電離層

由於受地球以外射線（主要是太陽輻射）對中性，原子和空氣分子的電離作用，距地表60千米以上的整個地球大氣層都處於部分電離或完全電離的狀態，電離層是部分電離的大氣區域，完全電離的大氣區域稱磁層。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、火星和木星也有電離層。

在電離作用產生自由電子的同時，電子和正離子之間碰撞複合，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，氣體保持不導電性質。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佈的基本參數來表示。但電離層的研究對象主要是電子密度隨高度的分佈。電子密度（或稱電子濃度）是指單位體積的自由電子數，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。電離層內任一點上的電子密度，決定於上述自由電子的產生、消失和遷移三種效應。在不同區域，三者的相對作用和各自的具體作用方式也大有差異。

電離層的發現，不僅使人們對無線電波傳播的各種機制有了更深入的認識，並且對地球大氣層的結構及形成機制有了更清晰的了解。

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送極低頻率波。基於他的試驗的基礎上他進行了數學計算，他對這個區域的共振頻率的計算與今天的試驗結果相差不到15%。1950年代學者確認這個共振頻率為6.8Hz。

1901年12月12日古列爾莫·馬可尼首次收穫跨大西洋的信號傳送。馬可尼使用了一個通過風箏豎起的400英尺長的天線。在英國的發送站使用的頻率約為500kHz，其功率為到那時為止所有發送機的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。繼續理論計算和今天的試驗有人懷疑馬可尼的結果，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的發展。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(ArthurKennelly)還發現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，下令業餘電台只能在1.5MHz以上工作。當時政府認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現。

1947年愛德華·阿普爾頓因於1927年證實電離層的存在獲得諾貝爾物理學獎。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的傳播的理論。

1962年加拿大衛星Alouette1升空，其目的是研究電離層。其成功驅使了1965年Alouette2衛星的發射和1969年ISIS1號和1971年ISIS2號的發射。這些衛星全部是用來研究電離層的。

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，產生自由電子和正、負離子，形成等離子體區域即電離層。電離層從宏觀上呈現中性。電離層的變化，主要表現為電子密度隨時間的變化。而電子密度達到平衡的條件，主要取決於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生電離，在單位體積內每秒鐘所產生的電子數。電子消失率是指當不考慮電子的漂移運動時，單位體積內每秒鐘所消失的電子數。帶電粒子通過碰撞等過程又產生複合，使電子和離子的數目減少；帶電粒子的漂移和其他運動也可使電子或離子密度發生變化。

4.1綜述

電離層形態是電離層中電子密度等基本參量的空間結構（高度和經緯度分佈）及其隨時間（晝夜、季節和太陽活動周期）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（其平方正比於峰值電子密度）與太陽天頂角ě近似地滿足由簡單層理論所導出的關係式П=ɑcosě(兆赫)，式中ɑ和b為常數。這個關係式反映了電離層電子密度隨時間和地區變化的基本趨勢。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，形態更為複雜。D層和F1層的峰形一般並不很凸出。圖1為電離層電子密度的典型高度分佈。

4.2D層

離地面約50～90公里。白天，峰值密度NmD和相應高度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的夏季值大於冬季值，但在中緯地區，冬季有時會出現異常吸收。夜間，電離基本消失。

4.3E層

離地面約90～130公里。白天，峰值密度NmE及其相應高度hmE的典型值分別為10厘米和115公里。NmE的晝夜、季節和太陽活動周期三種變化，大致符合簡單層理論公式，分別於中午、夏季和活動高年達到最大值；這時，公式中常量ɑ≈0.9(1801.44R)，b≈0.25，R為12個月內太陽黑子數流動平均值。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。

4.4F層

離地面約130公里以上，可再分為F1和F2層。

①F1層（離地面約130～210公里）：白天，峰值密度NmF1及其相應高度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層只出現於夏季，在太陽活動高年和電離層暴時，F1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≈4.30.01R，b≈0.2。

②F2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域，其上邊界與磁層相接。白天，峰值密度NmF2及其相應高度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，NmF2的正午值都與太陽活動性正相關。hmF2與太陽活動性一般也有正相關關係，除赤道地區外，夜間值高於白天值。在F2層，地球磁場大氣各風系、擴散和其他動力學因素起著重要的作用，其形態變化不能用查普曼的簡單層理論來描述，於是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層電子密度並不在赤道上空最大，它明顯地受地磁場控制，其地理變化呈“雙峰”現象，在磁緯±20度附近達到最大值。在高緯度地區，可觀測到許多與帶電粒子沉降有關的異常現象。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。

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和相應高度hm在中緯度地區的平均晝夜變化。

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構：Es層即偶發E層（見Es層電波傳播）和擴展F層（見電離層不均勻體）。

