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電離層（/ aɪ ˈ ɒ n ə ˌ s f ɪər /）[ 1 ] [ 2 ]は、地球の上層大気の電離した部分で、海抜約48 km (30 mi)から965 km (600 mi)までの範囲に広がっています。[ 3 ]この領域には、熱圏、中間圏、外気圏の一部が含まれます。電離層は太陽放射によって電離されます。大気電気において重要な役割を果たし、磁気圏の内縁を形成します。[ 4 ]電離層は、他の機能の中でも特に、地球上の遠隔地への電波伝搬に影響を与えるため、実用上重要です。[ 5 ]この層を通過すると、 GPS 信号にも影響を及ぼし、その経路が偏向し、到着が遅れます。[ 6 ]
1839年にはすでに、ドイツの数学者で物理学者のカール・フリードリヒ・ガウスは、大気の電気伝導領域が地球の磁場の観測された変動を説明できると仮定した。[ 7 ] 60年後の1901年12月12日、グリエルモ・マルコーニは、受信用に152.4メートル（500フィート）の凧で支えられたアンテナを使用して、ニューファンドランド（現在のカナダ）のセントジョンズで最初の大西洋横断無線信号を受信した。[ 8 ]コーンウォールのポルドゥにある送信局は、火花ギャップ送信機を使用して、周波数約500kHz 、それまでに生成されたどの無線信号の100倍の電力を持つ信号を生成した。受信したメッセージは、文字Sのモールス符号である3つの短点であった。信号がニューファンドランドに到達するには、電離層で2回反射する必要がある。しかし、ジャック・ベルローズ博士は、理論的および実験的研究に基づいてこれに異議を唱えている。[ 9 ]しかし、マルコーニは1年後、ノバスコシア州グレースベイで大西洋横断無線通信に成功した。 [ 10 ]
1902年、オリバー・ヘヴィサイドは、彼の名にちなんで名付けられた電離層のケネリー・ヘヴィサイド層の存在を提唱した。 [ 11 ]ヘヴィサイドの提唱には、地球の曲率に沿って無線信号が伝送される方法が含まれていた。また、1902年には、アーサー・エドウィン・ケネリーが電離層の無線電気特性の一部を発見した。[ 12 ]
1912年、米国議会はアマチュア無線家に対して1912年無線法を施行し、運用周波数を1.5MHz （波長200メートル以下）以上に制限した。政府はこれらの周波数は役に立たないと考えていた。これが1923年の電離層を介したHF無線伝搬の発見につながった。[ 13 ]
1925年、アルフレッド・N・ゴールドスミス博士とそのチームがニューヨークで日食中に観測を行った結果、太陽光が電波伝搬に及ぼす影響が明らかになり、日食の間、短波は弱くなったり聞こえなくなったりする一方、長波は安定することが判明し、電離層が無線伝送において果たす役割の理解に貢献した。[ 14 ]
1926年、スコットランドの物理学者ロバート・ワトソン＝ワットは、 1969年にネイチャー誌に掲載された手紙の中で電離層という用語を導入した。[ 15 ]
近年、「成層圏」という用語、そしてそれに付随する「対流圏」という用語が広く採用されるようになりました。 大規模な電離と相当な平均自由行程が主な特徴である領域を表す「電離圏」という用語は、この一連の用語に追加するのに適切であると思われます。
1930年代初頭、ラジオ・ルクセンブルクの試験送信により、偶然にも電離層の最初の電波による改変の証拠が得られました。HAARPは2017年に、その名にちなんだルクセンブルク効果を用いた一連の実験を行いました。[ 16 ]
エドワード・V・アップルトンは、 1927年に電離層の存在を確認した功績により、1947年にノーベル賞を受賞しました。ロイド・バークナーは、電離層の高さと密度を初めて測定しました。これにより、短波電波伝搬に関する最初の完全な理論が構築されました。モーリス・V・ウィルクスとJ・A・ラトクリフは、電離層における超長波電波の伝搬について研究しました。ヴィタリー・ギンズブルグは、電離層などのプラズマにおける電磁波伝搬の理論を開発しました。
1962年、電離層の研究を目的としてカナダの衛星アルエット1号が打ち上げられた。その成功を受けて、 1965年にはアルエット2号、1969年と1971年には2機のISIS衛星、さらに1972年と1975年にはAEROS-AとAEROS-Bが打ち上げられ、いずれも電離層の測定に用いられた。
