電離層是地球大氣層被太陽(yáng)射線電離的部分，它是地球磁層的內(nèi)界。由于它影響到高頻電波的傳播，它有非常重要的實(shí)際意義。
地球物理
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地球大氣層最下面的一層是對(duì)流層，它從地面延伸到約10千米的高處。10千米以上為平流層，再向上為中間層。在中間層里入射的陽(yáng)光形成臭氧層。在約80千米以上的熱成層大氣已經(jīng)非常稀薄，在這里陽(yáng)光中的紫外線和X射線可以使得空氣分子電離，自由的電子在與正電荷的離子合并前可以短暫地自由活動(dòng)，這樣在這個(gè)高度造成一個(gè)等離子體。在這里自由電子的數(shù)量足以影響電波的傳播。
在電離層中陽(yáng)光電離大氣分子與離子重新捕獲自由電子的過(guò)程平衡。一般來(lái)說(shuō)高度越高，大氣約稀薄，則電離過(guò)程約占上風(fēng)。不過(guò)電離層的特性還隨許多其它因素影響。
電離過(guò)程的主力是太陽(yáng)及其活動(dòng)。電離層內(nèi)電離度主要由獲得的太陽(yáng)輻射所影響。因此電離層隨周日和季節(jié)（冬季半球遠(yuǎn)離太陽(yáng)，因此受到的輻射比較少）而變化。太陽(yáng)活動(dòng)主要隨太陽(yáng)黑子周期而變化。一般來(lái)說(shuō)太陽(yáng)表面黑子越多，太陽(yáng)活動(dòng)越強(qiáng)烈。除此以外隨地球表面緯度的不同當(dāng)?shù)厥艿降奶?yáng)輻射強(qiáng)度也不同。耀斑和太陽(yáng)風(fēng)中的帶電粒子可以與地球磁場(chǎng)相互作用，導(dǎo)致對(duì)電離層的擾亂。
分層
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太陽(yáng)輻射對(duì)不同高度不同成分的空氣分子電離造成電離層不同的分層：
D層
D層是電離層最低的一層，離地球表面50至90千米。這里主要是波長(zhǎng)為121.5納米的賴曼-α氫光譜線的光電離一氧化氮。在太陽(yáng)活動(dòng)非常強(qiáng)烈時(shí)（超過(guò)50個(gè)黑子），硬X射線還可以電離空氣中的氮?dú)夂脱鯕獾姆肿?。夜間宇宙射線造成一個(gè)剩余電離。這個(gè)層里離子對(duì)自由電子的捕獲率比較高，因此電離效應(yīng)比較低，因此它對(duì)高頻無(wú)線電波沒(méi)有影響。日間這里自由電子與其它粒子的碰撞率約為每秒1000萬(wàn)次。10MHz以下的電波會(huì)被D層吸收，隨著電波頻率的增高這個(gè)吸收率下降。夜間這個(gè)吸收率最低，中午最高。日落后這個(gè)層減弱非常大。D層最明顯的效應(yīng)是白天遠(yuǎn)處的中波電臺(tái)收不到。
E層
E層是中層，在地面上90至120千米。這里的電離主要是軟X射線和遠(yuǎn)紫外線對(duì)氧氣分子的電離。這個(gè)層只能反射頻率低于10MHz的電波，對(duì)頻率高于10MHz的電波它有吸收的作用。E層的垂直結(jié)構(gòu)主要由電離和捕獲作用所決定。夜間E層開始消失，因?yàn)樵斐呻婋x的輻射消失了，由于捕獲在低處比較強(qiáng)，因此其高度開始上升。高空周日變化的風(fēng)對(duì)E層也有一定影響。隨著夜間E層的升高，電波可以被反射到更加遠(yuǎn)的地方。
ES層
ES層也被稱為偶現(xiàn)E層。它是小的、強(qiáng)烈電離的云，它可以反射頻率在25至225MHz之間的電波。偶現(xiàn)E層可以持續(xù)數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)不等，其形成原因可能有多種，而且還在研究中。夏季偶現(xiàn)E層出現(xiàn)得比較多，持續(xù)時(shí)間一般也比冬季長(zhǎng)。電波的反射距離一般為1000千米左右。
