这个离我们最近的太空圈层，让人又爱又恨
作者：陈艳红（中国科学院空间中心预报室）
在地球上空大约60公里~1000公里范围内,有一个特殊的区域，人们对它可谓又爱又恨：因为它的存在，使无线电通信成为现实；同时，它又是GPS定位的“捣乱鬼”。
它，就是电离层。
图1 电离层区域示意图
电离层的发现
1901年,扎营守候在加拿大讯号山的意大利科学家马可尼，用风筝架高接收天线，接收到了从英格兰发出的跨越大西洋的无线电信号。
这不禁让人们疑惑，无线电波是如何绕地球弯曲的表面传播的？因为按照当时的理论来解释，从英国发射的无线电波一定直奔太空，怎么可能到达加拿大？
图2 马可尼在1901年那次著名实验中的留影
当时，美国科学家肯涅利和英国科学家亥维赛德不约而同地提出：在地球大气层中有电子层的存在，它可以像镜子般把无线电波反射回地面，这种反射回的信号，使得远方的电台可以互相通信。当时把这个电子层叫做肯涅利-亥维赛德层，这就是现在我们所称的电离层。
1924年，英国物理学家阿普尔顿利用新英国广播公司发射的周期性变频信号进行试验，接收到的信号显示距地面90公里处存在一个反射层。据此，证实了电离层的存在。
从此，电离层作为近地空间环境的一个重要组成部分，成为人们认识自身生存环境的一个重要方面，随后建立了电离层物理学这一学科。
另一方面，凡涉及电波传播和电磁环境的技术领域，例如通信、广播、导航、定位等都十分重视电波传播电离层效应的研究，以至于电离层无线电波传播成为电离层物理之外的另一研究领域。
电离层如何形成？
按国际无线电工程师协会（IRE）的定义，电离层就是“存在足够多的自由电子，能够显著地影响无线电波传播”的区域。那么它是怎么形成的呢？
电子的产生
电离层能够导电的原因是其中存在自由的电子和离子。在中性的原子和分子里，电子被原子核牢牢的吸引着，要使电子脱离原子核，必须消耗一定的能量。那么，是什么力量迫使电子离开它所紧紧依附着的原子或分子呢？
这个看不见的力量来自于太阳。太阳辐射的极紫外线、X射线到达地球上空时，被大气吸收，消散的能量引起中性大气电离，这个产生自由电子的过程称为光电离过程。此外，进入大气层的高能粒子也能产生大气的电离，称为微粒电离。
图3 光电离过程示意图
但是，并不是所有高度的大气成分都能电离产生大量自由电子。电离层的形成需要特殊的“天时地利”条件：
“天时”是指接收到的太阳辐射足够强，能够使中性成分发生电离；“地利”是指正好在地球上空约60公里～1000公里高度范围内，中性大气稀薄适中，电子能够自由存在，并且足够多，以致能影响无线电波传播。
在电离层以下，中性大气稠密，电子和离子很快复合而消失，电子不能自由存在。而在电离层以上的磁层，大气十分稀薄，电子密度极低。
图4 电离层的形成示意图
电子的复合与输运
电离层中的自由电子、离子，还有中性大气分子和原子都处在不停的运动状态中。它们迅速向各个方向移动着，互相碰撞并向不同的方向分开，并继续不停的运动，然后重复着碰撞和分开的过程。
电子的质量最小，因此也是最“调皮”的，它在大气中迅速到处游走，有时，它会出现在一个正离子的附近，由于相互吸引，电子就跑进了相遇的离子中，结果重新生成一个中性原子或分子，这就是复合过程。
有时，自由电子也可能碰上一个中性粒子，它会调皮地“附”在这个粒子上，这时就得到一个带负电的离子，这个负离子也可能遇上带正电的离子，重新复合成中性的分子或原子，由于上述的复合过程，电离层中的电子消失了。
除了电离产生电子、复合损失电子外，电离层中还有一个重要的过程，既不产生新的电子也不使电子消失，只是电子在重力，电场和磁场等外力的作用从一个地方被输送到另一个地方，这个重新分布的过程就是输运过程。
