什麼是電離層

地球大氣的一個電離區域，高度範圍大約在60～1000公里。由於太陽紫外線、X射線和高能粒子等的作用，60公里以上的整個地球大氣層都處於部分電離或完全電離的狀態。磁層是完全電離的大氣區域，而電離層是部分電離的大氣區域。在電離層中，含有足夠多的自由電子，能顯著地影響無線電波的傳播。同時，這部分大氣相對稠密，沒有完全電離，帶電粒子和中性分子的碰撞頻繁，因而電子運動仍在很大程度上受這種碰撞的控制或影響。某些情況下，單從電離角度來看，也有人把整個電離的地球大氣叫做電離層，這樣就把磁層也看作是電離層的一部分。除地球之外，金星、火星和木星都有電離層（見行星電離層）。

研究簡史

19世紀，為了解釋地磁場的變化，C.F.高斯和開爾文(Kelvin)等曾提出高空存在導電層的設想；斯圖爾特(B. Stewart)甚至提出由風激起導電層中電流的設想。1901年，馬可尼(oni)成功地進行了橫越大西洋的無線電波傳輸實驗，它不僅在無線電通訊史，而且在利用無線電波探測電離層的發展史上揭開了新的一頁。1902年肯內利（elly）和亥維賽（-viside）就認為高層大氣中的導電層可能反射無線電波。1924年，英國的Sir E.V.阿普爾頓等通過向上發射變換頻率的無線電波得到回波而直接證實了電離層的存在，次年美國的佈雷特(t)和圖夫(M.A. Tuve)也獨立地接收到來自電離層的回波，佈雷特等人使用了垂直向上發射無線電脈衝的方法，成為後來電離層垂直探測方法的基礎。1926年，英國人沃森-瓦特(on-Watt)則首次提出了“電離層”這一名稱。從20世紀20年代開始，人們在電磁波和電離氣體相互作用的理論和實驗研究方面進行了大量的工作。

1925～1932年間，阿普爾頓和哈特里 (ree)等人創立了磁離子理論，為研究電波在電離層中的傳播奠定了理論基礎。1931年S.查普曼又提出電離層形成理論，這樣就揭開了電離層中各種動力過程研究的序幕。隨著研究的深入，人們利用各種形式的電波傳播探測方法對電離層進行了廣泛的探測（見電離層探測）。特別是50年代以來，火箭和衛星的應用，使直接探測得以實現，獲得了上部電離層的大量資料（見電離層直接探測、電離層頂部探測）。

1936年，中國在上海進行了日偏食期間的電離層探測。1946～1949年，武昌、蘭州、重慶等地建立了電離層垂直探測站。1949年以後，先後增設了烏魯木齊、滿洲里、長春、北京、廣州和海口等站，形成了中國電離層垂直探測網，積累了大量資料。1957年以來，探測站逐步實現了自動化，還進行了火箭和衛星對電離層的間接探測和直接探測。在此基礎上，建立了電波傳播的預報服務，較廣泛地開展了電離層物理及電波傳播研究。

結構和形態

表徵電離層特徵的主要參量是電子密度。依據電子密度隨高度的分佈特徵，電離層分為 D層、E層和F層。白天F層又分為F1層和F2層。各層電子密度峰值分別處於90、110、180和300公里附近，最大電子密度可達106釐米-3(見電離層結構)。電離層的分層結構只是電離層狀態的理想描述，實際上電離層總是隨經度、緯度呈現著複雜的空間變化，並且有周日、季節和年變化（見電離層形態）。當太陽活動劇烈時，還會發生電離層騷擾。電離層作為地球大氣的組成部分，時刻處於不停的運動之中。這種運動又在電離層中激發不穩定性過程和不均勻結構。

為了描述電離層狀態的時空變化，人們建立了各種電離層模式，包括解析模式和經驗模式。自1978年起，國際無線電科學聯盟(URSI)和空間研究委員會(COSPAR)不定期頒佈電離層經驗模式（稱國際參考電離層），由它可以計算各種電離層參量在任何時刻的全球分佈，以供電離層研究和工程部門應用（見電離層模式）。

電離層和電波傳播

電離層對人類經濟活動的重大意義首先是和它對電波傳播的影響聯絡在一起的，這涉及到無線電通訊、廣播、無線電導航、雷達定位等方面的應用。受影響的波段從極低頻(ELF)直到甚高頻(UHF)。當然受到影響的機制和程度各不相同，對很低的頻率，在地面和電離層之間無線電波以波導模傳播；即使對很高的頻率，電離層中的不均勻結構仍可使衛星和地面通訊訊號的相位和幅度產生隨機起伏(或稱閃爍)。不過，影響最大的仍然是中波和短波段，在中波和短波段，電離層作為一種傳播介質使電波受到折射、反射、散射並損失它的一部分能量於介質中。此外，還使電波訊號發生頻率漂移以及相位和偏振狀態的改變。對於強的無線電波，還會出現電離層非線性現象，即強無線電波可以影響電離層的某些參量，例如改變電子溫度。受了電波影響的介質反過來再作用於電波，從而使電波受到的影響和磁離子理論的預言不同（見電離層無線電波傳播）。

beth and iott，Introduction to Ionospheric Physics、，Academic Press，New York，1969.