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电离层

电离层

电离层（Ionosphere），地球大气的重要组成，是指受太阳高能辐射以及宇宙线的影响而电离的大气区域。其范围约60～1000km，涵盖了热层、部分中间层和散逸层区域。

地球高层大气中的中性分子和原子在太阳辐射（特别是远紫外线和X射线）以及高能粒子流的影响下发生电离，形成了电离层。电离层中含有自由电子、正阴离子以及中性分子和原子。太阳的电离辐射、地磁暴、电离层与热层之间的相互作用以及电离层内部的电离、复合和带电粒子的输运过程等共同影响着电离层的形成和分布。电离层的主要特征参量包括电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等。其中，离子密度影响电离层的形成和分层，离子温度对于揭示电离层的热状态和动态行为有着关键作用。电离层内部可以划分为D层、E层、F层和上电离层四部分，每个区域有不同的特点和电子密度变化，且内部结构受到多个因素的影响，包括特征参量、太阳辐射强度等。

电离层的存在有着十分重要的意义，可以保护地球生态环境，使其免受太阳和宇宙空间中的有害射线的伤害；能够反射电波实现远距离无线通信；还可以利用电离层对全球导航卫星系统（GNSS）信号的影响，探测大气的基本气象参数，为气候监测和研究提供重要数据。因此，电离层的变化能够影响人类行为并对交通、国际贸易、军事等关键部门产生显著影响。同时，电离层也会受到各种因素影响出现各类异常现象，如地震-电离层异常、γ射线扰动异常等。除地球外，金星、火星和木星都有电离层。

定义及范围

电离层是指地球大气中一个部分电离的区域，高度范围约为60~1000km，其中含有足够多的自由电子，它们显著地影响着无线电的传播。地球电离层与磁层、低层中性大气（平流层及对流层）以及地球表面和内部构成地球空间，而地球空间、行星际空间、太阳及太阳大气又构成日地空间，这是人类赖以生存的空间环境。

电离层的范围具有显著的可变性。电离层各层高度随昼夜变化而系统性变化。清晨时，电离层的位置向更高海拔移动；随着太阳升起，D、E和F1层的海拔高度会发生变化；在中午，这些层的位置最低。夜晚时，D、E和F1层往往会消失，F2层的日变化则不显著。除此之外，电离层的范围还随季节、纬度和太阳周期活动而变化。

通过总电子含量（TEC）平均值的变化可以分析出电离层的季节性规律变化。春季（4月）和秋季（10月）的全球TEC平均值达到峰值，每平方米约24个电子，显著高于冬季和夏季，特别是10月份的峰值超过4月。夏季，特别是7月，TEC平均值最低，约为每平方米约19个电子。日地距离的变化，如7月地球处于远日点，与夏季TEC最小值相关，表明其为影响因素之一。然而，春季和秋季的TEC峰值不与日地距离变化同步，表明其他因素也在起作用。

电离层的垂直总电子含量（VTEC）从高纬度到低纬度呈现递减趋势，最大值出现在赤道两侧南北纬20°附近。磁赤道附近电子密度较低，磁赤道两侧±16°～±18°区域白天出现两个极大值，形成"双驼峰"结构。超过1000km高度，赤道电离层特性消失，赤道异常现象存在经度不对称性。中纬区域日间F层电子密度最高，夜间下降约1/10，与太阳活动呈线性关系。高纬区域电离层变化受高能粒子沉降、太阳风等因素控制，极冠区冬季极夜状态下电子密度靠太阳风驱动等离子体对流维持，极光椭圆区域是粒子沉降和电涌流活跃区，亚极光区或中纬F槽区夜间F层电子密度下降，电子温度增加，存在尖锐边界和水平梯度。

研究历史

在1839年，德国数学家及物理学家卡尔·弗里德里希·高斯（Carl Friedrich Gauss）提出了一个科学假设，该假设认为大气中存在的导电区域可能是导致观测到的地球磁场变化的原因。

1902年，英国学者海维塞德（O.Heaviside）和美国电气工程师肯尼利（A.E.Kennelly）提出了电离层假设，认为在大气层高处存在一个能反射无线电的“导电层”并解释了1901年意大利电气工程师古列尔莫·马可尼（G. Marconi）的跨大西洋无线通信实验，此时，导电层被称为“Heaviside层”或“Kennelly-Heaviside层”，而根据当时的无线电波频率，这实际上指的是电离层的E层。