F層
F層離地面120至400千米。在這里太陽(yáng)輻射中的強(qiáng)紫外線（波長(zhǎng)10至100納米）電離單原子氧。F層對(duì)于電波傳播來(lái)說(shuō)是最重要的層。夜間F層合并為一個(gè)層，白天分為F1和F2兩個(gè)層。大多數(shù)無(wú)線電波天波傳送是F層形成的。在白天F層是電離層反射率最高的層。
異常
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實(shí)際上電離層不象上面所敘述的那樣由規(guī)則的、平滑的層組成。實(shí)際上的電離層由塊狀的、云一般的、不規(guī)則的電離的團(tuán)或者層組成。
冬季異常
夏季由于陽(yáng)光直射中緯度地區(qū)的F2層在白天電離度加高，但是由于季節(jié)性氣流的影響夏季這里的分子對(duì)單原子的比例也增高，造成離子捕獲率的增高。這個(gè)捕獲率的增高甚至強(qiáng)于電離度的增高。因此造成夏季F2層反而比冬季低。這個(gè)現(xiàn)象被稱為冬季異常。在北半球冬季異常每年都出現(xiàn)，在南半球在太陽(yáng)活動(dòng)低的年度里沒(méi)有冬季異常。
赤道異常
在地球磁赤道左右約±20度之間F2層形成一個(gè)電離度高的溝，這個(gè)現(xiàn)象被稱為赤道異常。其形成原因如下：在赤道附近地球磁場(chǎng)幾乎水平。由于陽(yáng)光的加熱和潮汐作用電離層下層的等離子上移，穿越地球磁場(chǎng)線。這在E層形成一個(gè)電流，它與水平的磁場(chǎng)線的相互作用導(dǎo)致磁赤道附近±20度之間F層的電離度加強(qiáng)。
擾亂
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X射線：突發(fā)電離層騷擾
太陽(yáng)活躍時(shí)期強(qiáng)烈的耀斑發(fā)生時(shí)硬X射線會(huì)射擊到地球。這些射線可以一直穿透到D層，在這里迅速導(dǎo)致大量自由電子，這些電子吸收高頻（3-30MHz）電波，導(dǎo)致無(wú)線電中斷。與此同時(shí)及低頻（3-30kHz）會(huì)被D層（而不是被E層）反射（一般D層吸收這些信號(hào)）。X射線結(jié)束后D層電子迅速被捕獲，無(wú)線電中斷很快就會(huì)結(jié)束，信號(hào)恢復(fù)。
質(zhì)子：極冠吸收
耀斑同時(shí)也釋放高能質(zhì)子。這些質(zhì)子在耀斑爆發(fā)后15分鐘至2小時(shí)內(nèi)到達(dá)地球。這些質(zhì)子沿地球磁場(chǎng)線螺旋在磁極附近撞擊地球大氣層，提高D層和E層的電離。極冠吸收可以持續(xù)一小時(shí)至數(shù)日，平均持續(xù)24至36小時(shí)。
地磁風(fēng)暴
地磁風(fēng)暴是地球磁場(chǎng)暫時(shí)的、劇烈的騷擾。
地磁風(fēng)暴時(shí)F2層非常不穩(wěn)定，會(huì)分裂甚至完全消失。
在極地附近會(huì)有極光產(chǎn)生。
無(wú)線電應(yīng)用
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電離層被用來(lái)反射和傳送高頻無(wú)線電信號(hào)。反射后的信號(hào)回到地球表面，可以再次被反射到電離層。
電波可以使得電離層里的自由電子以同樣的頻率振蕩。假如此時(shí)自由電子被捕獲的話電波中的部分能量消失。假如電離層里自由電子的碰撞頻率小于電波頻率，而且自由電子密度足夠高的話可以產(chǎn)生全發(fā)射。
