已進入預定軌道的美國「GOLD」太空飛行器，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，他從波內茅斯發送臺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絡全部癱瘓，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。表面上氣定神閒的太陽，實際上暗流湧動。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。
美國公布兩項電離層計劃
美國航天局官網近期公布「全球尺度臂盤觀測器」（簡稱GOLD）和「電離層連接探索」（簡稱ICON）兩項計劃。GOLD已經搭乘SES－14商業通信衛星進入西半球上空地球同步軌道，而ICON太空飛行器將在今年晚些時候發射，進入電離層。
美國航天局表示，兩項任務相互補充，距地表約560千米的ICON將在目標區域飛行，可更好地獲得現場數據；距地表約35000千米的GOLD則可全景式觀測電離層和高層大氣。它們可同時觀測一個區域，從不同角度獲取數據，比如一個共同目標是系統性觀測颶風及地磁暴等地球和空間天氣變化對高層大氣造成的影響。
地磁暴是太陽噴射的帶電粒子流與地球磁場發生作用所導致的一種現象。美國航天局ICON任務科學家道格·羅蘭說：「人們過去認為只有太陽射出的帶電粒子流（太陽風）會影響電離層，而另一方面只有底層大氣受地球天氣影響，現在可以看看兩種能量是如何交織在一起的。」
此外，這兩項任務還將驗證厄爾尼諾現象可能影響電離層的理論。該理論認為，厄爾尼諾現象使太平洋變暖，導致更多水蒸氣進入大氣層，使得大氣層吸收太陽光的熱量增加，從而導致一系列變化並影響電離層。
作者： 翟冬冬 [責任編輯: 魏承瑤]