电离层：地球大气的高空魔镜

翟冬冬

天生不安分，存在

大量自由带电粒子

在地球引力作用下，地球大气聚集在地球周围形成大气层，大气层受到太阳辐射、日月引力等作用，处于不停的运动之中。它的密度、温度、压力、成分和电离度等随高度、经纬度而变化。

对流层、平流层、散逸层等是按地球大气温度随高度分布的特征来分的。如果按大气电离状况分层，则可分为中性层、电离层和磁层。

與“老实”的中性层相比，电离层可谓是相当不安分。在中性层中，原子和分子的电子被原子核牢牢吸引住，因而中性层并不导电。而电离层如同它的名字一样，是被电离的大气层，存在着大量的自由电子和离子。

中科院地质与地球物理研究所刘立波研究员介绍，要迫使电子离开牢牢依附着的原子或分子，就需要足够高的能量，而这个神秘力量正是太阳辐射中的紫外线、X射线等。当紫外线、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。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。

那为什么只有电离层能产生大量的自由电子和离子呢？原来在很高的高度上，太阳辐射虽强，但空气密度很小，可供电离的成分有限，所以电子密度不会很大；在较低高度处，空气密度大，可供电离的中性成分很多，但太阳辐射透过厚厚的大气时变得愈来愈弱，而且复合过程变强，因此电子密度也不会很大。

由此可知，电子密度在某一中间高度将达到最大值，而电离层就成了大气层中的特殊成员。由这个高度往下电子密度迅速减小，由此往上则缓慢减小，到约1000千米处与磁层衔接。

像一面反射镜，能改变短波无线电传播路径

按照无线电工程师协会（IRE）的定义，电离层约是地面60千米以上到磁层顶之间的整个空间。虽然电离层中的电子密度不到中性成分的1%，但足以影响无线电波的传播。

1924年英国科学家阿普顿证明了上层大气有所谓的电离层存在。在英国广播公司的合作下，他从波内茅斯发送台发射电波到上层大气，检验是否会被反射并折返回来，实验取得了完全的成功。

电离层对电波的反射，和我们平时照镜子的原理很像。在日常生活中，我们几乎天天都要照镜子，对着它梳洗打扮、整理衣冠。但并不是所有镜子都能准确呈现我们的容貌，像哈哈镜中反映出的像就和现实相差甚远。这是因为反射像的形状是由反射平面的形状和光滑程度决定的，哈哈镜虽然光滑，但表面却不是平面，呈现出的像自然歪曲了。铜板镜不能照人，但打磨光滑了就能见到人像，这就是古人用的铜镜。可见反射像的好坏和镜子的好坏密切相关。

同样，电离层就是短波无线电长距离传播的一面镜子，可以说短波无线电通讯是否有效和电离层有极大的关系。如同光在水中传播时会发生反射和折射一样，短波无线电进入电离层时也会发生传播路径的改变。

让人欢喜让人忧，可能突然“兴奋”造成破坏性后果

实际上电离层并不是一面平滑的镜子。刘立波告诉笔者，季节、昼夜、太阳活动等都是影响电离层的重要因素。电子密度越大，电波折射得越厉害。通常我们将电离层分为D、E、F三层，F层还可分为F1层和F2层。

D层是距地面60千米到90千米左右的区域，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层的高度在90千米到120千米，电子密度高于D层。在夜间，E层电子也会由于电子复合而迅速减少。

F层是电子密度最大的区域，对无线电波的反射能力最强，是短波能够进行远距离通讯的主要原因。它的高度从120千米到1000千米，电子复合过程较慢，夜间仍然存在。F层在白天分裂成F1层和F2层，夜间则只有一个F2层。

电离层的变化规律有迹可循，但突然出现的扰动也会让人头疼。电离层急剧变化会使地面的无线电通讯受到严重影响。1989年3月13日23时，加拿大魁北克省的供电网络全部瘫痪，全省陷入长达9小时的黑暗和寒冷之中，灾难的元凶就是太阳风暴。

因受到太阳辐射而形成的电离层，始终受到太阳活动的影响。表面上气定神闲的太阳，实际上暗流涌动。在太阳大气中，经常发生“爆炸”现象，这就形成太阳风暴，向广袤的宇宙空间喷射大量的高能带电粒子，正是它扰乱了地球上空的电离层。

可见电离层与我们的生活息息相关，它一方面让导航通讯、雷达探测等成为可能，另一方面又可能突然“兴奋”，给我们的生产生活带来破坏性后果，真是让人欢喜让人忧。