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（產生電離的能力）越趨減弱，而大氣密度逐漸增加，於是，在某一高度上出現電離的極大值。大氣不同成分，如分子氧、原子氧和分子氮等，在空間的分佈是不均勻的。它們為不同波段的輻射所電離，形成各自的極值區，從而導致電離層的層狀結構。電離層在垂直方向上呈分層結構，一般劃分為D層、E層和F層，F層又分為F1層和F2層。最大電子密度約為10厘米，大約位於300千米高度附近。除正規層次外，電離層區域還存在不均勻結構，如偶發E層（Es）和擴展F。偶發E層較常見，是出現於E層區域的不均勻結構。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是一種出現於F層的不均勻結構，在赤道地區，常沿地磁方向延伸，分佈於250～1000千米或更高的電離層區域。

電離層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緯度、經度呈現複雜的空間變化，並且具有晝夜、季節、年、太陽黑子周等變化。由於電離層各層的化學結構、熱結構不同，各層的形態變化也不盡相同。

電離層模式是電離層諸參量隨高度變化的數學描述。這種變化與地理位置、季節、地方時，以及太陽和地磁活動性有關。複雜的電離層形態給實際應用帶來極大困難，因此，人們在大量實測數據的基礎上，用較簡單的數學模式描述電離層形態和結構，以便在無線電通信和宇宙航行等工程設計中應用。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；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，須在不同部分採用不同的數學表達式。

對F層峰值以下的電子密度剖面，可按照不同的實際應用，採用不同的組合模式。國際無線電諮詢委員會推薦用於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。模式參數可以從電離層觀測站所得到的特性參數推算出來。一般情況下，所得的電子密度分佈與實際分佈的高度差別小於20公里。其他的模式還有：餘弦模式（F2層）-正割模式（E-F層）-拋物模式（E層）的組合模式，可用於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，便於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層峰值區域在內的電子密度剖面中，較典型的有本特模式和賓夕法尼亞州1號電離層模式。本特模式的高度範圍約從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模式。本特模式忽略剖面（特別是F部區域）的細節，著眼於精確地表達電離層電子含量。它適用於計算無線電波由於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）是在一個經驗所得的高度範圍內，模擬電離層的物理化學過程，通過調節電離反應速度和垂直電子流計算電子密度。這一模式主要用於研究輸運過程和風的衰減等理論問題。

國際無線電科學聯盟和美國空間研究委員會根據電離層的實測資料編製成《國際參考電離層》，它是一套專門的計算機程序，輸入數據為地理經度和緯度、月份、本地時間、太陽黑子數。輸出數據為電離層諸參量的垂直分佈。圖3為輸出剖面示例。

由於來自外空，太陽和地球大氣本身的各種擾動源的激發，電離層還會產生相應的擾動變化和不規則結構，表現各種不同的形態（見電離層擾動、電離層不均勻體、電離層調變）

7.1綜述

實際上電離層不像上面所敘述的那樣由規則的、平滑的層組成。實際上的電離層由塊狀的、雲一般的、不規則的電離的團或者層組成。

7.2冬季異常

夏季由於陽光直射中緯度地區的F2層在白天電離度加高，但是由於季節性氣流的影響夏季這裡的分子，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於電離度的增高。因此造成夏季F2層反而比冬季低。這個現象被稱為冬季異常。在北半球冬季異常每年都出現，在南半球在太陽活動低的年度里沒有冬季異常。

7.3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。由於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致磁赤道附近±20度之間F層的電離度加強。

8.1X射線

太陽活躍時期強烈的耀斑發生時硬X射線會射擊到地球。這些射線可以一直穿透到D層，在這裡迅速導致大量自由電子，這些電子吸收高頻（3-30MHz）電波，導致無線電中斷。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射線結束后D層電子迅速被捕獲，無線電中斷很快就會結束，信號恢復。

8.2質子

耀斑同時也釋放高能質子。這些質子在耀斑爆發后15分鐘至2小時內到達地球。這些質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。極冠吸收可以持續一小時至數日，平均持續24至36小時。

8.3地磁風暴

地磁風暴是地球磁場暫時的、劇烈的騷擾。

地磁風暴時F2層非常不穩定，會分裂甚至完全消失。在極地附近會有極光產生。

9.1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。最後頻率高到不再被反射。

9.2太陽流

太陽流是使用加拿大渥太華的一台射電望遠鏡測量的太陽輻射在2800MHz頻率的強度。測量結果證明這個強度與太陽黑子活動相稱。不過導致地球大氣上層電離的主要是太陽的紫外線和X射線。地球靜止業務環境衛星可以測量太陽的X射線流。這個數據與電離層的電離度更加相應。

9.3研究項目

科學家使用不同手段研究電離層的結構，包括被動觀測電離層產生的光學和無線電信號，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射機來改變電離層的特性。這些研究集中於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。

