電離層と熱圏内
さてこの成分はどのようにできているんでしょうか。
勉強しなおしたいと思います。
熱圏に存在する窒素や酸素などの原子や分子は、太陽光線などの宇宙線を吸収する。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。大気に入った宇宙線は、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。
電離層は熱圏内（高度約80km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（80km)、E層（100-120km)、F1層（170-230km）、F2層（200-500km）の4つに分けられる。 上の層に行くほど宇宙線は強く、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。夜間は太陽からの宇宙線が届かないため、電子密度は昼間よりも小さくなる。最下層のD層は、夜間には太陽からの宇宙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F1層とF2層も夜間には合併して一つのF層（300-500km）となる。このことから、昼間と夜間では電波の伝搬状態が変化する。また11年周期の太陽黒点の増減によっても大きく変化する。このことをサイクルといい、1989年頃の太陽黒点の極大期をサイクル22、2000年頃をサイクル23、2011年頃をサイクル24…という。なお、観測が開始された初の極大期・サイクル1は、ダルトン極小期の終わった1829年である。
電離層による電波の伝わり方
周波数による違い
長波は、昼はD層で反射して、D層が消滅する夜はE層で反射される（中波に似る）。
中波は、昼はD層で減衰されてしまうため、数十キロ程度に留まるが、D層が消滅する夜は主にE層で反射され、数百から1000キロ以上の遠くまで届くようになる。
短波は、常にD層を通り抜けE・F層で反射されるが，昼と夜では電離層の状態が異なるので伝わり方が変わる。（昼は高い周波数が、夜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。
引用『ウィキペディア（Wikipedia）』
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