着无线电频率的增加而降低。吸收率夜间最低，中午最高。日落后这一层大大减弱。D层最明显的影响就是远处的中波电台白天收不到。

e电离层

e层是中间层，离地100到150公里。这里的电离主要是氧分子被软X射线和极紫外线电离。这一层只能反射频率低于10MHz的无线电波，可以吸收频率高于10MHz的无线电波。E层的垂直结构主要由电离和俘获决定。到了晚上，E层开始消失，因为电离辐射消失了，由于它在下部的强俘获作用，它的高度开始上升。高空日风向变化对E层也有一定影响。随着夜间E层的上升，无线电波可以反射到更远的地方。

E S层

E S层也叫偶尔E层。它是一个小的强电离云，可以反射频率在25兆赫到225兆赫之间的无线电波。偶尔E层可以持续几分钟到几个小时，其原因可能是多方面的，目前还在研究中。偶尔E层在夏季出现频率较高，持续时间一般比冬季长。无线电波的反射距离一般在1000公里左右。

电离层

f楼离地150到500多公里。这里，太阳辐射中强烈的紫外线电离了单原子氧。f层是电波传播最重要的一层。晚上F层合并成一层，白天分为两层:F 1和F 2。电波的天波传播大部分是F层形成的。白天，F层是电离层反射率最高的层。

异常的

实际上，电离层并不是由上述规则光滑的层组成的。事实上，电离层是由巨大的、云状的和不规则的电离团或层组成的。

冬季异常

夏季由于阳光直射，中纬度地区的F 2层电离程度白天增大，但由于季节性气流的影响，夏季分子与单原子原子的比例也增大，导致离子捕获率增大。俘获率的增加甚至强于电离度的增加。所以夏季的F 2层比冬季低。这种现象被称为冬季异常。北半球每年都会出现冬季异常，但在太阳活动低的年份，南半球没有冬季异常。

赤道异常

朝阳面电离层中的电流

在地球磁赤道周围20度左右的F 2层形成一个电离度高的海沟，称为赤道异常。原因如下:地球磁场在赤道附近几乎是水平的。由于阳光的加热和潮汐作用，低电离层中的等离子体向上移动并穿过地球的磁力线。这在E层形成了一个电流，它与水平磁场的相互作用导致F层在磁赤道附近20度之间的电离度增强。

骚扰

x射线:电离层突然扰动

当太阳活跃期出现强烈耀斑时，硬X射线会击中地球。这些射线可以一路穿透到D层，在D层迅速造成大量自由电子，这些电子吸收高频无线电波，导致无线电中断。同时低频会被D层反射。X射线结束后，D层电子被迅速俘获，无线电中断很快结束，信号恢复。

质子:极冠吸收

耀斑也会释放高能质子。这些质子在耀斑爆发后15分钟到2小时内到达地球。这些质子沿着地球磁场线螺旋，撞击磁极附近的地球大气层，提高了D层和E层的电离。极冠的吸收可持续1小时至数天，平均24至36小时。

地理风暴

磁暴是地球磁场暂时的剧烈扰动。

磁暴期间，F 2层非常不稳定，会分裂甚至完全消失。

极光将在极地附近产生。

无线电应用

电离层用于反射和传输高频无线电信号。反射的信号返回地球表面，可以再次反射到电离层。

无线电波可以使电离层中的自由电子以相同的频率振荡。如果此时捕获自由电子，无线电波中的部分能量就会消失。

如果电离层中自由电子的碰撞频率小于无线电波的碰撞频率，并且自由电子的密度足够高，则无线电波可以被全反射。

当无线电频率高于电离层中的等离子体频率时，无线电波可以穿透电离层，因为电子移动得不够快。当射频小于临界频率时，电离层可以垂直反射无线电波:

n是每立方厘米的电子密度，f o是频率。

最高可用频率是信号在一定时间内在两点之间传输的频率上限。

I是波浪与水平线的夹角。

测量

电离层图

电离层图显示了电离层探测仪测得的电离层层高度及其临界频率。电离层探测仪向电离层垂直发送一系列频率。随着频率的增加，信号在被反射之前可以穿透更高的层。最后，频率高到不再反射。

太阳电流

太阳电流是由加拿大渥太华的射电望远镜测量的2800兆赫兹的太阳辐射强度。测量结果表明，这种强度与太阳黑子活动相当。但主要是太阳的紫外线和X射线导致地球高层大气电离。目前，地球静止业务环境卫星可以测量太阳的x光流。这个数据更对应于电离层的电离程度。

研究项目

科学家们使用不同的手段来研究电离层的结构，包括被动观察电离层产生的光学和无线电信号，研究不同射电望远镜的反射信号以及反射信号与原始信号的差异。

始于1993年的为期20年的极光高频活动研究计划和类似项目研究了利用高能无线电发射器改变电离层特性的问题。这些研究侧重于研究电离层等离子体的特性，以更好地了解电离层，并利用它来改进民用和军用通信和遥测系统。

超级双子极光雷达网研究8-20兆赫兹频率在高、中高度的相干散射。相干散射类似于晶体的布拉格散射，是电离层密度差引起的增量衍射散射。该项目包括全球11个不同国家的多部雷达。

科学家们还测量了卫星和其他恒星通过电离层产生的无线电波引起的变化。波多黎各的阿雷西博天文台最初旨在研究地球的电离层。

历史

1899年，尼古拉·特斯拉试图利用电离层进行远距离无线能量传输。他在地面和电离层的所谓肯涅利-赫尔维赛德层之间发送非常低频率的波。他在实验的基础上做了数学计算，他对这个区域共振频率的计算与今天的实验结果相差不到15%。20世纪50年代，学者确认共振频率为6.8Hz。

1901年12月12日，古莱莫·马可尼第一次收到了跨大西洋的信号传输。马可尼使用了由风筝竖起的400英尺长的天线。英国发射台使用的频率约为500千赫，其功率是当时所有发射机的100倍。收到的信号是莫尔斯电码。要穿越大西洋，这个信号必须被电离层反射两次。继续理论计算和今天的实验，有人怀疑马可尼的结果，但马可尼无疑在1902年达到了跨大西洋传播。

1902年，奥利弗·亥维赛提出了电离层肯涅利-赫维斯层理论。这个理论表明无线电波可以绕地球的球面传播。这个理论和普朗克黑体辐射理论可能会阻碍射电天文学的发展。事实上，直到1932年，人类才探测到来自天体的无线电波。1902年，阿瑟·肯涅利还发现了电离层的一些无线电电子特征。

1912年，美国国会通过了《1912年广播法》，规定业余电台只能工作在1.5兆赫以上，当时政府认为这些频率没有用。这导致了1923年利用电离层传播高频无线电波的发现。

1947年，爱德华·阿普尔顿因在1927年证明电离层的存在而获得诺贝尔物理学奖。莫里斯·威尔克斯和约翰·拉德克利夫研究了电离层中长波无线电波的传播。维塔利·金兹堡提出了电磁波在等离子体如电离层中传播的理论。

1962年，加拿大卫星Alouette 1升空用于研究电离层。它的成功推动了1965年发射Alouette 2号卫星，1969年发射ISIS 1号，1971年发射ISIS 2号。这些卫星都用来研究电离层。