超級雙子極光雷達網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。

科學家還測量衛星和其它恆星的無線電波經過電離層所產生的變化。位於波多黎各的阿雷西博天文台本來就是打算用來研究地球電離層的。

10.1綜述

電離層對電波傳播的影響與人類活動密切相關，如無線電通訊、廣播、無線電導航、雷達定位等。受電離層影響的波段從極低頻（ELF）直至甚高頻（VHF），但影響最大的是中波和短波段。電離層作為一種傳播介質使電波受折射、反射、散射並被吸收而損失部分能量於傳播介質中。3～30千赫為短波段，它是實現電離層遠距離通訊和廣播的最適當波段，在正常的電離層狀態下，它正好對應於最低可用頻率和最高可用頻率之間。但由於多徑效應，信號衰落較大；電離層暴和電離層突然騷擾，對電離層通訊和廣播可能造成嚴重影響，甚至訊號中斷。300千赫至3兆赫為中波段，廣泛用於近距離通訊和廣播。

10.2無線電

百年前，三聲短促而且微弱的訊號，向世界宣布了無線電的誕生。一九〇一年，紮營守候在訊號山(SignalHill位於加拿大東南角)的義大利科學家馬可尼，終於接收到了從英格蘭發出的跨過大西洋的無線電訊號，這個實驗向世人證明了無線電再也不是僅限於實驗室的新奇東西，而是一種實用的通訊媒介。此後短波用作全球性的國際通訊媒介便開始發達起來了。

11.1綜述

在地震多發區，其上空的電離層常常異常，這是由俄羅斯及日本的學者組成的研究小組通過多年對電離層電子濃度的觀測發現，得出的結論，它將對人類研究地震形成及地震前期預報提供幫助。他們分析了由原蘇聯發射的一顆衛星在五年半時間內對電離層觀測得到的相關數據和全球各地的地震發生記錄，並進行了比較。電離層擾動，就像一盆水放在地面上，即使沒有風吹，自己內部有泡泡也會導致水面不平靜，因此，跟蹤大氣電離層電子濃度的變化可預測地震的發生，能夠最大限度地減少地震帶來的人員傷亡和財產損失。比較公認的地震影響電離層的理論有兩種：一是地震區產生的內重力波對電離層的影響，二是地震區的異常垂直電場進入電離層從而引起電離層擾動。

11.2研究發現

參與共同研究工作的是日本宇宙開發事業團及俄羅斯科學院航空宇宙監測科學中心通過多年研究發現，地震前震中上空大氣電離層電子濃度發生著急劇改變。過去曾有科學家指出地震與電離層變化之間有聯繫，也有在地震發生的前後觀測到地磁波的存在和電離層的變化等相關記錄，但在關於“地面上的電磁波是不是會對電離層產生影響”這一問題，人們普遍存在懷疑。此次，科學家們將一九七七至一九七九年的記錄數據進行分析，發現包括日本在內的太平洋西部地震多發區，在這段時間內共發生了一百五十次以上的里氏五級以上大地震，而這些地區的上空電離層的電子密度也遠遠高於平常密度。而那些很少發生地震的地區，電離層的電子相對較低。

11.3監測方法

電離層中電子濃度的變化比較複雜，參與研究工作的日本專家兒玉哲哉指出，假如增加觀測電離層的衛星數量，那麼準確預報地震將不會再是一句空話。但藉助於美國的GPS和俄羅斯的“格洛納斯”全球衛星系統就可以監測電離層狀態的變化。該方法對預測短期地震很有價值，條件是大氣電離層電子濃度的變化應該是周期性測量得到的。為了周期性的觀測大氣電離層的狀態，俄研究人員使用了無線電信號，衛星釋放出的雙頻無線電信號可以被地面站接收到。在衛星定位系統雙頻信號的基礎上，科研人員研製出了計算信號參數變化的演演算法，並編製了計算機程序。

2009年3月，國內首個根據大氣電離層變化來監測地震的探測試驗站在聊城地震水化試驗站建成。

11.4得到驗證

研究人員指出，跟蹤大氣電離層電子濃度變化預測地震的這種方法在2004年9月16日至22日發生在俄羅斯加里寧格勒的地震事件中得到了驗證。這次地震是在同一地方以2.5小時為間隔發生的，地面衛星信號接收站距離震中在260千米到320千米之間。觀測數據表明，震前的3至5個晝夜的時間內電離層電子濃度在增長，而在震前2個晝夜的時間內電子濃度的最大值大大下降了，電離層電子濃度急劇下降只發生在震中附近，位於震中1100千米的地面設備記錄的信號沒有任何改變。因此，可以認為，電離層電子濃度的急劇下降是由於地震效應引起的，電離層的這種狀態就是要發生地震的徵兆。以往的研究結果顯示，對於5級以上的地震，在地震附近地區一般會出現電離層擾動，概率約為74.1%。

