從離地面約50公裡開始一直伸展到約1000公裡高度的地球高層大氣空域，其中存在相當多的自由電子和離子，能使無線電波改變傳播速度，發生折射、反射和散射，產生極化面的旋轉並受到不同程度的吸收。
大氣的電離主要是太陽輻射中紫外線和 X射線所致。此外，太陽高能帶電粒子和銀河宇宙射線也起相當重要的作用。太陽輻射使部分中性分子和原子電離為自由電子和正離子，它在大氣中穿透越深，強度（產生電離的能力）越趨減弱，而大氣密度逐漸增加，於是，，在某一高度上出現電離的極大值。大氣不同成分，如分子氧、原子氧和分子氮等，在空間的分佈是不均勻的。它們為不同波段的輻射所電離，形成各自的極值區，從而導致電離層的層狀結構。在電離作用產生自由電子的同時，電子和正離子之間碰撞復合，以及電子附著在中性分子和原子上，會引起自由電子的消失。大氣各風系的運動、極化電場的存在、外來帶電粒子不時入侵，以及氣體本身的擴散等因素，引起自由電子的遷移。電離層內任一點上的電子密度，決定於上述自由電子的產生、消失和遷移三種效應。在不同區域，三者的相對作用和各自的具體作用方式也大有差異。
在55公裡高度以下的區域中，大氣相對稠密，碰撞頻繁，自由電子消失很快，氣體保持不導電性質。在電離層頂部，大氣異常稀薄，電離的遷移運動主要受地球磁場的控制，稱為磁層。
電離層的主要特性，由電子密度、電子溫度、碰撞頻率、離子密度、離子溫度和離子成分等基本參數來表示。
研究概況 1902年，O.亥維賽和A.E.肯內利為瞭解釋無線電信號跨越大西洋傳播這一實驗事實，提出瞭高空存在能反射無線電波的“導電層”的假設，當時稱為肯內利-亥維賽層。1925年，E.V.阿普頓和 M.A.F.巴尼特用地波和天波幹涉法最先證明瞭電離層的存在。次年，G.佈賴特和M.A.圖夫用一部雛型雷達測量瞭無線電脈沖從電離層垂直反射的時間，驗證瞭上述結論。隨著對電離層及其對電波傳播影響的深入瞭解，30年代初，S.查普曼提出電離層形成的簡單理論（查普曼層理論）。阿普頓和D.R.哈特裡提出電磁波在電離層中傳播的色散公式（阿普頓－哈特裡公式）為解決預報天波傳播最佳頻率等應用問題奠定瞭理論基礎。
電離層形態 電離層中電子密度等基本參量的空間結構（高度和經緯度分佈）及其隨時間（晝夜、季節和太陽活動周期）變化的情況。電離層可從低到高依次分為D層、E層和F層等，其中F層還可分為F1層和F2層。E層和F1層中，電子遷移作用較小，具有查普曼層的主要特性。層的臨界頻率f0（其平方正比於峰值電子密度）與太陽天頂角 x近似地滿足由簡單層理論所導出的關系式f0=acosbx(兆赫)，式中ɑ和b為常數。這個關系式反映瞭電離層電子密度隨時間和地區變化的基本趨勢。在較高的F2層，電離輸運起著重要作用；在地球磁極，存在著外來帶電粒子的轟擊，形態更為復雜。
圖1為電離層電子密度的典型高度分佈。D層和F1層的峰形一般並不很凸出。
D層 離地面約50～90公裡。白天，峰值密度NmD和相應高度hmD的典型值分別為103厘米-3和85公裡左右。無線電波中的短波在該層受到較大的吸收。太陽活動最高年的吸收幾乎是最低年的兩倍。一年之中，NmD的夏季值大於冬季值，但在中緯地區，冬季有時會出現異常吸收。夜間，電離基本消失。
E層 離地面約90～130公裡。白天，峰值密度NmE及其相應高度 hmE的典型值分別為103厘米-3和115公裡。NmE的晝夜、季節和太陽活動周期三種變化，大致符合簡單層理論公式，分別於中午、夏季和活動高年達到最大值；這時，公式中常量ɑ≈0.9(180+1.44R)b，b≈0.25，R為12個月內太陽黑子數流動平均值。夜間，NmE下降，hmE上升；NmE≈5×103厘米-3，hmE的變化幅度一般不超過20公裡。
