大氣層中的電離層是如何形成的?離開它或許我們將不能正常通信

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我們知道地球是被大氣緊緊的包圍著，地球大氣的高度大概有600公裡高，600公裡以外的大氣層密度已經十分稀薄。地球的大氣層按照熱力學垂直分布，可以分為：

對流層（高度10KM左右）平流層（高度25KM左右）中間層（高度85KM左右，這裡是電離層的底部）熱層（600KM左右）逃逸層（600KM以上）

那麼如果按照電磁學垂直分布對大氣層進行分類，可以分為以下幾層：

中性層（對流層，平流層裡的空氣分子基本沒有電離，以分子狀態存在，空氣呈中性）電離層（氣體中存在大量自由電子和離子，電離層存在4層：D、E、F1、F2）磁層（在逃逸層外已經基本沒有什麼地球大氣物質，只分布著地球磁場和被其捕獲到太陽風粒子）

電離層分布

大氣層結構分布

知道了大氣層的結構，那麼我們再來了解一下空氣中的成分，空氣中的主要成分是氧氣和氮氣，這兩種氣體大約佔空氣的99%。因此大氣中主要是以氮、氧兩種氣體為主。那麼同樣是這些氣體，電離層為什麼就與我們身邊的空氣性質不一樣呢，那麼我們就來詳細講解「電離層」。

空氣成分

電離層是如何被發現的？

發現電離層是二十世紀初的事，到現在也就一百年左右的歷史。其實早在十九世紀八十年代，為了解釋地磁場的變化，就曾經有人設想，距離地面100公裡的上空，可能有一層導電的空氣層存在。

到了十九世紀末年，無線電發報和收報的試驗已經成功，在1901年，馬可尼初次完成橫渡大西洋的無線電發報和收報的試驗。1902年即有人提出，電磁波按理來說應該是向空間擴散，但竟然能夠反射回地面上，他認為這是因為高層大氣中存在導電層的緣故。無線電波遇到導電層的時候，發生反射作用，就好比光線遇到鏡子表面所發生的發射那樣。

電離層反射電磁波

目前，根據世界各地大量的探測結果，知道了電離層的變化是比較複雜的，不論是電離層的高度還是電荷的濃度，都隨時隨地在不斷變化，而且發現上空有好幾層電離層。有的在白天出現，晚上消失，有的突然出現，隨後即消失。

電離層是如何產生的？

我們之前講過，大氣主要是由氮氣與氧氣組成的，這些分子和原子是中性的。一個原子是由帶正電的原子核與帶負電的電子組成的，由於原子核帶的正電與電子帶的負電電荷數量相等，因此，原子是中性的。

當有太陽光照射時，太陽光中的紫外線首先會對高層大氣中的氣體分子和原子起光化作用。太陽光是由許多不同波長的電磁波所構成，其中能量最大的就是紫外線，紫外線的光波短，頻率大，能量高。

太陽光譜

太陽光中的紫外線照射大氣層，我們把紫外線用一個最小單位的能量表示，叫做光量子，它的能量以hv1來表示。當這個光量子打擊到一個氧分子上，便把氧分子分散為兩個氧原子，這種作用就叫分解。h是一個常數，叫做普朗克常量，v1是光量子的振動頻率，從這個式子中我們就可以看出，頻率越高，能量就越高，紫外線的能量足以使原子之間分離。

紫外線照射氧分子導致分解

當具有更大能量的光量子打擊到分開的原子上時，就會發生下圖的作用，光量子會把原子周圍的一個電子打出，產生兩個帶電荷粒子。這個所需要的能量要比上面的能量更大，被打出來的電子不再受原子核的束縛，因此叫做自由電子。自由電子帶負電，失去一個電子的原子核就會帶正電，叫做正離子。這個行為稱為離解。

氧原子離解

這些都是在紫外線的作用下才產生的，由於這些作用，這些分子和原子也會吸收掉一部分紫外線。各電離層中電子的產生就是依靠紫外線作用而來的。

當自由電子和離子相碰撞時，又能產生與解離相反的作用，叫做複合。此時正離子捉住一個負電子，又變為中性原子。高層大氣中的分解、離解和複合作用是在不斷進行中的。

白天在太陽照射之下，離解作用佔了優勢，因此，電離層中的電子濃度隨大氣的升高而增加。到了夜晚，太陽紫外線的來源沒有了，便以複合作用佔優勢，因此，電離層的電子濃度減小，有的電離層在晚上就消失了。

電離層對無線電波的作用

一個信號發射塔要發出無線電波，是靠它的天線發射出來的，電磁波從天線向四面八方傳播出去。發射出去的電磁波可以分為兩個部分，一部分沿著地球表面向前傳播出去，叫做地波；另一部分從天空中傳播出去，叫做天波。

天波遇到電離層的時候，馬上被它反射，又折回到遠處的地面上來，實驗證明：不同波長的無線電波受到電離層反射的情況也是不同的。波長短的無線電波，通過地波傳輸所能到達的距離比天波傳輸的距離遠得多。所以，遠距離短波無線電通訊通常要依靠天波來進行。因此，電離層對於人類通訊起著十分重要的作用。電離層對人類的作用不僅僅反應在通訊方面，之後將會有更多文章詳細講解電離層的作用以及人類如何應用。

以上就是地球電離層的形成原理，你看懂了嗎？

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