11.4震前異常

從2008年5月5日到15日，汶川以東至日本沖繩、南至海南南部地區的電離層出現明顯擾動，電離層TEC出現了明顯增加，而平時，這樣的增加很少能看到。5月9日的擾動，則是“往水中扔了一塊石頭”，後來發生大地震的所在地附近出現了大範圍的電離層參數異常增加。

由於熱運動和電磁力的作用，從某個分子逸出的電子可能與另一失去電子的陽離子碰撞而複合，也可與中性分子暫時結合而成陰離子。在電離層中，電商與複合總在不斷地進行著，但在一塊地區內，自由電子和陰離子的濃度與陽離子的濃度基本上是相同的，因而總體呈電中性。這是物質的第四態，稱為等離子體態。電離層的溫度最高不超過1000K，屬於冷而弱的等離子體。

太陽輻射的各種成分對大氣的作用不同，短紫外線和X射線使大氣電離，較長的紫外線使大氣分子分解為單個原子，更長的紫外線使O2變為O3。微粒流能引起大氣電離和升高溫度等多種作用。太陽輻射穿過大氣時，因被吸收而衰減。穿越相同的氣層，輻射的波長越短，衰減越多。因此，只有波長較長的紫外線能達到地面，大氣的成分也因吸收紫外線而隨高度改變。

研究和火箭實測表明，大約90km高度以下大氣分子量沒有明顯變動，但在高度l0～50km範圍內O3含量的百分數較大，極大值約在20～35km處。35～40km以上出現NO。90km以上O2開始分解為氧原子，在更高處N2也開始分解，在約100km以上，大氣的主要成分為O、N2和N。在約500km以上，N2和O2就都不存在了，He和H音量的百分數則逐漸增加，到2000km以上就只有這兩種原子了。

大氣分子有向外散逸的趨勢。這種趨勢與地球引力對抗的結果，大氣壓力隨高度按指數規律衰減。各種成分所含的離子數可能在某一高度上出現最大值，但因各種因素（包括地磁場）對電離層同時作用以及帶電粒子的遷移、散逸的結果，實際的離子濃度隨高度的變動並不是幾種成分理論分佈的疊加。大體上，陰離子只存在於70km（白天）或90km（夜晚）以下，其上主要是濃度基本相同的陽離子和自由電子。濃度隨高度的分佈曲線在某幾個高度上出現逗留，這些高度對於電磁波的反射起著重要的作用。各區域從下而上命名為D層（約在地面以上40～90km）、E層（約90～160km）和F層（伸展到數千公里以外）。

電子濃度隨高度的分佈受時間、季節和太陽的活動性影響很大，濃度值和各區的範圍都不是固定的。在夜間由於受不到太陽的照射，而低層大氣的密度又較大，複合較強，D層會消失，E、F層的電子濃度也會降低一、二個數量級。在很偶然的情況下，E層中會出現Es層，電子濃度程高，甚至能反射50MHz左右的電磁波，其壽命則只有數小時或更短。在太陽表面黑子較多而噴出大量粒子流時，F層可能因受熱膨脹而濃度大大下降，以致短波通信中斷幾小時乃至幾十小時。這種情況在高緯度地區比較嚴重。

電離層是色散性媒質。當折射率成為虛數時，電磁波受到截止衰減，不能傳播。

電離層中的自由電子在電場的作用下，其運動方式是隨機的熱運動與有規則的振動相疊加。在與其它較重粒子碰撞時，其振動動能由被撞的粒子吸收，而這種動能是由對電子施力的電磁場能流轉化而來，因此碰撞使電磁波受到吸收衰減。在D層，由於大氣密度高，碰撞頻率約有8×107次/秒。在F層，除在太陽爆發時（熱騷動）以外，其碰撞幾乎可以忽略。電離層中自由電子的運動還受地磁場的影響。電子熱運動的軌跡並不是直折線。在電離層中有外電磁場作用時，由於電離程度弱，電荷之間的相互作用以及電磁波中的磁場對電子的作用都相對很弱，決定電子有規運動的力來自電磁波的電場和地磁場。地磁場力的方向正交於地磁場與電子速度所共的平面，使電子隨時得到橫向加速度，因而電子的有規振動不與電場共直線，於是等效電極化強度矢量與電場強度矢量不平行。電離層在地磁場影響下成為磁旋各向異性媒質。電離層的等效折射率具有雙值n1、n2，且與波的傳播方向和地磁方向的夾角有關，在n1、n2，都是實數的情況下，n1

電離層並不是整體靜止的，那裡也存在著隨機的流動。帶電粒子的分佈是在其平均值上疊加著隨機的起伏，在某些地區還可能存在濃度較高的團塊，而且起伏和團塊都是隨時間變動的。電離層精細結構的探測與機理分析，正吸引著很多人的注意。