電離層電離層の概要

地球の大気の鉛直構造
	宇宙空間
		約10,000 km
	外気圏
		800 km
	熱圏
			電離層
	(カーマン・ライン)		(100 km)
			80 km
	中間圏
		50 km
	成層圏
			オゾン層
	11 km
	対流圏		自由大気
			1 km
			境界層
			0 km
※高度は中緯度の平均 / 表

概要

電離層の日変化と高度(km)
昼間	夜間
F2層 (220 - 800)	F層 (150 - 800)
F1層 (150 - 220)	F層 (150 - 800)
E層 (90 - 130)
D層 (60 - 90)

地球を取り巻く大気の上層部にある分子や原子が、紫外線やエックス線などにより電離した領域である^[1]。この領域は電波を反射する性質を持ち、これによって短波帯などの電波を用いた遠距離通信が可能である。

熱圏に存在する窒素や酸素などの原子や分子は、太陽光線などを吸収する。そのエネルギーによって、原子は原子核の回りを回転する電子を放出し、イオンとなる。この現象を光電離という。この電離状態であるイオンと電子が存在する領域が電離層である。大気に入った紫外線などは、熱圏内で次々と原子や分子に吸収されていくため、繰り返し光電離が生じる。こうして熱圏内は電子密度の高い状態となっている。

電離層は熱圏および中間圏内（高度約60kmから500kmの間）に位置し、電子密度の違いによって、下から順にD層 (60km - 90km)、E層 (100 - 120km)、F1層 (150km - 220km)、F2層 (220km - 800km) の4つに分けられる^[2]^[3]。

上の層に行くほど紫外線は強く、多くの電離が生じるため電子密度は大きく、下の層は電子密度が小さい。夜間は太陽からの紫外線が届かないため、電子密度は昼間よりも小さくなる。このため地球全体を取り巻く電離層は均質な球状の層ではない。最下層のD層は、夜間には太陽からの紫外線があたらないため、電離状態を維持することができずに消滅する。また昼間はF1層とF2層に分裂するが、夜間には区別がなくなり一つのF層 (150km - 800km) となる。これにより、昼間と夜間では電波の伝播状態が変化する。このことは地球上の昼半球と夜半球では伝搬状況が異なることを意味する。また約11年周期の太陽黒点の増減によっても大きく変化する。このことを太陽活動周期(サイクル)といい、1986年の太陽黒点極小期から始まり1989年の極大期を含む周期をサイクル22(第22太陽周期)、同様に1996年から始まる周期をサイクル23(第23太陽周期)、2008年から始まる周期をサイクル24(第24太陽周期)…という。なお、マウンダー極小期が終わったあとの1755年から1766年までの周期が伝統的にサイクル1(第1太陽周期)とされている。

電離層による電波の伝わり方

周波数による違い

超長波(30kHzより低い周波数)は、電離層の影響をあまり受けない。
長波(Low Frequency)は、地球の昼半球ではD層で反射して、D層が消滅する夜半球ではE層で反射される（中波に似る）。
中波(Medium Frequency)は、地球の昼半球ではD層で減衰されてしまうため、昼半球での送信では伝播距離は地表波が届く数十キロ程度に留まるが、D層が消滅する夜半球での送受信では主にE層で反射され、数百から1000キロ以上の遠方まで届くようになる。
短波(High Frequency)は、常にD層を通り抜け主にF層で反射されるが、昼半球と夜半球では電離層の状態が異なるので伝わり方が変わる（昼半球では高い周波数が、夜半球では低い周波数が反射されるようになる）。
VHF・UHF以上の高い周波数（短い波長）の電波は、電離層を通り抜けてしまうので遠くには伝わらない（地上用としては、基本的に見渡せる距離しか伝わらない）。逆に、電離層を通り抜ける性質を使い、人工衛星や電波天文学など宇宙との通信に利用される。但し、電離層を通り抜けている間は、伝播速度が遅くなるため、GPSでは測位誤差の原因になる。

電波の入射、吸収、反射

電波は電離層に入射すると、電離層により吸収、屈折、反射される。それぞれの割合は、電離層の電子密度、電波の周波数、電波の入射角に依存する。電波の入射角が全反射の条件を満たすと入射したエネルギーが吸収も屈折もされることなく、すべて反射されることがある。これは空気から水に入った光が吸収されたり反射したり屈折したりする現象とほぼ同様である。電離層が電波を反射する条件が整った場合、地上からやってきた電波が電離層に入射すると、今まで通ってきた空気中よりも電子の数が急激に増すため、電波はそのスピードを失う。最終的に電波は電離層に反射させられ、再び地上に戻ってくる。電離層への入射角により、電波の一部は電離層により吸収されたり、屈折して宇宙空間に伝わったり、反射されたりする。

電波が電離層を透過する際に受ける減衰を第一種減衰、電離層を反射する際に受ける減衰を第二種減衰という。反射による減衰が急激に増加する周波数を最高使用周波数 (MUF) といい、短波ではその85%の周波数を最適使用周波数 (FOT) としている。最適使用周波数では電離層反射を最も効率的に利用でき、遠距離通信に適しているが、コンディションが変化して最高使用周波数が低下すると、突然電離層反射が利用できなくなることも起こり得る。

正割法則

電離層に対する電波の入射角を $\theta$ 電磁気学

大気電気学

大気電磁現象

[1]

[2]

[3]

表話編歴磁気圏
内部	地圏地磁気オーロラ極風大気循環ジェット気流
地球の磁気圏	電離層プラズマ圏磁気圏磁気圏界面磁気圏粒子運動リングカレントヴァン・アレン帯ビルケランド電流磁気圏シース磁気圏年表
太陽風	惑星間空間磁場太陽圏ヘリオポーズ太陽フレア磁気嵐太陽風コロナ質量放出太陽圏電流シート宇宙天気予報
人工衛星	GEOTAIL WIND Polar IMAGE クラスターミッション双星計画 THEMIS 磁気圏マルチスケールミッション（英語版）ヴァン・アレン探査機あらせ
調査プログラム	高周波活性オーロラ調査プログラム南半球オーロラレーダー実験 SuperDARN
他天体の磁気圏	水星磁気圏木星磁気圏ガニメデ磁気圏土星磁気圏天王星磁気圏海王星磁気圏
関連項目	環木星土星天王星海王星ガストーラスフラックス・チューブ

典拠管理データベース
国立図書館	フランス BnF data ドイツイスラエルアメリカ日本チェコ
その他	現代ウクライナ百科事典

電離層 電離層の概要

電離層

概要

電離層による電波の伝わり方

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電波の入射、吸収、反射

正割法則

急上昇のことば

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