初识“魔镜”

1901年意大利发明家、无线电工程师马可尼(Marconi)率领一个小组在加拿大纽芬兰的圣约翰斯进行越洋通信试验，他使用了一个通过风筝竖起的400英尺长的天线，收听到从相隔3000千米以外的英国普尔杜横渡大西洋发来的信号，从而开辟了无线电远距离通信的新时代。1925年，英国物理学家阿普尔顿(E. V. Appleton)和巴奈特(M. A. F. Barnett)，用连续波进行了探测电离层高度的实验，他们利用变换频率的电磁波接收到来自电离层的回波，首次直接证实了电离层的存在。

电波从天线发出后可以沿着不同路径传播到接收点，一般有地波传播方式、天波传播方式，还有一些其他的传播方式。无线电通讯主要是使用高频与中频高端和甚高频低端的电磁波，经电离层反射送到地面接收点的天波传播方式。电离层对无线电波的作用与光通过玻璃类似，可以被反射回来，或透射出去，还有一部分被吸收。无线电波进入电离层时其方向会发生改变，出现“折射”。因为电离层折射效应的积累，电波的入射方向会连续改变，最终会“拐”回地面。当电波以一定的入射角到达电离层时，它也会像光学中的反射那样以相同的角度离开电离层。对短波无线电讯号来说，电离层就像一面高悬天上、能反射无线电波的大镜子。

认识电离层

我们通常认识的大气分层是按大气温度随高度分布的特征，把大气分成对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。如果按大气电离状况分层，可分为中性层和电离层。按大气运动受地磁场控制情况，可分有磁层。电离层是一个环绕地球的带电粒子层，是含有相当浓度的自由电子和离子的电离化区域。这个区域的高度一般为离地面60～1000 km。

电离层介质是由电子、正离子、负离子和中性粒子组成的气体混合物。这种含有带电粒子的气体浸在地磁场中，带电粒子的运动必然受到地磁场的约束，而且电离层的电子密度等随着高度而变化。常按电子密度大小自下而上分成D层(60～90 km)、E层(90～140 km)和F层(140～1000 km，白天又分为F1和F2层)。各层的高度、厚度和电子密度随昼夜、季节而变化。电离层D、E、F分层的命名源于英国物理学家阿普尔顿，他首先用字母E标识电离层中最初发现的存在着反射电场(reflected electric field)的层，随后发现在E层的上面和下面还有其他层，便用F和D分别标识。

电离层变化的主要驱动力来自太阳活动。虽然对于地面上的我们来说，太阳看上去并无变化，但实际上它是一颗非常活跃的活力星球，从太空中观测太阳，我们会看到持续的活动，包括光线、粒子和磁场的爆发。电离层不仅对太阳风暴的能量注入有所反应，龙卷风、季风等地球上的天气也会塑造大气层和电离层。在电离层急剧变化期间，无线电通讯经常受到严重破坏，甚至破坏输电网，给国民经济、人身安全造成极大危害。

电离层的形成

地球高层大气的分子和原子，在太阳紫外线、X射线和高能粒子的作用下电离，产生自由电子和正、负离子组成的粒子海洋，即电离层。电离层在宏观上呈现电中性。电离层的变化，主要表现为电子密度随时间的变化。而电子密度达到平衡的条件，主要取决于电子生成率和电子消失率。电子生成率是指中性气体吸收太阳辐射能发生电离，在单位体积内每秒钟所产生的电子数。电子消失率是指当不考虑电子的漂移运动时，单位体积内每秒钟所消失的电子数。带电粒子通过碰撞等过程又产生复合，使电子和离子的数目减少；带电粒子的漂移和其他运动也可使电子或离子密度发生变化。