電離層電波傳播
正文
受地球上空約55～1000公里弱電漿區域制約的無線電波傳播，包括在這個區域內和透過這個區域的電波傳播。電離層電波傳播特性 電離層電波傳播十分複雜。對一定波長的電波，若介質性質在一個波長內變化不大，則磁離子理論能描述這些區域中的電波狀態；但當波行近反射點時，磁離子理論失效。在這兩個區域的中間區域，磁離子理論只是一種近似描述。比磁離子理論更進一步的近似，是所謂慢變化介質中的射線理論；在突然變化的邊界則須用全波解的理論。
電離層是冷的弱電漿，呈電中性。入射電波的電場引起電子強迫振盪和加速運動，發生次波輻射。所有次波輻射與入射波疊加起來形成電離層中的波場，改變入射波的波場性能。電離層中有大量中性分子和離子，運動的電子與它們碰撞後，有部分能量轉變為中性分子和離子的熱運動能量。這樣的能量交換使電波能量衰減，稱為電離層吸收。它有兩種極端情況：一是發生在 D層，這裡折射指數接近於 1。吸收與電子密度和碰撞頻率之乘積(其值一般很大)成比例而與頻率的平方成反比，稱為非偏移吸收；另一種情況發生在電波反射的高度附近，這裡折射指數趨於零,吸收正比於碰撞頻率的平均值,也正比於群折射指數與相折射指數之差，稱為偏移吸收。
電波的電場會引起介質極化,形成極化電流,在電離層介質中引起位移電流和傳導電流，二者相位差為90°，故介電常數是複數，與頻率有關。在同一條件下，不同頻率的電波有不同的折射率、傳播速度和傳播路徑，這就是色散關係，所以電離層是色散介質。
電離層處在地磁場中，電子運動時因受地磁場的洛倫茨力作用而圍繞磁力線鏇轉，鏇轉頻率稱為磁鏇頻率，其大小可以與短波頻率相比。若電波傳播方向與地磁場方向一致,如在極區向上垂直發射電波到電離層,則稱為縱傳播；若電波傳播方向與地磁場方向相互垂直，如在磁赤道向上發射電波到電離層則稱為橫傳播。這時，電子運動狀態，在某一特定條件下可忽略磁場作用。一般來說，電波在電離層中傳播的方向與地磁場方向成一定夾角。當電波頻率大於磁鏇頻率時，電子鏇轉時在電波傳播方向和垂直電波傳播方向均出現電矢量，並不斷改變方向和大小。這些場與原來場量相加，其電矢量端點軌跡將在空間描出橢圓。磁矢量也有相同情況，稱為偏振。由於介質的特性，一般有兩個特徵橢圓偏振波，其鏇轉方向一個向左，一個向右。在一定條件下可退化為圓偏振或線偏振。在電離層中入射的線偏振波會分裂為兩個鏇轉方向相反的偏振波,稱為尋常波和非常波,各自獨立傳播。這一現象稱為磁離子分裂或電波雙折射。垂直探測的電離圖（見電離層垂直探測）描跡的分叉現象，就是尋常波和非常波的一種表示。在臨界頻率附近，頻率較低者對應於尋常波，頻率較高者對應於非常波。在一定條件下尋常波和非常波近似於兩個反向的圓極化波，它們在電離層中傳播時保持各自的圓極化不變，在傳播路徑上某一固定點上總可以合成為線偏振波。由於它們的相速度不相等，在不同的點上合成波的線偏振平面互不相同，也就是在電波傳播過程中線偏振面是不斷鏇轉的，這種現象稱為法拉第鏇轉。
實際上，入射到電離層的電波並非單色波，在時間和空間上都是有限的，並且帶有一定的信息。即使是單一頻率的波也不一定是單色的，而是由許許多多頻率單色平面波組合而成的。這樣的波群的包絡稱為波包。以這樣調製過的電波射入色散介質電離層中，每個頻率各自遵循自己的折射路徑傳播。顯然，傳播以後不可能恢復原狀而產生畸變。單色波和波包在電離層中傳播的速度是不同的，單色波的速度是等相面移動速度，稱為相速度；波包的傳播速度稱為群速度。相速度和群速度在計入地磁場影響的電離層中，在方向和數值上都不相同；如在忽略磁場影響的電離層(各向同性色散介質)中，群速度vg和相速度vφ方向一致，在數值上的關係為vg=nc，vφ＝