1924年至1925年间，英国物理学家艾普利通（E.V. Appleton）及其研究生巴涅特（M.A.F. Barnett）使用地波与天波干涉法证明了电离层的存在并发现了电离层中的F层，这个发现为他赢得了1947年的诺贝尔物理学奖。1925年，美国的布雷特（G. Breit）和图夫（M.A. Tuve）开发了一种方法，通过垂直向上发射无线电脉冲并接收电离层的回波来测量电离层的剖面特性。这个方法的核心思想一直保留，成为现代电离层研究的有力工具。1926年，英国物理学家沃森·瓦特（Robert Watson Watt）首次使用了“电离层（lonosphere）”这个术语。

1931年，卡普曼（S. Chapman）提出了大气层电离及电离层形成理论，极大地推动了电离层的研究，进而促进了短波通信的发展。此外，艾普利通和哈特里（D.R. Hartree）等人在1925年至1932年期间建立了完整的磁离子理论，提出了计算电波折射指数的Appleby-Hartree公式（A-H公式），为电离层中的无线电波传播提供了理论基础。

1946年，人们首次观测到电离层闪烁现象，用射电望远镜测量星座Cygnus的64MHz射电信号时，发现辐射强度出现明显的不规则起伏。1949年，首次在V2火箭上安装朗缪尔探针进行电离层直接探测，开创了电离层直接探测的先河。

1957年，苏联成功发射了卫星一号，将信标机搭载在卫星上，利用电波传播效应对电离层总电子含量、电子密度剖面和电离层运动等进行探测。1958年，戈登（W.E. Gordon）提出了电离层非相干散射探测理论，通过测量无线电脉冲的飞行时间来推算电离层的电子密度剖面。同年10月，鲍尔斯（K.L. Bowles）在秘鲁首次测得了电子的非相干散射回波，验证了戈登的理论。非相干散射技术仍然是最精确、获取最多参量的电离层探测方法之一，美国和欧洲非相干散射协会（European Incoherent SCATter，EISCAT）等组织已建设了多套非相干散射雷达。

1962年，加拿大卫星Alouette 1发射升空，用于研究电离层。在加拿大的Alouette 1成功后，加拿大和美国在ISIS计划中联合发射了三颗卫星。1965年，ISIS计划发射了第一颗卫星被命名为Alouette 2。1969年和1971年发射了ISIS 1号和2号（"International Satellites for Ionospheric Studies"）。这几颗卫星都被用于测量电离层。

1963年7月26日，地球同步轨道卫星Syncom 2成功发射升空。该卫星及其后续型号搭载了无线电信标装置，首次实现了从地球同步轨道至地面接收器的无线电波束路径上总电子含量（TEC）变化的测量能力。自1969年起，澳大利亚地球物理学伊丽莎白·埃塞克斯-科恩（Elizabeth Essex-Cohen）便采用此项技术，对澳大利亚和南极洲上空的大气状况进行了持续监测。1972年和1975年，美国航空航天局分别发射了AEROS和AEROS B卫星来研究电离层的F区。

2018年美国航空航天局宣布了两项计划，分别是“全球尺度臂盘观测器”（GOLD）和“电离层连接探索”（ICON）。计划公布时GOLD已经成功搭载到SES-14商业通信卫星上，并进入了地球同步轨道，覆盖西半球的上空。ICON航天器在2019年10月10日发射，进入电离层。ICON距离地表约560千米，可以在目标区域飞行，以获得更详细的实时数据。而GOLD则位于距离地表约35000千米的位置，可以全方位观测电离层和高层大气。它们可以同时观测同一区域，从不同角度获取数据。一个共同的目标是系统性地监测热带气旋、地磁暴等地球和空间天气变化对高层大气的影响。

中国的电离层研究始于20世纪30年代，陈茂康研究员和桂质廷教授等在上海和武昌进行了早期的电离层垂直探测。冯简筹建了“中央电波研究所”并建立了观测站。桂质廷领导了武汉大学电离层实验室的常规测量。在中华人民共和国成立初期，吕保维等人建立了电离层垂测站网络，实现了电离层骚扰预报。20世纪70年代开始逐步开展了电离层人工变态的相关实验和理论研究，利用电离层加热、电离层物质注人、人工电离镜等技术，人为地、有控制地局部改变电离层形态以建立新的或阻断原有的通信链路。

