電離層：地球大氣的高空魔鏡

翟冬冬

天生不安分，存在

大量自由帶電粒子

在地球引力作用下，地球大氣聚集在地球周圍形成大氣層，大氣層受到太陽(yáng)輻射、日月引力等作用，處于不停的運(yùn)動(dòng)之中。它的密度、溫度、壓力、成分和電離度等隨高度、經(jīng)緯度而變化。

對(duì)流層、平流層、散逸層等是按地球大氣溫度隨高度分布的特征來(lái)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(shí)”的中性層相比，電離層可謂是相當(dāng)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，因而中性層并不導(dǎo)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(zhì)與地球物理研究所劉立波研究員介紹，要迫使電子離開(kāi)牢牢依附著的原子或分子，就需要足夠高的能量，而這個(gè)神秘力量正是太陽(yáng)輻射中的紫外線、X射線等。當(dāng)紫外線、X射線到達(dá)地球上空時(shí)，被大氣吸收，消散的能量引起中性大氣電離，這個(gè)產(chǎn)生自由電子的過(guò)程稱為光電離。此外，進(jìn)入大氣層的高能粒子也能產(chǎn)生大氣的電離，稱為微粒電離。

那為什么只有電離層能產(chǎn)生大量的自由電子和離子呢？原來(lái)在很高的高度上，太陽(yáng)輻射雖強(qiáng)，但空氣密度很小，可供電離的成分有限，所以電子密度不會(huì)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(yáng)輻射透過(guò)厚厚的大氣時(shí)變得愈來(lái)愈弱，而且復(fù)合過(guò)程變強(qiáng)，因此電子密度也不會(huì)很大。

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

像一面反射鏡，能改變短波無(wú)線電傳播路徑

按照無(wú)線電工程師協(xié)會(huì)（IRE）的定義，電離層約是地面60千米以上到磁層頂之間的整個(gè)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(wú)線電波的傳播。

1924年英國(guó)科學(xué)家阿普頓證明了上層大氣有所謂的電離層存在。在英國(guó)廣播公司的合作下，他從波內(nèi)茅斯發(fā)送臺(tái)發(fā)射電波到上層大氣，檢驗(yàn)是否會(huì)被反射并折返回來(lái)，實(shí)驗(yàn)取得了完全的成功。

電離層對(duì)電波的反射，和我們平時(shí)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(duì)著它梳洗打扮、整理衣冠。但并不是所有鏡子都能準(zhǔn)確呈現(xiàn)我們的容貌，像哈哈鏡中反映出的像就和現(xiàn)實(shí)相差甚遠(yuǎn)。這是因?yàn)榉瓷湎竦男螤钍怯煞瓷淦矫娴男螤詈凸饣潭葲Q定的，哈哈鏡雖然光滑，但表面卻不是平面，呈現(xiàn)出的像自然歪曲了。銅板鏡不能照人，但打磨光滑了就能見(jiàn)到人像，這就是古人用的銅鏡。可見(jiàn)反射像的好壞和鏡子的好壞密切相關(guān)。

同樣，電離層就是短波無(wú)線電長(zhǎng)距離傳播的一面鏡子，可以說(shuō)短波無(wú)線電通訊是否有效和電離層有極大的關(guān)系。如同光在水中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生反射和折射一樣，短波無(wú)線電進(jìn)入電離層時(shí)也會(huì)發(fā)生傳播路徑的改變。

讓人歡喜讓人憂，可能突然“興奮”造成破壞性后果

實(shí)際上電離層并不是一面平滑的鏡子。劉立波告訴筆者，季節(jié)、晝夜、太陽(yáng)活動(dòng)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(xiàn)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(qū)域，它只存在于白天。在夜間，由于沒(méi)有太陽(yáng)輻射，D層自由電子迅速?gòu)?fù)合成中性成分而消失。

E層的高度在90千米到120千米，電子密度高于D層。在夜間，E層電子也會(huì)由于電子復(fù)合而迅速減少。

F層是電子密度最大的區(qū)域，對(duì)無(wú)線電波的反射能力最強(qiáng)，是短波能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊的主要原因。它的高度從120千米到1000千米，電子復(fù)合過(guò)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(gè)F2層。

電離層的變化規(guī)律有跡可循，但突然出現(xiàn)的擾動(dòng)也會(huì)讓人頭疼。電離層急劇變化會(huì)使地面的無(wú)線電通訊受到嚴(yán)重影響。1989年3月13日23時(shí)，加拿大魁北克省的供電網(wǎng)絡(luò)全部癱瘓，全省陷入長(zhǎng)達(dá)9小時(shí)的黑暗和寒冷之中，災(zāi)難的元兇就是太陽(yáng)風(fēng)暴。

因受到太陽(yáng)輻射而形成的電離層，始終受到太陽(yáng)活動(dòng)的影響。表面上氣定神閑的太陽(yáng)，實(shí)際上暗流涌動(dòng)。在太陽(yáng)大氣中，經(jīng)常發(fā)生“爆炸”現(xiàn)象，這就形成太陽(yáng)風(fēng)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(jiàn)電離層與我們的生活息息相關(guān)，它一方面讓導(dǎo)航通訊、雷達(dá)探測(cè)等成為可能，另一方面又可能突然“興奮”，給我們的生產(chǎn)生活帶來(lái)破壞性后果，真是讓人歡喜讓人憂。