假如電波頻率高于電離層內(nèi)的等離子頻率的話，則電子運(yùn)動(dòng)不夠快來(lái)反射電波。在一個(gè)臨界頻率以下電離層可以垂直反射電波：
f{critical} = 9 \times 10^{-3} \sqrt{N}
N是每立方厘米電子密度，fcritical是頻率（單位為MHz）。
最高可用頻率是在一定時(shí)間里可以在兩點(diǎn)之間傳送信號(hào)的頻率上限。
f{muf} = \frac{f{critical}}{ \sin{(I)}}
I是波與水平線之間的角度。
截止頻率以下的電波無(wú)法在一定角度下穿透電離層。
其它應(yīng)用
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有人建議使用電離層來(lái)從地球磁場(chǎng)里獲取能量。目前有對(duì)這個(gè)建議的可行性的研究。
測(cè)量
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電離層圖
電離層圖顯示使用電離層探測(cè)儀測(cè)量的電離層層次的高度及其臨界頻率。電離層探測(cè)儀垂直向電離層發(fā)送一系列頻率（一般從0.1至30MHz）。隨頻率增高，信號(hào)在被發(fā)射前可以穿透更高的層。最后頻率高到不再被反射。
太陽(yáng)流
太陽(yáng)流是使用加拿大渥太華的一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡測(cè)量的太陽(yáng)輻射在2800MHz頻率的強(qiáng)度。測(cè)量結(jié)果證明這個(gè)強(qiáng)度與太陽(yáng)黑子活動(dòng)相稱。不過(guò)導(dǎo)致地球大氣上層電離的主要是太陽(yáng)的紫外線和X射線。目前地球靜止業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星可以測(cè)量太陽(yáng)的X射線流。這個(gè)數(shù)據(jù)與電離層的電離度更加相應(yīng)。
研究項(xiàng)目
科學(xué)家使用不同手段研究電離層的結(jié)構(gòu)，包括被動(dòng)觀測(cè)電離層產(chǎn)生的光學(xué)和無(wú)線電信號(hào)，研究不同的射電望遠(yuǎn)鏡被反射的信號(hào)，以及被反射的信號(hào)與原信號(hào)之間的差別。
1993年開始的為期20年的高頻活動(dòng)極光研究計(jì)劃以及類似的項(xiàng)目研究使用高能無(wú)線電發(fā)射機(jī)來(lái)改變電離層的特性。這些研究集中于研究電離層等離子體的特性來(lái)更好地理解電離層，以及利用它來(lái)提高民用和軍事的通訊和遙測(cè)系統(tǒng)。
超級(jí)雙子極光雷達(dá)網(wǎng)研究高高度和中高度對(duì)8至20MHz頻率的相干散射。相干散射與晶體的布拉格散射類似，是由電離層密度差異造成的相增衍射散射。這個(gè)項(xiàng)目包括全球11個(gè)不同國(guó)家的多部雷達(dá)。
科學(xué)家還測(cè)量衛(wèi)星和其它恒星的無(wú)線電波經(jīng)過(guò)電離層所產(chǎn)生的變化。位于波多黎各的阿雷西博天文臺(tái)本來(lái)就是打算用來(lái)研究地球電離層的
電離層的形成