电离层的分层
电离层中低高度的电子主要因复合而损失，而随着高度的增加，电子的输运过程变得越来越重要。电子的产生与损失在不同高度上达到平衡时的结果不同，从而形成了电离层特殊的电子密度随高度分布的结构。
科学家们喜欢用“层”来给不同的区域命名，实际上这些层之间并没有明显的边界：
① 底部：在距地面大约60公里以下，电子密度极低，以致于无线电波感觉不到它们的存在，因此认为60公里就是电离层的底部。
② D层：距地面60公里到90公里左右的区域，它只存在于白天。在夜间，由于没有太阳辐射，D层自由电子迅速复合成中性成分而消失。
③ E层： 高度90公里到120公里左右。E层的自由电子峰值浓度约是D层峰值的100倍。在夜间，E层电子也会由于复合而迅速减少。
④ F层：高度从120公里到1000公里左右。F层电子复合过程较慢，夜间仍然存在，这与夜间电离层顶部向下输送等离子体有关。F层在白天分裂成F1层和F2层，夜间则只有一个F2层。
F层是自由电子最稠密的区域，自由电子密度远远高于D层和E层，对无线电波的反射能力最强。它的存在是短波能够进行远距离通信的主要原因。
图5 电离层的分层
电离层与电波传播
从电离层的发现历程可以看出电离层与无线电波传播是密不可分的。电离层中的电子密度虽然不到中性成分的1%，但这些自由电子足以影响无线电波的传播。那么，无线电波在电离层中究竟是怎样传播的呢？
光在水或者其它媒质中传播时，会发生折射和反射等效应。同样，无线电波进入电离层时也会发生传播路径的改变。电子密度越大，电波折射得越厉害。
在一定条件下，从电离层的D层到F2层的峰值处，电波到达某一高度后将开始全反射向下传播，返回地面。对于不同频率的电波，穿过电离层时的传播路径不同，频率越高，越容易穿出电离层。
例如，甚低频波一般只能在电离层底部和地面构成的“腔体”内进行传播，长波、中波、短波会在电离层的不同高度被反射，超短波、微波在一般情况下可以穿透电离层而不返回地面。
图6 电离层中的电波传播（A：折射；B：吸收；C：散射；D：反射）
另外，电波在电离层中传播时，电子从电波获取了能量，又会与中性粒子发生碰撞，从而将部分能量传递给中性粒子，导致无线电波损失了能量。当电离层中的电子足够多，而电波的能量又不够高时，电子对电波的吸收很强，甚至会将电波全部吸收。
电离层中的D层中性成分的浓度很高，因此这一层是电波吸收的主要区域。D层电离的程度越高，吸收无线电波的能力越强。E层与D层类似，它主要在白天影响传播。F层在白天能把比较高频率的电波反射回地面，而到了晚上由于电子密度的降低，这些较高频率的电波会穿透电离层。因此在晚上，短波的通信频率应比白天低。
人们利用不同频段的电波，通过电离层实现了各种方式的无线电通信和导航。例如，长波和超长波穿透海水的能力很强，人们利用它们实现对潜艇的通信；利用中波实现广播；利用短波实现远距离通信和广播。
卫星上天后，利用较高频率的电波，人们实现了全球的卫星通信和卫星导航。卫星信号都是穿过电离层进行传播的。这时，电离层已经不再是信号传播的媒介，而纯粹是一个“扰乱者”的角色了。例如，人们常常使用的GPS导航设备，会因为电离层的折射误差而降低定位的精度。
电离层是离我们最近的太空圈层，对无线电通信、卫星导航定位、雷达探测等都会产生重要影响，可以说，它与人类高新技术活动乃至日常生活息息相关。虽然让人又爱又恨，还真是离不开它呢！
国家空间科学中心
ID：nssc1958
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
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