中国各地设立了电波环境观测站，形成了国家电波数据库，为国防信息化建设提供了支持。2012年，国家重大科技基础设施项目“子午工程”通过验收，建立了监测台站网络，包括地磁、无线电、光学和探空火箭等手段，成为国际上最大、综合性最强的地基空间环境监测网。此项目还包括了中国首台国际先进水平的非相干散射雷达，以及探空火箭的成功发射，标志着中国火箭探空事业的新里程碑。

形成

形成原理

地球高层大气主要由中性分子和原子构成，它们在太阳辐射（特别是远紫外线和X射线）以及高能粒子流的影响下会发生电离。这个过程导致60至1000公里高度的大气层转变成等离子体状态，含有自由电子、正阴离子以及中性分子和原子。

电离层中的电离主要通过两种机制发生：一是由太阳辐射光子引起的光化电离，其中大气中性分子或原子吸收光子能量后发生电离；二是高能粒子与中性分子或原子碰撞导致的碰撞电离，这种机制在高纬度地区电离层尤为重要。电离的发生需要太阳辐射光子的能量或高能粒子的能量超过中性分子或原子的电离能。在实际环境中，即便电离成分在气体中的比例超过千分之一，也会使大气的主要性质发生根本变化，而电离层的电离度大约在2%至3%之间，这一水平足以反射或折射高频电磁波。

影响因素

电离层内的电子密度变化是由电离、复合以及带电粒子的输运过程共同决定的。白天，随着太阳辐射的增强，光化电离过程变得比复合过程更为显著，导致电子密度上升；而到了夜间，太阳辐射减弱，复合过程占优，电子密度随之下降。此外，电离层中的带电粒子还会在电场和中性风的作用下发生漂移，以及通过等离子体扩散过程发生输运。在较低的电离层区域，光化电离和复合过程是主要影响因素，但随着高度的增加，输运过程的影响逐渐变得更加重要。

电离层的形成受到多种因素的共同影响。太阳的电离辐射是形成电离层的关键因素，它在电离大气成分并形成电离层的不同层次方面起着至关重要的作用。地磁暴会导致电子浓度的变化和电离层响应的整体改变。电离层与热层之间的相互作用会影响电离层的化学和热平衡。此外，带电物质和中性物质之间的碰撞会产生电流和相关的等离子体运动也会影响电离层的分布、化学和热平衡。太阳的电离辐射等外部因素对低层电离层的形成有显著影响，尤其在白天，这进一步强调了太阳活动在电离层形成中的重要性。

主要特征

电离层的主要特征由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度和离子温度等空间分布的基本参数来表示。

电子密度

电子密度即单位体积内的电子数。电离层中各层电子密度峰值随时间（地方时、李节和太阳活动周等）、地理纬度以及太阳活动的变化显著。电离层的结构可按照电离层电子密度峰值所在高度划分。探测结果表明，电子密度在80千米、110～120千米、300千米附近有峰值，且在300千米附近电子密度最大，约为每立方米1012～1013个。在峰值高度以上，电子密度随高度增加而缓慢减少。在中纬度地区电离层中，午后最大电子密度通常为每立方米1011～1012个。电离层内中性粒子数密度通常为每立方1014～10²个。因此可见电离层属于电离度比较小的弱电离等离子体。电子密度决定了等离子体的折射率，从而决定了等离子体对穿过它的电磁波的影响大小。

电子温度

电子温度即为电子的平均动能，反映它们在电离层内移动的速度。电离层中的电子温度由光电子加热、离子和中性粒子碰撞冷却以及热传导之间的平衡所决定。电子温度可以很好地反应电离层中磁层-电离层-热层耦合的物理过程。电子温度的变化会影响电离层等离子体的折射率，导致通过电离层的无线电信号出现振幅和相位的快速随机变化。

碰撞频率

碰撞频率即分子在单位时间内与其他分子发生碰撞的次数。电离层等离子体中的粒子相互作用，特别是离子、电子与中性粒子间的碰撞，是影响等离子体性质的关键因素。2007年美国弗吉尼亚瓦洛普斯岛发射的Storms探空火箭在100公里高度处测得氮气的碰撞频率为38.2千赫兹（kHz），氧气碰撞频率为3千赫兹。在200公里处，氮气的碰撞频率低于30赫兹，氧气的碰撞频率低于1赫兹。碰撞频率，作为表征等离子体粒子性质的特征频率，与大气的组成、密度及电子速率有直接关系。在特定条件下，电子与大气分子的碰撞频率随高度的增加而指数衰减，而离子的碰撞频率则随高度迅速减小。电子的碰撞频率普遍高于离子。亨德里克·洛伦兹（Lorentz）曾指出，碰撞对电子产生的阻力与电子速度成正比，这一阻力在低频问题中至关重要，但在高频无线电传播问题中，碰撞频率的影响可以简化或忽略。离子和中性粒子之间的碰撞频率对于确定电离层的电导率至关重要。电子碰撞频率会影响总电离层衰减。