地球高層大氣的分子和原子，在太陽(yáng)紫外線、Χ射線和高能粒子的作用下電離，產(chǎn)生自由電子和正、負(fù)離子，形成等離子體區(qū)域即電離層。電離層從宏觀上呈現(xiàn)中性。電離層的變化，主要表現(xiàn)為電子密度隨時(shí)間的變化。而電子密度達(dá)到平衡的條件，主要取決于電子生成率和電子消失率。電子生成率是指中性氣體吸收太陽(yáng)輻射能發(fā)生電離，在單位體積內(nèi)每秒鐘所產(chǎn)生的電子數(shù)。電子消失率是指當(dāng)不考慮電子的漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)，單位體積內(nèi)每秒鐘所消失的電子數(shù)。帶電粒子通過(guò)碰撞等過(guò)程又產(chǎn)生復(fù)合，使電子和離子的數(shù)目減少；帶電粒子的漂移和其他運(yùn)動(dòng)也可使電子或離子密度發(fā)生變化。
地球大氣的一個(gè)電離區(qū)域。60千米以上的整個(gè)地球大氣層都處于部分電離或完全電離的狀態(tài)，電離層是部分電離的大氣區(qū)域，完全電離的大氣區(qū)域稱磁層。
電離層對(duì)電波傳播的影響與人類活動(dòng)密切相關(guān)，如無(wú)線電通訊、廣播、無(wú)線電導(dǎo)航、雷達(dá)定位等。受電離層影響的波段從極低頻(ELF) 直至甚高頻(VHF)，但影響最大的是中波和短波段。電離層作為一種傳播介質(zhì)使電波受折射、反射、散射并被吸收而損失部分能量于傳播介質(zhì)中。3～ 30兆赫為短波段，它是實(shí)現(xiàn)電離層遠(yuǎn)距離通訊和廣播的最適當(dāng)波段，在正常的電離層狀態(tài)下，它正好對(duì)應(yīng)于最低可用頻率和最高可用頻率之間。但由于多徑效應(yīng)，信號(hào)衰落較大.
電離層和電波傳播
電離層對(duì)電波傳播的影響與人類活動(dòng)密切相關(guān)，如無(wú)線電通訊、廣播、無(wú)線電導(dǎo)航、雷達(dá)定位等。受電離層影響的波段從極低頻（ELF）直至甚高頻（VHF），但影響最大的是中波和短波段。電離層作為一種傳播介質(zhì)使電波受折射、反射、散射并被吸收而損失部分能量于傳播介質(zhì)中。3～30兆赫為短波段，它是實(shí)現(xiàn)電離層遠(yuǎn)距離通訊和廣播的最適當(dāng)波段，在正常的電離層狀態(tài)下，它正好對(duì)應(yīng)于最低可用頻率和最高可用頻率之間。但由于多徑效應(yīng)，信號(hào)衰落較大；電離層暴和電離層突然騷擾，對(duì)電離層通訊和廣播可能造成嚴(yán)重影響，甚至訊號(hào)中斷。300千赫至3兆赫為中波段，廣泛用于近距離通訊和廣播。
電離層傳播：由于太陽(yáng)和各種宇宙射線的輻射，引起空氣分子的電離，而形成了電離層。電離層分三層。D層（距地面高度60--80Km）、E層（100--120Km）、F1層（200Km）、F2層（200-900Km），中波和短波都能借助電離層的反射傳播到較遠(yuǎn)的距離，最常用用于短波通信。短波頻率為（1.5MHz--30MHz）。百年前，三聲短促而且微弱的訊號(hào)，向世界宣布了無(wú)線電的誕生。一九○一年，扎營(yíng)守候在訊號(hào)山(Signal Hill位于加拿大東南角)的意大利科學(xué)家馬可尼，終于接收到了從英格蘭發(fā)出的跨過(guò)大西洋的無(wú)線電訊號(hào)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)向世人證明了無(wú)線電再也不是僅限于實(shí)驗(yàn)室的新奇東西，而是一種實(shí)用的通訊媒介。此后短波用作全球性的國(guó)際通訊媒介便開始發(fā)達(dá)起來(lái)了。
這些研究集中于研究電離層等離子體的特性來(lái)更好地理解電離層，以及利用它來(lái)提高民用和軍事的通訊和遙測(cè)系統(tǒng)
