記者:文∕李名揚
地球高空有一層由電漿構成的電離層，對通訊傳播極為重要。 電離層是怎麼產生的？全世界電漿濃度最高的區域就在台灣上空，為什麼？
現在是通訊傳播極為發達的年代，其中無線傳輸扮演了相當重要的角色；但地球是圓的，遠距離訊號如何「直」達？除了靠衛星傳送外，會反射無線電波的高空電離層，至為關鍵。電離層到底是由什麼構成？又是怎麼產生的？地球表面包圍著一層厚厚的大氣層，地表大氣層成份主要是氮氣（N2）佔78%，氧氣（O2）佔21%，但到了距地表100公里以上，大氣成份比例不僅和地表不同，有些氣體分子也拆解為單一的原子。距地表50公里以上的高空，不論分子或原子大氣，都會部份解離為帶負電的電子和帶正電的離子，形成「電漿態」。電漿態的一大特性是會反射電磁波，每一電漿濃度有一對應的「電漿頻率」，當入射電磁波頻率等於電漿頻率時，該電磁波就會被反射，一般來說小於30百萬赫茲（MHz）的電磁波才有機會被電離層反射。地球表面的長距離無線通訊，就是靠高空的電漿反射才得以完成。當大氣層的電漿濃度大到足以影響電波傳播，就是我們定義的電離層，其範圍大約是離地表50~2000公里的高度。
太陽輻射 產生解離
那麼，大氣為何會解離成電離層呢？中央大學太空科學研究所教授劉正彥表示，電離層的主要形成原因是「光離子化」（photo ionization），就是太陽發出的X光、極紫外光和紫外光照射並解離大氣層中的分子或原子氣體，約佔電離層的95%。次要的原因則是「粒子離子化」（particle ionization），意指太陽風或宇宙射線中的高能帶電粒子轟擊並解離大氣層中的分子或原子氣體。只是這種情況大多發生在極區，因為宇宙帶電粒子無法穿越地球磁場造成的「磁層」，只有少部份會沿著磁力線從極區進入並轟擊大氣層，形成美麗的極光。而電漿的形成與氣體密度關係非常密切，高層大氣的氣體密度很低，能被光離子化或粒子離子化的分子或原子氣體很少，越接近地表，就會有越多氣體可以被解離。可是另一方面，不論是X光、極紫外光、紫外光或帶電粒子，都會隨著越來越深入大氣層而一路解離分子或原子氣體，自身也消耗了許多能量，因此越到低層，解離能力越弱。綜合這兩個條件，就可得出電漿產量與高度的關係，是從外太空越接近地表，產量越高，距地表90~100公里處為最大值，之後產量逐漸降低（見左頁圖〈大氣層中電漿產量曲線〉）。
電漿的消失和傳輸
電漿不僅會解離產生，也會因其正離子和電子結合成中性原子而消失。但由於結合的過程必須同時滿足能量與動量守恆，造成原子離子不容易和電子結合形成原子，而分子離子比較容易和電子結合，使電離層中的電漿減少。在高度150公里以下的大氣，因分子氣體濃度很高，所產生的分子離子和電子很快就會互相結合，常見的有：O2+＋e- → O＋ON2+＋e- → N＋NNO+＋e- → N＋O但是到了150公里以上的高空，由於較重的氣體如氮氣、氧氣、氬氣（Ar）等，隨著高度升高而遞減較快（見下圖〈高空氣體分佈隨高度變化情形〉），於是越高層的大氣裡，較輕的氧原子所佔比例越高，當這些氧原子因照射太陽光而解離為離子後，卻不容易直接和電子結合，必須先經過一道電荷交換程序，形成分子離子，然後才會和電子結合，因此機率降低許多：O+＋N2→N＋NO+—→NO+＋e- →N＋OO+＋N2→O＋N2+—→N2+＋e- →N＋NO+＋O2→O＋O2+—→O2+＋e- →O＋O電漿主要成因是太陽輻射，因此絕大多數都在白天產生，進入夜晚後，電漿濃度因正離子和電子的結合而逐漸降低：但在降為零之前，就進入第二天早上，陽光再次使電漿濃度上升。因此晚上電離層並不會完全消失，只是電漿濃度比白天低。電漿並非固定不動，電離層電漿濃度的水平和垂直分佈，最主要受到三種動力傳輸作用的影響。第一種是擴散，使電漿由濃度較高處往低處擴散；第二種是中性風吹拂效應，由於帶電粒子無法跨過磁力線，向赤道吹的中性風會將電漿沿磁力線向高處抬升，反之向極區吹的中性風則會使電漿沿磁力線下沉傳輸（見上圖〈中性風吹拂效應〉）。不論是擴散作用或中性風吹拂效應，只要是向下傳輸的電漿，很快就會結合消失，而向上傳輸的電漿可以存在較久。雖然在離地表90~100公里處的電漿產量最大，但由於上述消失及傳輸作用，使得電離層中電漿濃度最大的區域，並非在距地面90~100公里處，而是發生在較高的距地面200~300公里處。
記者:文∕李名揚