离子密度

离子密度即电离层等离子体单位体积内的离子数。电离层中的离子密度影响着电离层的形成和分层。电离层中离子的密度分布可能会因季节变化、磁暴以及与等离子体层的相互作用等因素而变化。电离层连接探测器（ICON）卫星在2019年12月6日至2021年12月31日的观测期间，记录到的离子密度在大约600公里高度处表现出显著的变化。在这段时间内，离子密度的最小观测值为2.4×104 cm−3，而最大观测值则为17×104 cm−3。离子密度变化与电离层温度变化存在相关性。电离层不同区域的离子密度变化会导致不同的等离子体密度谱。离子子密度是影响电离层各个方面的关键参数，例如等离子体不规则性和大气阻力效应。了解离子密度对于综合电离层研究和空间天气预报至关重要。

离子温度

离子温度即为离子的平均动能，反映它们在电离层内移动的速度。离子温度对于揭示电离层的热状态和动态行为有着关键作用。研究表明，离子温度对于维持电离层与上层大气之间的热平衡具有显著影响。在极端太阳活动事件，如超级风暴期间，电离层顶部的离子密度和温度变化特征对于理解电离层对事件的响应至关重要。

结构组成

物质组成

电离层主要由阳离子、阴离子、自由电子以及中性分子和原子组成，包括氮分子（）、氧分子（）、氮（）和氧原子（）等。在电离层的大部分区域，正离子和电子的密度大致相等，而在最低的D区域，负离子的密度显著。电离层的物质组成主要通过光致电离过程形成，即太阳辐射中的短波长光子被大气气体吸收，导致中性原子或分子电离成电子和正离子。

在大约300公里高度，正离子和电子的密度达到最大值，大约为每立方厘米106个。电离层的主要阳离子包括离子化分子氧（）、离子化原子氮（）、离子化原子氧（）和离子化一氧化氮（）。在较低高度，可以与原子氮（）和一氧化氮（）反应生成。随着高度的降低，和离子逐渐成为主导离子种类，而在大约80至100公里以下，更重的簇离子开始占主导地位。在电离层顶部，质子（）和氦离子（）是重要的组成部分，它们相对于离子化原子氧（）的丰度随高度增加而增加。在最外层的电离层，也称为“质子层”，成为主要组成部分，维持着与电子相等的密度。

结构划分

电离层的电子密度随高度变化显著，由于大气的稀薄和太阳辐射减弱，导致电离层上下部电子密度很小，而在某高度上存在电子密度极大值。电离层的结构受到多个因素的影响，包括大气稀薄程度、太阳辐射强度、气体成分、温度变化、大气运动、电场和地磁场等。电离层被分为四个主要区域，分别为D区、E区、F区和上电离层，每个区域有不同的特点和电子密度变化。

D层是电离层中最低的层次，位于60到90千米高度范围内。它的电子密度相对较低，受到光化学反应的主要影响。通常情况下，夏季时D层的电子密度最高，而在中纬度地区，有时在冬季会出现异常增加的电子密度。D层中性分子占主导地位，电子与这些中性分子频繁碰撞，导致电波的能量被吸收，因此电波的吸收效应主要发生在D层。D层在夜间通常会消失。

E层位于大约90到150千米的高度范围内，其电子浓度高于D层，而中性分子比例较高。电离过程主要受到光化学反应和电离发生器效应的控制。这一层是最早被发现且变化规律最为简单的层次之一，其电子浓度呈现显著的昼夜、季节和太阳活动周期变化，这些变化基本符合太阳天顶角的余弦定律。夏季时，E层的电子浓度通常最高并且与太阳活动呈正相关。在白天，E层可以反射几兆赫兹频率的无线电，但夜间由于没有太阳辐射的影响，电子密度会降低1到2个数量级。在E层的高度区域经常出现突发的电子密度不均匀结构，这种现象被称为偶发E层或Es（Sporadic E）层。