1963年7月26日、最初の運用静止衛星シンコム2号が打ち上げられた。[ 17 ]この衛星（および後継衛星）に搭載された無線ビーコンにより、静止軌道から地球の受信機までの無線ビームに沿った全電子量（TEC）の変化を初めて測定することが可能になった。（偏光面の回転は、経路に沿ったTECを直接測定する。）オーストラリアの地球物理学者エリザベス・エセックス＝コーエンは、 1969年以降、この技術を用いてオーストラリアと南極上空の大気を監視していた。[ 18 ]
電離層は、地球を取り囲む電子と帯電した原子や分子の殻であり、 [ 19 ]約50 km (30 mi)から1,000 km (600 mi)以上の高さに広がっています。これは主に太陽からの紫外線放射によって存在します。[ 20 ] [ 21 ]
ヘヴィサイドとケネリーは、長距離電波伝搬のモデルとして大気反射を提唱した。このモデルでは、電気伝導性のある大地と上層大気が導波路として機能する。ヘヴィサイドは、自身の電信方程式と海水の導電率を用いて、「上層大気には十分に導電性のある層が存在する可能性がある。その場合、導波路は片側が海、もう片側が上層大気によって形成される」と提唱した。ケネリーは、80キロメートルでは空気の導電率が海水の20倍になることを計算し、物理的な原因を提唱した。これは、無線信号が円筒波として伝搬し、エネルギーの発散が遅いため、長距離でも検出できることを意味した。1919年、G.N.ワトソンは、大地を導電性の球体、大地と同心円状の球状の大気反射層として用い、オースティン・コーエンの公式やその他の長距離伝搬実験を数学的に再現した。 1924年、ジョセフ・ラーモアはイオン屈折の理論を発表し、イオン化された空気が電波の伝搬方向をどのように曲げるかを定量的に示しました。[ 22 ]
1923年から1925年にかけて、アップルトン、マイルズ・バーネット、レジナルド・スミス＝ローズ、RH・バーフィールドは、電離層反射波（スカイウェーブ）の探索中に無線探査実験を行った。彼らは、上層大気中の電離ケネリー＝ヘヴィサイド層（電気の「E層」）の高さが80～90kmであることを突き止めた。アップルトンとバーネットは送信波の周波数を操作し、地表波との干渉によって生じる減衰を測定した。彼らは、強い太陽光線によって電離層が厚くなり、地表に近づく日中はスカイウェーブが弱いことに気づいた。また、送信機と受信機の距離が長いほどスカイウェーブが優勢であったが、距離が近いほど地表波と重なり合っていた。さらに、スカイウェーブは地表波ほど速く減衰しなかった。スミス＝ローズとバーフィールドは、スカイウェーブの偏光、入射角、および波の偏向高さを測定した。[ 22 ]： 203～214、239
1925年、グレゴリー・ブライトとマール・トゥーヴは、パルスエコー法、すなわち鋭く周期的に繰り返されるパルスを用いて電離層の高さを測定した。しかし、彼らの高さの測定値は88kmから211kmまでばらつきがあり、波長によっても変化した。これは、電離層が鋭い反射面ではなく、ラーモアのイオン屈折理論に従って振る舞うことを示していた。1927年、アップルトンの周波数変化実験により、より高い「F層」が確立され、ブライトとトゥーヴの測定値はE層の底とF層の上部に相当することが示された。E層の電子密度はF層よりも低いため、長い波長ほど屈折が大きかった。アップルトンは、より長い波長はE層を、より短い波長はF層を観測できると提唱した。アップルトンはまた、太陽放射によって正午頃に最も多くのイオンが生成され、F層が下方に押し下げられる一方、真夜中のイオン生成量の少なさによってF層が上昇することも示した。[ 22 ]： 215–216、229、239–241
地球の大気の最下層は、1 kmあたり 10 度Kずつ温度が低下する対流圏です。対流圏は地表から約10 km (6マイル)から12 km (7マイル)の対流圏界面まで広がっています。その上は成層圏で、温度は高度とともに上昇し、オゾン層による紫外線の吸収により 50 km で最大になります。成層圏界面では、温度は低下し、 80 km (50マイル)から85 km (50マイル)の中間圏界面で最低の 180 K に達します。熱圏では、温度勾配は正で、約 1000 K の一定値に達します。100 km にはターボ圏界面があり、その上ではガスが気体拡散によって太陽圏と陽子圏に分離します。高度600km以上では、外気圏において原子は地球の重力から逃れることができる。電離層は大気の電離領域であり、電波伝搬に重要であり、磁気圏は地磁気場が粒子運動を制御する場所である。[ 23 ]
