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电离层（英文：Ionosphere），是地球大气的一个电离区域。电离层受太阳高能辐射以及宇宙线的激励而电离的大气高层。60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把磁层看作电离层的一部分。除地球外，金星、火星和木星都有电离层。电离层从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域，其中存在相当多的自由电子和离子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收。

电离层简介

由于受地球以外射线（主要是太阳辐射）对中性，原子和空气分子的电离作用，距地表60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把磁层看作电离层的一部分。除地球外，金星、火星和木星也有电离层。

在电离作用产生自由电子的同时，电子和正离子之间碰撞复合，以及电子附着在中性分子和原子上，会引起自由电子的消失。大气各风系的运动、极化电场的存在、外来带电粒子不时入侵，以及气体本身的扩散等因素，引起自由电子的迁移。在55公里高度以下的区域中，大气相对稠密，碰撞频繁，自由电子消失很快，气体保持不导电性质。在电离层顶部，大气异常稀薄，电离的迁移运动主要受地球磁场的控制，称为磁层。

电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等空间分布的基本参数来表示。但电离层的研究对象主要是电子密度随高度的分布。电子密度（或称电子浓度）是指单位体积的自由电子数，随高度的变化与各高度上大气成分、大气密度以及太阳辐射通量等因素有关。电离层内任一点上的电子密度，决定于上述自由电子的产生、消失和迁移三种效应。在不同区域，三者的相对作用和各自的具体作用方式也大有差异。

电离层的发现，不仅使人们对无线电波传播的各种机制有了更深入的认识，并且对地球大气层的结构及形成机制有了更清晰的了解。

电离层研究历程

1899年尼古拉·特斯拉试图使用电离层进行远距无线能量传送。他在地面和电离层所谓的科诺尔里亥维赛层之间发送极低频率波。基于他的试验的基础上他进行了数学计算，他对这个区域的共振频率的计算与今天的试验结果相差不到15%。1950年代学者确认这个共振频率为6.8Hz。

1901年12月12日古列尔莫·马可尼首次收获跨大西洋的信号传送。马可尼使用了一个通过风筝竖起的400英尺长的天线。在英国的发送站使用的频率约为500kHz，其功率为到那时为止所有发送机的100倍。收到的信号为摩尔斯电码中的S（三点）。要跨越大西洋，这个信号必须两次被电离层反射。继续理论计算和今天的试验有人怀疑马可尼的结果，但是1902年马可尼无疑地达到了跨大西洋传播。

1902年奥利弗·黑维塞提出了电离层中的科诺尔里亥维赛层的理论。这个理论说明电波可以绕过地球的球面。这个理论加上普朗克的黑体辐射理论可能阻碍了射电天文学的发展。事实上一直到1932年人类才探测到来自天体的无线电波。1902年亚瑟·肯乃利(ArthurKennelly)还发现了电离层的一些电波-电子特性。

1912年美国国会通过1912年广播法案，下令业余电台只能在1.5MHz以上工作。当时政府认为这以上的频率无用。致使1923年使用电离层传播高频无线电波的发现。

1947年爱德华·阿普尔顿因于1927年证实电离层的存在获得诺贝尔物理学奖。莫里斯·威尔克斯和约翰·拉克利夫研究了极长波长电波在电离层的传播。维塔利·金兹堡提出了电磁波在电离层这样的等离子体内的传播的理论。

1962年加拿大卫星Alouette1升空，其目的是研究电离层。其成功驱使了1965年Alouette2卫星的发射和1969年ISIS1号和1971年ISIS2号的发射。这些卫星全部是用来研究电离层的。

等离子体态

由于热运动和电磁力的作用，从某个分子逸出的电子可能与另一失去电子的阳离子碰撞而复合，也可与中性分子暂时结合而成阴离子。在电离层中，电离与复合总在不断地进行着，但在一块地区内，自由电子和阴离子的浓度与阳离子的浓度基本上是相同的，因而总体呈电中性。这是物质的第四态，称为等离子体态。电离层的温度最高不超过1000K，属于冷而弱的等离子体。