F层是电离层中常见的层次，其电子浓度最高，高度通常在150千米以上。夏季白天，F层会分裂成较低的F1层和较高的F2层。F1层通常在夏季白天出现，高度大约在150到200米之间，并在夜间消失。电离过程主要受到光化学反应的控制，夏季时电子浓度最高，与太阳活动呈正相关。F2层的高度范围大约在200到500千米之间，形态相对复杂，主要受到电离、扩散和地球磁场的影响。F2层的电子浓度也与太阳活动正相关。在北半球，冬季时F2层的电子浓度通常比夏季高出20%以上。在磁赤道附近，存在“赤道异常”现象，即F2层的电子浓度较低，呈现出“双驼峰”结构，而这种现象在磁赤道附近的地磁纬度较低地区则不会出现。在夜间到凌晨时段，F层的高度区域内经常出现突发的电子密度不均匀结构，这会影响电波传播，被称为扩展F（Spread F，SF）层。F层的状态对通信系统的设计和运行非常重要，远距离短波通信和天波雷达成像系统主要依赖F层对无线电的反射，因此F层的状态会直接影响这些系统的性能。

上电离层指的是从F2层电子密度峰值高度向上延伸至电离层的顶部的区域。

主要影响

对地球大气的影响

电离层与地球大气之间的耦合主要通过动力学、化学和电气过程实现，这种耦合影响着从低大气层到电离层的能量转移，进而影响地球的全球电路（GEC）。

电离层对地球大气的另一个重要影响是通过调节大气化学过程。例如，电离层中的化学反应可以改变中间大气中氮氧化物的浓度，这些氮氧化物对平流层的臭氧和羟基自由基的丰度有直接影响。臭氧吸收太阳紫外线辐射，并控制大气的动态平衡。氮氧化物在对流层中产生臭氧，在平流层和中间层中则破坏臭氧，从而影响气候。电离层的变化还可以影响平流层和对流层的天气模式，包括风速、温度和大气压力的分布。

电离层的变化对地球大气的气候模式会产生相当的影响。例如，电离层中的扰动可以通过影响无线电波的传播来间接影响大气中的动力学过程。此外，电离层的变化还与地面上的气象现象如雷暴、台风、沙尘暴、地震、火山爆发以及核电站的放射性排放等有关，这些现象都会影响从地球表面到低电离层的电导率。还有有研究表明中尺度大气涡旋过程（例如飓风）与电离层变化之间的存在相关性。

对生态环境的影响

电离层作为地球大气中的关键层，对地球生态环境具有深远的影响。它由带正电荷的粒子组成，主要功能是作为保护屏障，防止太阳和宇宙空间中的有害射线到达地面，保护地球生物免受其伤害。没有电离层的保护，地球上的生命将无法抵御来自太空的致命辐射。

此外，电离层对地磁风暴和行星际冲击的响应，能够影响地球磁场和大气动力学。这种影响可能进一步对生态系统中的多种生物，尤其是依赖地球磁场导航的鸟类和动物的迁徙模式产生重要作用。电离层的变化可能扰乱这些物种的迁徙路线和行为模式，从而对生物多样性和生态系统的稳定性产生间接影响。

对人类活动的影响

2014年的一项研究表明，电离层的变化会影响人类行为，并对交通、国际贸易甚至军事等不同部门产生影响。2017年的一项研究显示，电离层的变化可能会影响循环系统疾病患者的死亡率。这可能是因为心血管疾病的患者受到地球环境中电荷浓度的影响，从而间接地对太阳活动的变化和异常现象产生反应。

电离层对某些无线电系统产生不利影响，可能导致系统性能下降或遇到工作障碍，这种情况通常出现在地空通信电路、卫星通信、卫星导航以及卫星遥感等系统中。电离层的不规则变化，可能会对全球导航卫星系统（GNSS）的信号传播造成影响，导致信号的群延迟或闪烁，从而降低定位精度或导致接收器丢失卫星信号。电离层对全球导航卫星系统接收器的影响，包括伪距误差、跟踪安全性和重新捕获性能。

相关研究

监测与测量

GNSS无线电掩星（GNSS-RO），亦称为“GPS无线电掩星”（GPS-RO或GPSRO），是一种基于GNSS或GPS卫星无线电传输的无线电掩星技术。该技术通过监测全球导航卫星系统（GNSS）信号在穿过行星大气层时的变化来实现。信号的折射程度，即弯曲量，与折射率的梯度成正比，而折射率梯度又与大气密度梯度相关。在无线电频率下，弯曲量通过信号的多普勒频移结合发射器和接收器的几何关系来间接计算。通过逆阿贝尔变换的应用，可以重建地球切点处的折射率径向剖面，进而在中性大气中推导出温度、压力和水汽含量等信息。

