电离层：地球大气层中的特殊区域
电离层：地球大气层中的特殊区域
电离层是地球大气层中一个特殊的存在，它位于地球表面以上约60公里至1000公里的高度范围内。这个区域对无线电波的传播有着重要影响，既使得长距离无线电通信成为可能，也给GPS定位等现代技术带来了挑战。本文将带你深入了解电离层的形成、结构及其对人类生活的影响。
图1 电离层区域示意图
电离层的发现
1901年，意大利科学家马可尼在加拿大信号山用风筝式高接收天线，成功接收到了从英格兰发出的跨越大西洋的无线电信号。这一突破性实验引发了科学界的思考：无线电波是如何绕过地球弯曲的表面进行传播的？按照当时的理论，从英国发射的无线电波应该直奔太空，不可能到达加拿大。美国科学家肯涅利和英国科学家亥维赛德分别提出了一个假设：在地球大气层中存在一个电子层，它可以像镜子一样将无线电波反射回地面，从而实现远距离通信。这个电子层最初被称为肯涅利-亥维赛德层，也就是我们现在所说的电离层。1924年，英国物理学家阿普尔顿通过实验证实了电离层的存在，从此电离层作为近地空间环境的重要组成部分，成为人类认识自身生存环境的重要方面。
电离层如何形成？
根据国际无线电工程师协会（IRA）的定义，电离层是存在足够多自由电子能够显著影响无线电波传播的区域。那么，这些自由电子是如何产生的呢？
图3 光电离过程示意图
电离层能够导电的原因是其中存在自由的电子和离子。在中性原子和分子中，电子被原子核牢牢吸引。要使电子脱离原子核，必须消耗一定的能量。这个能量主要来自于太阳。太阳辐射的极紫外线和X射线到达地球大气层时，被大气吸收并消散的能量会引起中性大气的电离，这个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电离，称为微粒电离。
但是，并不是所有高度的大气成分都能产生大量自由电子。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公里至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。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。
电子的复合与输运
电离层中的自由电子、离子以及中性大气分子和原子都处于不停地运动状态中。它们迅速向各个方向移动，互相碰撞并向不同的方向分开，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，电离层中的电子会逐渐消失。
除了电离产生电子和复合损失电子外，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下，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。
电子层的分层
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：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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？
光在水或其他介质中传播时，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的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。
图7 无线电波频段的划分
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。