太阳辐射的各种成分对大气的作用不同，短紫外线和X射线使大气电离，较长的紫外线使大气分子分解为单个原子，更长的紫外线使O2变为O3。微粒流能引起大气电离和升高温度等多种作用。太阳辐射穿过大气时，因被吸收而衰减。穿越相同的气层，辐射的波长越短，衰减越多。因此，只有波长较长的紫外线能达到地面，大气的成分也因吸收紫外线而随高度改变。

电离层中离子的分布

研究和火箭实测表明，大约90km高度以下大气分子量没有明显变动，但在高度l0～50km范围内O3含量的百分数较大，极大值约在20～35km处。35～40km以上出现NO。90km以上O2开始分解为氧原子，在更高处N2也开始分解，在约100km以上，大气的主要成分为O、N2和N。在约500km以上，N2和O2就都不存在了，He和H含量的百分数则逐渐增加，到2000km以上就只有这两种原子了。

大气分子有向外散逸的趋势。这种趋势与地球引力对抗的结果，大气压力随高度按指数规律衰减。各种成分所含的离子数可能在某一高度上出现最大值，但因各种因素（包括地磁场）对电离层同时作用以及带电粒子的迁移、散逸的结果，实际的离子浓度随高度的变动并不是几种成分理论分布的叠加。大体上，阴离子只存在于70km（白天）或90km（夜晚）以下，其上主要是浓度基本相同的阳离子和自由电子。浓度随高度的分布曲线在某几个高度上出现逗留，这些高度对于电磁波的反射起着重要的作用。各区域从下而上命名为D层（约在地面以上40～90km）、E层（约90～160km）和F层（伸展到数千公里以外）。

电子浓度随高度的分布受时间、季节和太阳的活动性影响很大，浓度值和各区的范围都不是固定的。在夜间由于受不到太阳的照射，而低层大气的密度又较大，复合较强，D层会消失，E、F层的电子浓度也会降低一、二个数量级。在很偶然的情况下，E层中会出现Es层，电子浓度程高，甚至能反射50MHz左右的电磁波，其寿命则只有数小时或更短。在太阳表面黑子较多而喷出大量粒子流时，F层可能因受热膨胀而浓度大大下降，以致短波通信中断几小时乃至几十小时。这种情况在高纬度地区比较严重。

电离层是色散性媒质。当折射率成为虚数时，电磁波受到截止衰减，不能传播。

电离层中自由电子的运动

电离层中的自由电子在电场的作用下，其运动方式是随机的热运动与有规则的振动相叠加。在与其它较重粒子碰撞时，其振动动能由被撞的粒子吸收，而这种动能是由对电子施力的电磁场能流转化而来，因此碰撞使电磁波受到吸收衰减。在D层，由于大气密度高，碰撞频率约有8×107次/秒。在F层，除在太阳爆发时（热骚动）以外，其碰撞几乎可以忽略。电离层中自由电子的运动还受地磁场的影响。电子热运动的轨迹并不是直折线。在电离层中有外电磁场作用时，由于电离程度弱，电荷之间的相互作用以及电磁波中的磁场对电子的作用都相对很弱，决定电子有规运动的力来自电磁波的电场和地磁场。地磁场力的方向正交于地磁场与电子速度所共的平面，使电子随时得到横向加速度，因而电子的有规振动不与电场共直线，于是等效电极化强度矢量与电场强度矢量不平行。电离层在地磁场影响下成为磁旋各向异性媒质。电离层的等效折射率具有双值n1、n2，且与波的传播方向和地磁方向的夹角有关，在n1、n2，都是实数的情况下，n1<n2。在波传播方向和地磁方向垂直时，n2与地磁场无关，故称为寻常折射率而n1则称为异常折射率。

电离层并不是整体静止的，那里也存在着随机的流动。带电粒子的分布是在其平均值上叠加着随机的起伏，在某些地区还可能存在浓度较高的团块，而且起伏和团块都是随时间变动的。电离层精细结构的探测与机理分析，正吸引着很多人的注意。