電離層：地球大氣的高空魔鏡 通訊、廣播、導航都離不開它

已進入預定軌道的美國「GOLD」航天器，將全景式觀測電離層和高層大氣，研究颶風及地磁暴等對它們的影響。

在距離地面約60到1000千米範圍內，存在著一個特殊區域，儘管很多人不熟悉它，但日常的通訊、廣播、導航、定位都離不開這個區域，它就是電離層。

美國航天局近期公布了兩項探索電離層的新計劃，目的就在於了解空間天氣、地磁暴等現象如何影響大氣層上部的電離層。

天生不安分 存在著大量自由帶電粒子

在地球引力的作用下，地球大氣聚集在地球周圍而形成了大氣層，大氣層受到太陽輻射、日月引力等作用，處於不停的運動之中。它的密度、溫度、壓力、成分和電離度等隨著高度、經緯度時而變化。

我們熟悉的對流層、平流層、散逸層等，是按地球大氣溫度隨高度分布的特徵來分的。如果按大氣電離狀況分層，則可分為中性層、電離層和磁層。

與「老實」的中性層相比，電離層可謂是相當不安分。在中性層中，原子和分子的電子被原子核牢牢吸引住，因而中性層並不導電。而電離層如同它的名字一樣，是被電離的大氣層，存在著大量的自由電子和離子。

中科院地質與地球物理研究所劉立波研究員介紹，要迫使電子離開牢牢依附著的原子或分子，就需要足夠高的能量，而這個神秘力量正是太陽輻射中的紫外線、X射線等。當紫外線、X射線到達地球上空時，被大氣吸收，消散的能量引起中性大氣電離，這個產生自由電子的過程稱為光電離。此外，進入大氣層的高能粒子也能產生大氣的電離，稱為微粒電離。

電子密度是衡量電離層的重要物理量，其決定於兩個相反的過程：一個是中性大氣吸收太陽輻射而電離的過程；另一個是正負帶電粒子碰撞而複合成中性粒子的過程。

那為什麼只有電離層能產生大量的自由電子和離子呢？原來在很高的高度上，太陽輻射雖強，但空氣密度很小，可供電離的成分有限，所以電子密度不會很大；在較低高度處，空氣密度大，可供電離的中性成分很多，但太陽輻射透過厚厚的大氣時變得愈來愈弱，而且複合過程變強，因此，這裡的電子密度也不會很大。

由此可知，電子密度在某一中間高度將達到最大值，因而電離層就成了大氣層中的特殊成員。由這個高度往下，電子密度迅速減小；由此往上，電子密度緩慢減小，到約1000千米處與磁層銜接。

像一面反射鏡 能改變短波無線電傳播路徑

按照無線電工程師協會（IRE）的定義，電離層是以地面60千米以上到磁層頂之間的整個空間。雖然電離層中的電子密度不到中性成分的1%，但足以影響無線電波的傳播。

1901年，義大利發明家、無線電工程師馬可尼使用了一個通過風箏豎起的400英尺（約122米）長的天線，接收到從相隔3000千米外、橫跨大西洋的英國普爾杜發送的無線電信號，開闢了無線電遠距離通訊的新時代。這也不僅讓人產生了疑問，按照當時的理論，從英國發射的無線電波應該直奔太空，怎麼能繞地球傳播呢？

1924年英國科學家阿普頓證明了上層大氣有所謂的電離層存在。在英國廣播公司的合作下，他從波內茅斯發送台發射電波到上層大氣，檢驗是否會被反射並折返回來，實驗取得了完全的成功。

電離層對電波的反射，和我們平時照鏡子的原理很像。在日常生活中，我們幾乎天天都要照鏡子，對著它梳洗打扮、整理衣冠。但並不是所有鏡子都能準確呈現我們的容貌，像哈哈鏡中反映出的像就和現實相差甚遠。這是因為反射像的形狀是由反射平面的形狀和光滑程度決定的，哈哈鏡雖然光滑，但表面卻不是平面，呈現出的像自然歪曲了。銅板鏡不能照人，但打磨光滑了就能見到人像，這就是古人用的銅鏡。可見反射像的好壞和鏡子的好壞密切相關。

同樣，電離層就是短波無線電長距離傳播的一面鏡子，可以說短波無線電通訊是否有效和電離層有極大的關係。如同光在水中傳播時會發生反射和折射一樣，短波無線電進入電離層時也會發生傳播路徑的改變。

讓人歡喜讓人憂 可能突然「興奮」造成破壞性後果

實際上電離層並不是一面平滑的鏡子。劉立波告訴科技日報記者，季節、晝夜、太陽活動等都是影響電離層的重要因素。電子密度越大，電波折射得越厲害。通常我們將電離層分為D、E、F三層，F層還可分為F1層和F2層。

D層是距地面60千米到90千米左右的區域，它只存在於白天。在夜間，由於沒有太陽輻射，D層自由電子迅速複合成中性成分而消失。

E層的高度在90千米到120千米，電子密度高於D層。在夜間，E層電子也會由於電子複合而迅速減少。

F層是電子密度最大的區域，對無線電波的反射能力最強，是短波能夠進行遠距離通訊的主要原因。它的高度從120千米到1000千米，電子複合過程較慢，夜間仍然存在。F層在白天分裂成F1層和F2層，夜間則只有一個F2層。

電離層的變化規律雖然有跡可循，但有時突然出現的擾動也會讓人十分頭疼。電離層的急劇變化，會使地面的無線電通訊受到嚴重影響。1989年3月13日23時，加拿大魁北克省的供電網路全部癱瘓，全省陷入長達9小時的黑暗和寒冷之中，災難的元兇就是太陽風暴。

因受到太陽輻射而形成的電離層，始終受到太陽活動的影響。表面上氣定神閑的太陽，實際上暗流涌動。在太陽大氣中，經常發生「爆炸」現象，這就形成太陽風暴，向廣袤的宇宙空間噴射大量的高能帶電粒子，正是它擾亂了地球上空的電離層。

可見電離層與我們的生活息息相關，它一方面讓導航通訊、雷達探測等成為可能，另一方面又可能突然「興奮」，給我們的生產生活帶來破壞性後果，真是讓人歡喜讓人憂。（翟冬冬）

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