高度125kmでは、分子状酸素と原子状酸素の濃度は等しい。それより上空では、102.7nmから175.9nmの紫外線による分子状酸素の解離により、原子状酸素の濃度が著しく増加する。電離層形成におけるN₂、O₂ 、 Oの電離は、17nmから175nmの極端紫外線と0.1nmから17nmのX線太陽放射によるものである。電子の吸収に伴い、放射再結合と解離再結合が起こる。後者の分子過程は、電子とイオンの10⁵倍速い損失をもたらす。[ 23 ]： 12-14
ハンスッカーとハーグリーブスによれば、「E、F1、F2層の最大値は黒点数Rに依存する。太陽面上に見える黒点数、フレアの発生率、または10cm電波束の強度で測定される、約11年間の太陽活動の変動は、 X線および極端紫外線帯の電離放射線の強度の変動により、電離層にも影響を与える。」F2層は、日周変動および季節変動による異常も示す。さらに、中緯度におけるF2層は夜間に消失しない。[ 23 ]： 39-45
シドニー・チャップマンは、電離層より下の領域を中性圏 （中性大気）と呼ぶことを提案した[ 24 ]。[ 25 ] [ 26 ]
30 MHz～10 GHzの周波数は見通し線伝搬を利用するが、30～150 MHzでは電離散乱、 200 MHz～19 GHzでは対流散乱、約40～150 MHzでは流星散乱を利用できる。2～30 MHzの周波数は昼夜を問わず電離層反射波によって伝搬される。約300 kHz～3 MHzの周波数は昼夜を問わず地表波として伝搬され、夜間は電離層反射波として増幅される。[ 23 ]： 429～430、439、529 ～530、568
夜間は、F層のみが有意な電離層であり、E層とD層の電離は極めて低い。日中は、D層とE層はより強く電離され、F層も同様に強く電離され、F 1層と呼ばれる弱い電離領域が新たに形成される。F 2層は昼夜を問わず存在し、電波の屈折と反射の主な原因となる領域である。[ 27 ] [ 28 ]
分子イオンは原子イオンよりも解離再結合率が1000倍高く、放射再結合率が高いため、夜間の濃度が低下します。低高度では、Fe +と Mg +が流星によって沈着すると、明確な層でプラズマ密度が高まります。[ 29 ]イオンと電子の密度は、大気混合が少なく、再結合率が低いため、100 km を超えると著しく増加します。[ 30 ]
D層は最も内側の層で、地表から60～90km （37～56マイル）上空に位置し、電子密度は1cm³あたり10²～10⁴個である。この層での電離は、波長121.6ナノメートル（nm）のライマン系列α水素放射線による一酸化窒素（NO）の電離によって起こる。さらに、太陽フレアはN₂とO₂を電離する硬X線（波長<1nm ）を発生させることもある。[ 31 ] [ 23 ]： 13、31～36
低周波電波は、自由電子を振動させてエネルギーを散逸させるため、D層内で周波数の二乗に反比例して減衰します。これにより、夜間などD層が消失する場合を除き、低周波電波信号が上層大気に浸透するのを防ぎます。電離層 吸収により、紫外線放射の発生が増加するため、太陽黒点活動がピークの時期には50MHz以下の信号の 効果が低下します[ 32 ]。
太陽プロトン現象の間、高緯度および極域のD領域では電離が異常に高くなることがあります。このような非常にまれな現象は、電離の増加によってその領域を通過する電波信号の吸収が著しく増強されるため、極冠吸収（PCA）現象として知られています。[ 33 ]極域の電波障害は広範囲に及ぶ可能性があり、オーロラ現象ほど頻繁ではありませんが、数日間続くことがあります。[ 23 ] : 382–411
E層とF層では空気密度が低いため、電子の衝突が少なくなります。その代わりに、電波信号が上方に伝搬するにつれて電子密度が高くなり、電波信号は密度の増加によって屈折し、地球に向かって曲がって戻ってきます。つまり、反射されます。入射角と周波数の両方が屈折量を決定し、周波数が高くなるにつれて屈折は減少します。高周波の電波信号はD層を通過する可能性がありますが、E層で反射され、さらに高い周波数ではF層で反射されますが、信号がすべての層を通過して宇宙空間に到達する周波数に達する可能性があります。[ 32 ]