,或vgvφ＝c2。式中c為自由空間光速；n為中心頻率的折射指數。電波矢量的相速度移動所經歷的路程為相路徑。電波能量以群速度傳播所經歷的路程為群路徑。在電離層探測中所得的大量信息，都是直接觀測群路徑而獲得的。 電離層電波傳播特性，可以從磁離子理論最基本的阿普頓－哈特里公式導出(見磁離子理論)。這個公式給出了介質中尋常波和非常波折射指數與等離子頻率、碰撞頻率、磁鏇頻率、電波頻率，以及入射波方向與磁場夾角之間的關係。
單層的電離層的電子密度 N隨高度的增加而增至極大值N
，然後隨高度增加而減小。在不計入磁場和碰撞時,電離層的折射指數n與電子密度N(米-3)和電波頻率f（赫）的關係為 
1·sinφ0＝n1sinφ1＝n2sinφ2＝…＝nnsinφn由於n 逐漸變小而φ 逐漸變大，因此，射線漸趨於水平，這就是電波折射。若電波在某處φn≈90°，sinφ0=nn=
,且Nn厵N,則電波滿足全內反射條件而被電離層反射,最後被折回地面。如果Nn=N，不滿足上述條件，而電子密度隨高度增加而減小,n越來越趨於1,則電波不發生全內反射而穿過電離層折射到宇宙中去。因此，當電波以一定角度入射某一電離分布的電離層時，頻率越低則越易被反射，且深入電離層越淺；反之，頻率越高則越易穿過電離層，路徑被電離層彎曲程度越小。 電離層電波傳播方式 電離層對超長波至微波頻段的電波均有影響，只是影響程度不同，傳播效應各異。
透射傳播 高於 100兆赫的電波因電離層電子密度不足以造成反射，且折射作用也不大，能直接穿過電離層。地－空通信、遠程警戒雷達就基於這個原理。但是，電離層存在大量不同尺度的不均勻結構，使透射電離層的信號的振幅和相位產生起伏，這種現象稱為電離層閃爍。閃爍現象在磁赤道±20°之內出現較多，在極區也較嚴重，而在中緯地區較弱（見視距電波傳播、光波傳播、10 GHz 以上電波傳播）。
散射傳播 利用電離層中不均勻結構對甚高頻波段（3～100兆赫）電波的散射作用，可實現遠距離散射傳播。利用 D層湍流混合的不均勻性散射，可實現30～60兆赫頻段電波在1000～2000公里內的通信；利用電離層中流星余跡間歇的散射和反射現象，可實現40～80兆赫頻段電波在 2000公里內的突發通信；利用F區的不均勻性突發或強的散射，可實現直到50兆赫頻率電波在距離大於4000公里時的通信；Es反射或散射可以使直到80兆赫頻段的電波傳播2000公里而造成電視頻道的干擾。散射傳播效率低，信號強度弱，衰落快，距離有限且信道間互相干擾，因而限制了它們的廣泛套用（見超短波電離層傳播）。
反射傳播 對長波、中波和短波(30千赫～30兆赫)的電波，可利用電離層反射實現遠距離甚至環球傳播。長波天波傳播廣泛套用於導航和授時。中波天波傳播廣泛用於廣播和導航。短波傳播廣泛用於通信和廣播。短波設備簡單、經濟、方便、傳播距離遠，是遠距離通信的重要手段之一。中波、長波傳播有天波和地波干涉的問題；而短波信道則易受電離層不穩定的影響（見低頻天波傳播、中波傳播、短波傳播）。
波導傳播 極低頻、甚低頻 （0.3～30千赫）波段的電波，可在地與電離層所構成的同心球殼間實現“波導傳播”，其優點是傳播相位穩定和傳播距離遠，廣泛用於導航、授時和通信（見地-電離層波導電波傳播）。