相干散射雷达系统可以利用信号的相干累积来检测电离层散射信号的精细结构。该方法可以识别各种电离层特征，例如测量等离子体密度不规则性和评估电离层对流估计值。相干散射雷达测量非相干散射信号统计特性的能力进一步增强了其检测电离层特性的能力。通过分析信号的统计特性，相干散射雷达可以减少信号自相关函数的估计误差，并因此减少电离层不同高度的电离层参数确定的误差。相干雷达反向散射技术能够以极高的精确度和准确性测量来自极光区域E层的等离子体不规则性所引起的散射谱。通过这种技术，可以详细分析和记录这些不规则性在雷达信号中的反向散射特征，从而为研究极光现象和电离层的动态变化提供观测数据。

非相干散射雷达（ISR）是一种专门设计用于探测电离层的雷达系统，能够测量电离层等离子体的各种特性，包括电子温度、电子密度、离子温度和离子速度。ISR还可以可以检测电离层中无线电激发引起的电子温度和高频增强离子线（HFIL）和等离子体谱线（HFPL）的大规模增强等现象。ISR发射无线电信号至电离层，并在一定时间后接收相应的回波信号。回波信号中蕴含着电离层的物理信息，能够提供关于电离层构成的详细数据。具体而言，回波信号的强度与沿雷达视线方向的电子密度成正相关关系。此外，接收到的信号的频谱特征能够揭示电子和离子的分布函数以及它们的平均速度等关键参数。ISR探测电离层现象的能力对于理解无线电与电离层之间的相互作用至关重要，为地球大气层这一活跃区域的动力学提供了相关的探测数据。

电离探空仪可以测量电离层的虚拟高度和临界频率。电离层探测仪通过扫描一系列频率，通常范围从0.1至30兆赫，以垂直入射角向电离层发射信号。随着频率的递增，信号波在电离层中的折射程度逐渐降低。当信号频率达到某一特定值时，该频率的信号波将能够穿透电离层而不会发生反射。对于常规模式的波形而言，这种现象发生在发射频率略高于电离层的等离子体峰值频率，即临界频率时。这些反射回来的高频无线电脉冲的轨迹被记录并形成电离层图。

电离层对电波会有吸收现象，主要发生在低电离层D区（60-100km）。由于D区电子密度较低，中性分子的数密度很大，当电波穿过D区时，电子通过碰撞把能量转移给了中性分子，从而使电波能量损失于介质中，这就是电波的吸收现象。电波吸收现象在无线电通信特别是在中短波段（300kHz-30MHz）有极其重要的意义。考虑到在D区中的吸收随频率的减小而增加，短波通信总是使用尽可能高的频率，即靠近MUF的频率。宇宙噪声吸收法是一种常用的电波吸收效应的测量方法。它是通过测量从深空到地面的无线电噪声强度来监测电离层吸收的状况。中国的中山站设立了成像式宇宙噪声无线电接收机（又称电离层相对浑浊仪）来进行极区的电离层吸收测量。

电离层的运动变化引起电波信号频率的偏移，称为多普勒频移，其幅度与电离层反射面的垂直运动速度成正比。高频多普勒监测就是通过接收高频信号（3～30 MHz），测量其多普勒效应，从而监测电离层的扰动变化。高频多普勒观测相对简易，只需要稳定信号源和频移测量精度达到0.01Hz的接收机。虽然它探测频率较少，但具有探测灵敏度高、时间延续性好和系统费用低廉等突出特点，仍然是电离层扰动变化监测的简单而有效的方法。高频多普勒监测可以捕捉到各种电离层扰动现象引起的多普勒频移。例如太阳X射线耀斑爆发会造成短波信号产生突然频移，严重时甚至出现中断，这些效应在观测记录上会有清晰的显示。大范围的中性大气的波动也会造成不同尺度的电离层扰动，表现在多普勒频移记录上就是频移的波动。

电离层突然骚扰（SID）是电离层对太阳耀斑爆发的响应。增强的远紫外和X射线辐射使得向日面的电离层电子浓度显著增大，有时甚至可增加一个量级，从而导致短波在D区发生严重吸收，信号衰减，可用频段变窄，甚至会造成短波通信完全中断，骚扰可持续几十分钟到几个小时。甚低频波段的电波在地面与电离层底部之间进行反射传播，对电离层底部的变化非常敏感，当耀斑爆发时，信号强度发生明显的变化。因此可以利用甚低频波段的信号对SID进行监测。电离层突然骚扰的监测对短波通信和甚低频（VLF）导航有重要作用。