E層は地球表面から105～160km （65～99マイル）上空の中間層で、電子密度は数×10⁵個/cm³である。電離は、80～103nmの紫外線（UV）太陽放射による分子状酸素（O₂ ）の電離と、太陽フレアからのX線放射によって起こる。電離レベルは日の出直前に最も低く、その後上昇し、正午にピークを迎える。[ 30 ] [ 23 ]： 13
この領域は、ケネリー・ヘヴィサイド層、あるいは単にヘヴィサイド層とも呼ばれています。その存在は、1902年にアメリカの電気技師アーサー・エドウィン・ケネリー（1861～1939）とイギリスの物理学者オリバー・ヘヴィサイド（1850～1925）によってほぼ同時に独立に予測されました。1924年には、エドワード・V・アップルトンとマイルズ・バーネットによってその存在が確認されました。
E s層（散発性E層）は、通常のE層よりも高い電子密度を特徴とし、最大100 MHzの電波の反射を支えることができます。散発性E現象は、数分から数時間続く場合があり、厚さは最大2 km、長さは数百 kmに達することがあります。低緯度の赤道地域では日中によく発生します。中緯度では夏季の日中に多く発生し、金属イオンを含む流星塵と関連している可能性があります。[ 30 ] [ 23 ]： 12、27-30
散在E波伝搬は、通常は到達不可能な長距離伝搬経路が双方向通信に「開かれる」ため、アマチュア無線家によるVHF運用を非常にエキサイティングなものにします。スキップ距離は通常約1,640 km (1,020 mi)です。1ホップ伝搬の距離は900～2,500 km (560～1,550 mi)です。3,500 km (2,200 mi )を超えるマルチホップ伝搬も一般的で、時には15,000 km (9,300 mi)以上の距離に達することもあります。
F層は、極端紫外線（UV、20～900 nm）による原子状酸素の電離のため、電子密度が数倍の10⁵ ～ 10⁶個/ cm³となる高度160 km（99 mi）から180 km（110 mi）のF1層を含む。F1層は、夜間または太陽活動極大期の冬季にF2層と融合する。F2層は200 km（120 mi）から800 km（500 mi）以上に及ぶ。日中の300 kmで電子密度がピークとなり、数倍の10⁶個/cm³となる。700 kmより上では、電離水素が電離酸素よりも優勢となる。[ 30 ] [ 23 ]： 14
1972年から1975年にかけて、NASAはF領域を研究するためにAEROSとAEROS B衛星を打ち上げた。 [ 34 ]
電離層モデルとは、位置、高度、年間日数、太陽黒点周期の位相、地磁気活動の関数として電離層を数学的に記述したものです。地球物理学的には、電離層プラズマの状態は、電子密度、電子温度とイオン温度、そして複数の種類のイオンが存在するためイオン組成という4つのパラメータで記述できます。電波伝搬は電子密度のみに依存します。
モデルは通常、コンピュータ プログラムとして表現されます。モデルは、イオンと電子が中性大気や太陽光と相互作用する基本的な物理に基づいている場合もあれば、多数の観測に基づく統計的記述、あるいは物理と観測の組み合わせである場合もあります。最も広く使用されているモデルの 1 つは、データに基づいて前述の 4 つのパラメータを指定する国際参照電離層(IRI) [ 35 ]です。IRI は、宇宙研究委員会(COSPAR) と国際無線科学連合(URSI) が後援する国際プロジェクトです。[ 36 ]主なデータ ソースは、世界中の電離層ゾンデネットワーク、強力な非干渉散乱レーダー (Jicamarca、Arecibo、Millstone Hill、Malvern、St Santin)、ISIS および Alouette 上部サウンダー、およびいくつかの衛星やロケットに搭載された現場観測機器です。IRI は毎年更新されます。 IRIは、全電子量（TEC）を記述するよりも、電離層底部から最大密度高度までの電子密度の変化を記述する方が正確です。1999年以来、このモデルは地球電離層の「国際標準」（規格TS16457）となっています。
イオノグラムを用いることで、計算によって各層の真の形状を推測することができる。電子／イオンプラズマの不均一な構造は、主に夜間や高緯度地域、および擾乱条件下で見られる粗いエコー像を生み出す。
