电离层：无线电通信的幕后英雄
电离层：无线电通信的幕后英雄
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。这个区域对无线电通信至关重要，同时又可能干扰GPS定位的准确性。本文将带你深入了解电离层的发现历史、形成机制及其对现代通信技术的影响。
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几乎同时提出，在地球大气层中存在一个电子层，这个电子层可以像镜子一样将无线电波反射回地面，从而实现远程通信。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进一步证实了电离层的存在。他在接收信号时发现了一个位于距地面90公里处的反射层，这为电离层的研究奠定了基础。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关键领域之一。
电离层的形成
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的区域，这些自由电子能够显著影响无线电波的传播。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在于其中存在自由电子和离子。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，需要消耗一定的能量。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，会被大气吸收并消散能量，从而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定的条件：天时（接收到的太阳辐射足够强）和地利（正好在地球上空约60公里至1000公里的高度范围内）。在这个高度范围内，中性大气的密度适中，既能保持电子的自由存在，又能维持足够的电子密度。而在电离层以下，中性大气过于稠密，电子和离子容易复合消失；而在电离层以上，大气过于稀薄，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。它们迅速向各个方向移动，互相碰撞并分开，然后继续运动，重复着碰撞和分开的过程。
电子由于质量最小，是最活跃的。当电子遇到正离子时，会被吸引进入离子中，重新生成中性原子或分子，这个过程称为复合过程。有时自由电子也可能附着在中性粒子上，形成带负电的离子，这个负离子可能再次与带正电的离子复合成中性分子或原子。由于这些复合过程，电离层中的电子数量会减少。
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，即电子的输运过程。在这个过程中，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称为输运过程。
电子层的分层
电离层根据电子密度的不同，可以分为几个层次：
- 底部：距地面约60公里以下，电子密度极低，对无线电波的影响可以忽略。
- D层：距地面60公里到90公里左右，仅存在于白天。在夜间，由于没有太阳辐射，D层的自由电子会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层电子也会因复合而迅速减少。
- F层：高度从120公里到1000公里左右。F层电子的复合过程较慢，夜间仍然存在。F层在白天会分裂成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，对无线电波的反射能力最强，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密切相关。虽然电离层中的电子密度仅占中性成分的1%，但这些自由电子足以影响无线电波的传播。
无线电波进入电离层时会发生折射和反射等效应。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。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)
电波在电离层中传播时，电子会从电波获取能量，然后与中性粒子发生碰撞，将部分能量传递给中性粒子，导致无线电波损失能量。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层是电波吸收的主要区域。D层电离程度越高，吸收无线电波的能力越强。E层与D层类似，主要在白天影响传播。F层在白天能反射较高频率的电波，而到了晚上由于电子密度降低，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，用于潜艇通信
- 中波用于广播
- 短波用于远距离通信和广播
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，GPS导航设备会因为电离层的折射误差而降低定位精度。
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。