電離層 - Amateur Radio Wiki

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アマチュア無線をより深く理解するためのwiki

電離層 †

電離層（でんりそう）とは、地球を取り巻く大気の上層部にある分子や原子が、太陽光線やエックス線などの宇宙線により電離した領域である。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。

電離層の位置 †

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。

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。

スポラディックE層 †

上空約100km付近に「スポラディックE層（Es層）」（略称・Eスポ）と呼ばれる電子密度の非常に大きな電離層が突発的に発生することがある。 Eスポ発生時には、短波帯周波数だけではなく、通常、電離層を通り抜ける VHF帯の一部（30-150MHz）の電波も反射されるようになる。日本では中国など周辺諸国のテレビやFMラジオ電波が強く届くため、テレビの1-3チャンネルやFMラジオ放送（76MHz～108MHz）に混信による画像や音声の乱れが生じる。 VHF帯（30MHz～300MHz）の電波は、上限周波数約150MHzとして、 Eスポによる反射の影響を受けるが、短波帯の7MHz～30MHzでも、当然のことながら、 Eスポによる電波の反射が起こっていることが確認できる。 Eスポによる伝播距離は約200～1500キロであり、最適伝播距離は約1500Kmである。 200Km～300Km前後の比較的近距離のEスポ伝播は、その発生確率が低い。スポラディックE層発生の極大時期は、昼間流星群の極大期である６月から７月中旬に一致する傾向が見られる。 Eスポは、電離の弱いものを含めると通年して毎日発生しているが、極度に電離状態の発達したものは、5月上旬から8月中旬にその発生が集中する傾向がある。発生のメカニズムとしては、ウィンドシアー理論が最も有力視されている。ウィンドシアー理論は、高層大気の風の流れで電離物質（イオン）が集積し Eスポ雲を生成する過程を説明するものである。しかしながら、ウィンドシアー理論によると、現在のスポラディックE層の発生頻度は更に高まるはずであるが、そうはなっていない。すなわち、高層大気の風による集積箇所に必ずEスポ雲は発生していないことを意味する。