中緯度地域では、予想通り、太陽光が地球に直接当たる夏季にF2層の日中のイオン生成量が増加します。しかし、中性大気の分子と原子の比率には季節的な変化があり、これが夏季のイオン損失率をさらに高めます。その結果、夏季の損失増加が夏季の生成増加を上回り、局所的な夏季にはF2層の総イオン化量が実際に減少します。この現象は冬季異常として知られています。この異常は北半球では常に存在しますが、南半球では太陽活動が低い時期には通常見られません。
磁気赤道の約±20度の範囲内に赤道異常があります。[ 37 ] [ 38 ]これは、赤道でF2層の電離度に谷が生じ、磁気緯度約17度でピークに達する現象です。[ 37 ]地球の磁力線は磁気赤道で水平です。太陽の加熱と下部電離層の潮汐振動により、プラズマが磁力線を横切って上昇します。これにより、E領域に電流のシートが形成され、水平磁場とともに電離がF層に押し上げられ、磁気赤道から±20度の範囲に集中します。この現象は赤道噴水として知られています。[ 39 ]
地球規模の太陽風は、地球の電離層のE領域（電離層ダイナモ領域）（高度100～130 km（60～80マイル） ）にいわゆるSq（太陽静穏）電流系をもたらします。この電流によって、電離層の赤道昼側で西から東（夜明けから夕暮れ）に向かう静電場が生じます。地磁気が水平な磁気傾斜赤道では、この電場によって磁気赤道から±3度以内の範囲で東向きの電流の流れが強まり、赤道ジェット電流として知られています。[ 39 ]
太陽活動が活発な時期には、強力な太陽フレアが発生し、地球の太陽光が当たる側に硬いX線が照射されることがあります。X線は電離層D層まで到達し、電子を放出します。この電子が放出された電子は吸収率を急速に増加させ、高周波（3～30MHz ）の電波障害を引き起こします。この電波障害は、強力なフレアの後、数時間続くことがあります。この間、非常に低い周波数（3～ 30kHz）の信号は、通常、大気密度の増加によって電波の吸収率が高まり減衰するE層ではなく、D層で反射されます。X線が止むとすぐに、電離層D層の電子が急速に再結合し、電波の伝搬がフレアの強度と周波数に応じて数分から数時間かけて徐々にフレア前の状態に戻るため、電離層突然擾乱（SID）または電波障害は徐々に減少します。
太陽フレアに伴って、高エネルギー陽子が放出されます。これらの粒子は、太陽フレア発生後15分から2時間以内に地球に到達する可能性があります。陽子は地球の磁力線に沿って螺旋状に落下し、磁極付近の大気圏に侵入して、D層とE層の電離度を高めます。PCA（陽子中心活動）は通常、約1時間から数日間続き、平均で約24時間から36時間です。コロナ質量放出によっても、極域のD領域吸収を増強する高エネルギー陽子が放出されることがあります。
地磁気嵐と電離層嵐は、地球の磁気圏と電離層における一時的かつ激しい擾乱である。
地磁気嵐の間、F₂層は不安定になり、断片化し、場合によっては完全に消滅することもあります。地球の北極圏と南極圏では、夜空にオーロラが観測されるでしょう。
雷は、2つの方法のいずれかでD領域の電離層擾乱を引き起こす可能性があります。1つ目は、磁気圏に放出される超低周波（VLF）電波によるものです。これらのいわゆる「ホイッスラー」モード波は、放射線帯の粒子と相互作用し、それらを電離層に降下させ、D領域の電離を増加させます。これらの擾乱は、「雷誘起電子降下」（LEP）現象と呼ばれます。
落雷時の電荷の大きな移動によって生じる直接的な加熱・電離によって、さらに電離が起こる場合もある。これらの現象は、初期/高速電離と呼ばれる。
1925年、CTRウィルソンは、雷雨による放電が雲から電離層へと上方に伝播するメカニズムを提唱した。ほぼ同時期に、英国スラウの無線研究所に勤務していたロバート・ワトソン＝ワットは、電離層の散在性E層（E s層）が雷によって増強されているように見えるが、さらなる研究が必要であると示唆した。2005年、英国オックスフォードシャーのラザフォード・アップルトン研究所に勤務していたC・デイビスとC・ジョンソンは、E s層が実際に雷活動によって増強されていることを実証した。彼らのその後の研究は、このプロセスが発生するメカニズムに焦点を当てている。