电离层闪烁现象是指无线电信号在通过电离层时，由于电离层中等离子体不均匀分布的区域及其时空变化引起的电波的幅度、相位的快速无规则变化。电离层闪烁影响自VHF/UHF一直到S波段（20MHz～10GHz）。这些频段的电波在穿越电离层时，都会出现程度不同的闪烁现象。一般来说，频率越高，发生闪烁的概率越低。闪烁现象往往发生在夜间。从地域分布看，高纬地区和赤道异常区为闪烁高发区。接收受闪烁影响波段的卫星信号，监测其幅度和相位的变化，就可以进行电离层闪烁的监测。GPS系统发展以后，电离层闪烁的监测多采用GPS卫星发射的导航信号。GPS信号具有相对稳定的强度、相位，且GPS卫星星座保证任一观测点可以观测到多颗卫星。利用双频GPS无线电接收机，提取GPS信号幅度和相位的变化信息，就可以成为GPS闪烁监测仪，用于观测电离层闪烁现象。一般闪烁监测仪需要对GPS信号的相位和幅度进行高采样频率的测量。为描述电离层闪烁的严重程度，引入了烁指数的概念。针对信号幅度和相位的快速变化，有两个闪烁指数。一个是幅度闪烁指数S4，一个是相位闪烁指数σφ。闪烁指数越大表明闪烁越强。

主要模型

电离层模型是电离层的数学表述，它将电离层视为一个受地理位置、平均海拔、一年中的特定日期、太阳黑子活动周期的阶段以及地磁活动影响的函数。其中，国际参考电离层（IRI）模型是应用最广泛的模型之一。IRI模型基于地面和空间观测的电离层数据，是一个经验模型，用于表示电离层的基本物理参数。该模型的核心部分描述了从60到2000公里高度范围内电子密度、电子温度、离子温度和离子组成的全球月平均值。该模型是由空间研究委员会（COSPAR）和国际无线电科学联合会（URSI）共同赞助的国际性项目。其主要数据来源包括全球电离层探测仪网络、多部强大的非相干散射雷达（如Jicamarca、Arecibo、Millstone Hill、Malvern、St Santin）、ISIS和Alouette探测仪，以及多个卫星和火箭上搭载的现场仪器。IRI模型被用于科学、工程和教育领域的多种应用，如航天器导航、远程通信、射电天文学、地球观测、教育可视化、卫星设计、数据分析方案测试等。IRI模型的开发和维护是一个持续的过程，随着新的观测数据和改进的理论理解的出现，模型会定期更新。例如，IRI-2020版本就包括了对顶侧电子密度、D区电子密度、电离层离子温度和赤道垂直离子漂移模型的改进。2014年4月，IRI获得国际标准化组织的正式认证，成为国际标准化组织（ISO）的电离层标准（TS16457）。

异常现象

电离层是地球高层大气中的一个区域，位于地面约60至1000公里的高度，分为D层、E层和F层等几个不同的层次。这个区域受太阳高能辐射、降落粒子和宇宙射线等辐射源的影响，导致其中的中性大气分子发生电离，生成自由电子、离子和中性粒子等成分。电离层在日地空间观测中具有重要作用，其主要特征参数包括电场、电子和离子密度、电子和离子温度以及高能粒子等。在大地震的孕育和发生过程中，位于孕震区上空的电离层特征参数可能会出现异常扰动，被称为地震-电离层异常现象。这种现象是由地震电磁信号在岩石圈、大气层和电离层之间通过某种方式传播耦合的结果。首次在1964年3月28日美国阿拉斯加州发生的M9.2大地震中确认了电离层异常扰动与大地震之间存在某种耦合关系，此后对地震-电离层异常现象的研究得以展开。大量的研究结果表明，在强震（Ms≥5.0）发生前的数天至数小时内，孕震区域的电离层特征参数可能会出现不同程度的异常扰动，表现出明显的地震-电离层异常耦合特征。

通常情况下，由于太阳在天顶的角度不同，极地地区的背景电离层电导率在数值上呈现夏季较高而冬季较低的趋势。地球磁场活动的影响使得电离层电子密度在冬季出现了一定的异常情况，即在冬季电子密度较高而夏季较低。这是因为随着太阳活动周期的升降，夏季北半球电离层经历了太阳天顶角的变化，导致北半球高纬度地区和晨昏两侧的电子和离子密度逐渐增加，从而电导率明显上升。而到了冬季，随着太阳直射点的南移，南半球的电子和离子密度逐渐增加，导致南半球的电导率再次上升。特别值得注意的是，冬季南半球的电导率数值上超过了夏季南半球的电导率。

