電離層散射通信

散射通信是指利用對流層及電離層中的不均勻性對電磁波產生的散射作用，進行的超視距通信。分電離層散射通信，對流層散射通信和流星餘跡通信。經過散射的電波能量向多個方向發送，在超視距遠方接收點的信號能量將很微弱並有衰落現象，因此在散射通信系統中需要大功率發射機、高增益天線和高靈敏度接收機，並採用分集接收方式。

20世紀50年代初，美國提出了建立對流層散射通信系統的設想，並於50年代中建立了對流層散射通信電路。中國於50年代中期開始研究對流層散射傳播問題，60年代初研製模擬對流層散射設備，70年代開始研製數字對流層散射設備，並陸續建站投入使用。20世紀60年代初，美國建立了電離層散射通信電路。但由於電離層散射通信的容量很小，發射功率卻要求很大，因而限制了它的發展和應用。

散射通信是一種超視距的通信手段，它利用空中介質對電磁波的散射作用，在兩地間進行通信。對流層、電離層、流星餘跡、人造散射物體等都具有散射電磁波的性質。如果發射機發出的電磁波輻射到這些地方，就會向各個方向散亂地輻射出去，其中朝斜前方向射去的電磁波能達很遠的地方。遠處的接收機，如果有足夠高的靈敏度，就能將散射來的微弱電磁波接收下來，從而實現通信。

由於散射通信中電磁波傳輸損耗很大，到達接收端的信號很微弱，為了實現可靠的通信，一般要採用大功率發射機，高靈敏度接收機和高增益、窄波束的天線。

利用大氣層中傳播媒介的不均勻性對無線電波的散射作用進行的超視距通信。根據散射媒質的不同，散射通信一般分為對流層散射通信和電離層散射通信。通常所説的散射通信大多是指對流層散射通信。

在對流層中由於大氣的湍流運動產生了具有各不相同的介電常數的湍流團，當無線電波照射到這些不均勻的湍流團時，就在每一個不均勻體上感應電流，成為二次輻射體，從而向各個方向發出該頻率的二次輻射波，這就是散射現象。對流層散射通信就是利用這種現象而實現的超視距無線電通信。由於對流層散射現象在200～8000兆赫頻段比較顯著，所以對流層散射通信主要工作在這個頻段內。

並且散射通信可以進行超視距通信，距離100～300km，容量為十數路至數十路；不受核爆炸、太陽黑子、磁暴和極光等影響。可跨越海灣、無人煙地區；保密性強，穩定可靠，具有一定抗毀性；便於機動應急架設。在軍事通信中廣泛應用。 ^[1] 

電離層是地球大氣層被太陽射線電離的部分，它是地球磁層的內界。由於它影響到無線電波的傳播，它有非常重要的實際意義。

地球大氣層最下面的一層是對流層，它從地面延伸到約10公里的高處。10公里以上為平流層，再向上為中間層。在約80公里以上的增温層大氣已經非常稀薄，在這裏陽光中的紫外線和X射線可以使得空氣分子電離，自由的電子在與正電荷的離子合併前可以短暫地自由活動，這樣在這個高度造成一個等離子體。在這裏自由電子的數量足以影響電波的傳播。

在電離層中陽光電離大氣分子與離子重新捕獲自由電子的過程平衡。一般來説高度越高，大氣越稀薄，則電離過程越佔上風。不過電離層的特性還隨許多其它因素影響。

電離過程的主力是太陽活動。電離層內電離度主要由獲得的太陽輻射所影響。因此電離層隨週日和季節（冬季半球遠離太陽，因此受到的輻射比較少）而變化。太陽活動主要隨太陽黑子週期而變化。一般來説太陽表面黑子越多，太陽活動越強烈。除此以外隨地球表面緯度的不同當地受到的太陽輻射強度也不同。耀斑和太陽風中的帶電粒子可以與地球磁場相互作用，導致對電離層的擾亂。 ^[2] 

太陽輻射對不同高度不同成分的空氣分子電離造成電離層不同的分層。

D層是電離層最低的一層，離地球表面50至100公里。這裏主要是波長為121.5納米的來曼-α氫光譜線的光電離一氧化氮。在太陽活動非常強烈時（超過50個黑子），硬X射線還可以電離空氣中的氮氣和氧氣的分子。夜間宇宙射線造成一個剩餘電離。這個層裏離子對自由電子的捕獲率比較高，因此電離效應比較低，從而它對高頻無線電波沒有影響。日間這裏自由電子與其它粒子的碰撞率約為每秒1000萬次。10MHz以下的電波會被D層吸收，隨着電波頻率的增高這個吸收率下降。夜間這個吸收率最低，中午最高。日落後這個層減弱非常大。D層最明顯的效應是白天遠處的中波電台收不到。

E層是中層，在地面上100至150公里。這裏的電離主要是軟X射線和遠紫外線對氧氣分子的電離。這個層只能反射頻率低於10MHz的電波，對頻率高於10MHz的電波它有吸收的作用。E層的垂直結構主要由電離和捕獲作用所決定。夜間E層開始消失，因為造成電離的輻射消失了，由於捕獲在低處比較強，因此其高度開始上升。高空週日變化的風對E層也有一定影響。隨着夜間E層的升高，電波可以被反射到更加遠的地方。

E_S層也被稱為偶現E層。它是小的、強烈電離的雲，它可以反射頻率在25至225MHz之間的電波。偶現E層可以持續數分鐘到數小時不等，其形成原因可能有多種，而且還在研究中。夏季偶現E層出現得比較多，持續時間一般也比冬季長。電波的反射距離一般為1000公里左右。

F層在地面以上150至超過500公里。在這裏太陽輻射中的強紫外線（波長10至100納米）電離單原子氧。F層對於電波傳播來説是最重要的層。夜間F層合併為一個層，白天分為F₁和F₂兩個層。大多數無線電波天波傳送是F層形成的。在白天F層是電離層反射率最高的層。

電離層被用來反射和傳送高頻無線電信號。反射後的信號回到地球表面，可以再次被反射到電離層。

電波可以使得電離層裏的自由電子以同樣的頻率振盪。若此時自由電子被捕獲的話，則電波中的部分能量會消失。

假如電離層內自由電子的碰撞頻率小於電波頻率，且自由電子密度夠高，則電波能夠有全反射的現象。

當電波頻率高於電離層內的等離子頻率時，會因電子運動不夠快而使得電波得以穿透電離層。在電波頻率小於臨界頻率時，電離層可以垂直反射無線電波：

N是每立方厘米電子密度，f_o是頻率（單位為MHz）。

最高可用頻率（MUF, Maximum Usable Frequency）是在一定時間內，可以在兩點之間傳送信號的頻率上限。

I是波與水平線之間的角度。

近年台灣中央大學太空科學研究所劉正彥教授等人的研究顯示，規模五以上的地震在發生前至少超過七成震中上空的電離層都曾突然變稀薄；規模六以上強烈地震更高達九成都會在震前出現電離層異常擾動。故如當下判斷某區電離層突然變稀薄非由太陽黑子等外來活動引起時，則可能是由於地球板塊擠壓累積能量所致，故應可利用電離層異常擾動現象作為地震預警的重要參考，讓政府為可能將到來的大地震預作準備，不過這樣的論點仍有爭議。 ^[3]