電離した大気ガスが高周波（HF、または短波）電波を屈折させる性質を持つため、電離層は空に向かって向けられた電波を地球に反射させることができます。空に向かって斜めに向けられた電波は、地平線の向こう側で地球に戻ってくることがあります。この技術は「スキップ伝搬」または「スカイウェーブ伝搬」と呼ばれ、1920年代から国際間または大陸間の通信に利用されてきました。戻ってきた電波は地球の表面で再び空に反射するため、複数回のホップでより長い距離を通信できます。この通信方法は、時間帯、季節、天候、11年周期の太陽黒点周期によって受信状況が変動し、信頼性に欠けます。20世紀前半には、大洋を越える電話や電信サービス、ビジネスや外交の通信に広く利用されていました。短波無線通信は信頼性が低いため、通信業界ではほとんど使われなくなっているが、衛星無線通信の利用可能性が不十分な高緯度地域での通信には依然として重要である。短波放送は、国境を越えて低コストで広範囲をカバーするのに役立つ。自動化されたサービスでは依然として短波無線周波数が使用されており、アマチュア無線家は個人的な娯楽のための交信や自然災害時の緊急通信の支援に使用している。軍隊は衛星を含む脆弱なインフラに依存しないように短波を使用しており、短波通信の低遅延はミリ秒が重要な株式トレーダーにとって魅力的である。[ 40 ]
電波が電離層に到達すると、電波の電場によって電離層内の電子が電波と同じ周波数で振動します。この共鳴振動によって、電波のエネルギーの一部が放出されます。振動する電子は、再結合によってエネルギーを失うか、元の電波エネルギーを再放射します。電離層の衝突周波数が電波の周波数よりも低く、かつ電離層の電子密度が十分に高い場合、全屈折が発生します。
電磁波が電離層をどのように伝搬するかについての定性的な理解は、幾何光学を思い出すことで得られる。電離層はプラズマであるため、屈折率が1未満であることが示される。したがって、電磁波は、屈折率が1より大きい場合のように法線に向かうのではなく、法線から離れる方向に曲がる。また、プラズマ、ひいては電離層の屈折率は周波数に依存することも示される（分散（光学）を参照） 。[ 41 ]
臨界周波数とは、電波が電離層に垂直入射した際に反射される限界周波数、またはそれ以下の周波数のことです。送信周波数が電離層のプラズマ周波数よりも高い場合、電子は十分に速く反応できず、信号を再放射することができません。臨界周波数は以下のように計算されます。
ここで、Nは1平方メートルあたりの電子密度であり、f臨界値はHz単位である。
最大使用可能周波数（MUF）とは、特定の時間に2点間での通信に使用できる周波数の上限値として定義される。
どこ=到来角、つまり波が水平面に対してなす角度であり、sin は正弦関数です。
カットオフ周波数とは、電波が電離層を通過するために必要な入射角において、その周波数より低い周波数では、電波が電離層からの屈折によって2点間を伝送することができなくなる周波数のことである。
電離層が全地球航法衛星システムに及ぼす影響を理解するために、いくつかのモデルが使用されています。現在、 GPSの電離層の影響を補正するためにクロブチャー モデルが使用されています。このモデルは、1974 年頃に米国空軍地球物理学研究所でジョン (ジャック) クロブチャーによって開発されました。[ 42 ] ガリレオ航法システムはNeQuick モデルを使用しています。[ 43 ]ガリレオは、実効電離レベルを計算するために 3 つの係数を送信し、その後、NeQuickモデルによって視線に沿った距離遅延を計算するために使用されます。[ 44 ]
電離層を利用する開放系電気力学的テザーが研究されている。この宇宙テザーは、プラズマ接触器と電離層を回路の一部として利用し、電磁誘導によって地球の磁場からエネルギーを抽出する。
科学者たちは、さまざまな方法を用いて電離層の構造を研究している。それらの方法には以下のようなものがある。
HAARP（高周波活性オーロラ研究プログラム）など、さまざまな実験では、高出力無線送信機を用いて電離層の特性を変化させます。これらの研究は、電離層プラズマの特性と挙動を研究することに重点を置いており、特に、民間および軍事目的の通信システムや監視システムを強化するために、プラズマを理解し活用することに重点を置いています。HAARPは1993年に20年間の実験として提案され、現在アラスカ州ガコナ近郊で稼働しています。