在低纬赤道地区，电离层结构最为显著的一个异常特征就是赤道电离层异常（EIA）现象。磁赤道南北两侧的电子密度较磁赤道上空的电子密度大，电子密度峰值分别发生在磁赤道向北15º至20º和向南15º至20º的地方，这就是赤道异常结构。赤道异常结构通常在地方时09:00~11:00LT开始生成，至地方时11:00LT之后得到充分发展，日落后逐渐减弱直至消失。赤道异常结构驼峰附近经常会发生电离层闪烁，导致无线电信号无法正常工作。

伽玛射线暴的持续时间范围从几毫秒到几分钟不等，其亮度相当于普通超新星的几百倍，大约相当于太阳亮度的100万亿倍。伽玛射线暴首次于20世纪60年代被观测到，引发了对这些剧烈爆炸原因的研究。根据天文学家的观察，大多数GRB是由大质量恒星内部核燃料耗尽、自身重力缩并形成黑洞时发生的。2022年10月9日发生的GRB（221009A）持续时间约为7分钟，在最初的探测后的10多个小时内仍然能够探测到它的信号。该事件的源头位于人马座方向，据估计，其光线经过了19亿年才抵达地球。

在太阳耀斑期间，产生的X射线和远紫外辐射会引起电离层中不同高度处的电子密度增加，导致多种电离层骚扰现象。研究表明，不同的电离层骚扰现象与耀斑期间特定高度区域的电子密度增加相关。例如，突然频率吸收（SWF）和突然相位异常（SPA）与耀斑期间D区电子密度的增加相关；磁钩扰（OSFE）与耀斑期间电离层E层电子密度的增加相关；尽管耀斑期间电离层各高度的电子密度都增加了，但引起总电子含量突增（SITEC）的电子密度增量在电离层F层要明显高于其他区域。

地磁暴期间，高能粒子从太空落下，撞击空气并使其发光，从而形成极光。空气中的分子和原子在与太阳物质的高速撞击过程中，会发生微观的能量交换。以氧原子为例，它们会从撞击中接收一份能量，但是由于原子核外电子的特性，电子与原子核之间只能容纳一定额度的能量，超过的部分都会再被释放出来，而释放的形式就是发光。

软X射线（SXR）爆发具有巨大的能量释放，以光速传播至地球散逸层，对电离层有强烈的影响。SXR爆发的持续时间较长，因此对地球电离层的影响具有累积效应。在SXR爆发的同时，通常会伴随着强烈的非热电子束流，因此也会观察到持续时间较短的硬X射线爆发和射电III型爆发。SXR爆发的时间轮廓曲线（利用GOES卫星观测资料）获取。硬X射线（HXR）爆发释放了巨大的能量，但其持续时间较短，通常伴随射电III型爆发，并以光速传播至地球附近。由于其持续时间较短，可以精确确定其对地球电离层的影响时刻，与地球空间暴的时间相关性可以得到精确判断，射电III型爆发可作为附加的判据。

地球高层大气受太阳X射线和极紫外（XUV）辐射的影响而受热、离解，并在部分情况下发生电离，形成电离层。研究观测表明，太阳XUV辐射具有不同时间尺度的规则变化，包括大约11年的太阳黑子周期和准27天的太阳自转周期，以及瞬时的强烈爆发事件。剧烈的太阳活动事件，如耀斑、日珥爆发和日冕物质抛射（CME）等，通常导致X射线暴发、粒子暴发以及等离子体物质的快速释放，常称为太阳风暴。它们在地球空间引发多种效应，如磁暴、电离层暴、热层暴和高能粒子暴等。伴随磁暴事件的发生，电离层参数如总电子含量（TEC）和电离层F2层临界频率（foF2）等会出现剧烈变化，持续数小时至数天。

其他天体的电离层

太阳系中具有明显大气层的物体（即所有主要行星和许多较大的天然卫星）通常会产生电离层。已知有电离层的行星包括金星、火星、木星、土星、天王星、海王星、木卫三、土卫六和土卫二。火星的电离层通常位于火星地表上方约110至130公里处，由一氧化碳的光电离形成。土卫六的大气层包括一个高度从约880公里到1,300公里的电离层，并含有碳化合物。土卫二没有大气层但其南极持续活跃的间歇泉提供了可电离物质的局部来源。