SuperDARNレーダープロジェクトは、8～20MHz帯の電波のコヒーレント後方散乱を利用して、高緯度および中緯度地域を研究する 。コヒーレント後方散乱は結晶におけるブラッグ散乱に類似しており、電離層の密度不規則性による散乱の建設的干渉を伴う。このプロジェクトには11カ国以上が参加し、両半球に複数のレーダーが設置されている。
科学者たちは、人工衛星や恒星からの電波が電離層を通過する際の変化を調べることで、電離層を研究している。プエルトリコにあるアレシボ望遠鏡は、もともと地球の電離層を研究するために建設された。
イオノグラムは、無線周波数反射の仮想高度を周波数に対してプロットしたものです。イオノゾンデは 、0.5～25 MHzの周波数範囲をパルスまたは連続波（FM）として送信します。受信信号には、伝搬時間、周波数、振幅、位相、偏波、ドップラーシフト、スペクトル形状が含まれます。測定値から、層の真の高度や視線速度も導き出すことができます。受信アンテナアレイは、電離層におけるあらゆる不規則性に関する情報を提供できます。[ 23 ]： 181～187
周波数が高くなるにつれて、各波は層内の電離による屈折が少なくなり、反射される前にさらに深く浸透します。最終的には、波が反射されずに層を浸透できる周波数に達します。通常モード波の場合、これは送信周波数が層のピークプラズマ周波数、すなわち臨界周波数をわずかに超えたときに発生します。処理規則については、William Roy PiggottとKarl Rawer編著の「URSI Handbook of Ionogram Interpretation and Reduction」 （Elsevier Amsterdam、1961 年）に記載されています（中国語、フランス語、日本語、ロシア語への翻訳版も入手可能です）。
非干渉散乱レーダーは、臨界周波数より上で動作します。そのため、この技術は、電離層ゾンデとは異なり、電子密度ピークより上でも電離層を調査することができます。送信信号を散乱する電子密度の熱変動にはコヒーレンスがないため、この技術はその名が付けられました。そのパワースペクトルには、密度だけでなく、イオンと電子の温度、イオン質量、ドリフト速度に関する情報も含まれています。非干渉散乱レーダーは、電離層ダイナモ領域全体にわたるイオンと中性粒子の衝突頻度について仮定を置くことで、大気潮汐などの中性大気の動きも測定できます。[ 45 ]
電波掩蔽は、 GNSS信号が地球に接線方向に伝わり、大気圏を通過して低軌道（LEO）衛星で受信されるリモートセンシング技術です。信号は大気圏を通過する際に屈折、湾曲、遅延します。LEO衛星は、GNSS衛星が地球の背後に昇ったり沈んだりする様子を観測しながら、このような信号経路における全電子量と屈折角を多数サンプリングします。逆アベル変換を用いることで、地球上のその接点における屈折率の半径方向プロファイルを再構築することができます。
Nequickなどの電離層の経験的モデルでは、電離層の状態を間接的に示す指標として、以下の指標が使用されます。
F10.7とR12は、電離層モデリングで一般的に使用される2つの指標です。どちらも、複数の太陽活動周期にわたる長期の履歴データを持つため、非常に有用です。F10.7は、地上電波望遠鏡 を用いて測定した、周波数2800MHzにおける太陽電波放射の強度です。R12は、1日あたりの太陽黒点数の12ヶ月平均値です。これら2つの指標は、互いに相関関係にあることが示されています。
しかし、これらの指標はいずれも、地球上層大気の電離を引き起こす主な原因である太陽からの紫外線およびX線放射の間接的な指標にすぎません。現在では、GOES衛星から得られたデータによって、太陽からの背景X線フラックスが測定されており、これは電離層の電離レベルにより密接に関連するパラメータです。
太陽系内でかなりの大気を持つ天体（つまり、すべての主要惑星と多くの大型自然衛星）は、一般的に電離層を生成します。[ 46 ]電離層を持つことが知られている惑星には、金星、火星、[ 47 ]木星、土星、天王星、海王星などがあります。
タイタンの大気には、高度約880～1,300 km（550～810マイル）に及ぶ電離層があり、炭素化合物が含まれています。 [ 48 ]イオ、エウロパ、ガニメデ、トリトン、冥王星でも電離層が観測されています。
{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク) 229ページを参照。