F層 離地面約130公裡以上，可再分為F1和F2層。
① F1層（離地面約130～210公裡）：白天，峰值密度NmF1及其相應高度hmF1的典型值分別為2×103厘米-3和180公裡。F1層峰形夜間消失，中緯度F1層隻出現於夏季，在太陽活動高年和電離層暴時，F1層變得明顯。NmF1和hmF1的變化與E層類似，大致符合簡單層的理論公式，這時ɑ≈4.3+0.01R，b≈0.2。
② F2層（離地面約210公裡以上）:反射無線電信號或影響無線電波傳播條件的主要區域，其上邊界與磁層相接。白天，峰值密度NmF2及其相應高度hmF2的典型值分別為106厘米-3；夜間，NmF2一般仍達5×104厘米-3。在任何季節，NmF2的正午值都與太陽活動性正相關。hmF2與太陽活動性一般也有正相關關系，除赤道地區外，夜間值高於白天值。在F2層，地球磁場大氣各風系、擴散和其他動力學因素起著重要的作用，其形態變化不能用查普曼的簡單層理論來描述，於是F2層比起 E層和F1層便有種種“異常”。所謂日變化異常是指F2層電子密度的最大值不是出現在正午(通常是在本地時間13時至15時)，同時NmF2還具有半日變化分量，其最大值分別在本地時間上午10～11時和下午22～23時。季節異常是指F2層正午的電子密度在冬季要比夏季高。赤道異常是指F2層電子密度並不在赤道上空最大，它明顯地受地磁場控制，其地理變化呈“雙峰”現象，在磁緯±20度附近達到最大值。在高緯度地區，可觀測到許多與帶電粒子沉降有關的異常現象。其中，最為重要的是F層“槽”，這是地球背陽面上從極光圈開始朝向低緯寬約5～10度的低電子密度的帶區。
峰上固定高度的電子密度和電離層電子總含量的時間變化，與NmF2有類似之處。圖2為電離層各層的峰值密度Nm和相應高度hm 在中緯度地區的平均晝夜變化。
除上述各均勻厚層外，電離層還存在著兩種較常見的不均勻結構：Es層即偶發E層（見Es層電波傳播）和擴展F層（見電離層不均勻體）。
電離層模式 電離層諸參量隨高度變化的數學描述。這種變化與地理位置、季節、地方時，以及太陽和地磁活動性有關。復雜的電離層形態給實際應用帶來極大困難，因此，人們在大量實測數據的基礎上，用較簡單的數學模式描述電離層形態和結構，以便在無線電通信和宇宙航行等工程設計中應用。研究最多的是對無線電波傳播有直接影響的電子密度模式。
①查普曼模式
②線性模式
③拋物模式
④拋物平方模式：
⑤雙曲正割平方模式
⑥指數模式
式中N(h)為離地面高度h處的電子密度；h0為起算高度；α為常數；ɑ為層的半厚度。
這些模式隻能描述電離層電子密度剖面的某一部分。為瞭完整地描述剖面，須在不同部分采用不同的數學表達式。
對F層峰值以下的電子密度剖面，可按照不同的實際應用，采用不同的組合模式。國際無線電咨詢委員會推薦用於短波場強計算的佈雷德利－杜德奈模式，是拋物模式 (F2層)-線性模式（F1層）-拋物模式（E層）的組合模式。模式參數可以從電離層觀測站所得到的特性參數推算出來。一般情況下，所得的電子密度分佈與實際分佈的高度差別小於20公裡。其他的模式還有：餘弦模式（F2層）-正割模式（E-F層）-拋物模式（E層）的組合模式，可用於精度要求較高的射線追蹤計算；拋物模式（F2）層與多項式組合模式，便於從電離層垂測儀的頻率-高度圖計算F2層的峰值高度、峰處標高和等效峰下平板厚度。
包括F層峰值區域在內的電子密度剖面中，較典型的有本特模式和賓夕法尼亞州1號電離層模式。本特模式的高度范圍約從150公裡到2000公裡。峰值高度以下為拋物平方模式，峰值高度以上為拋物模式；更高的高度上為三個相接的指數模式。本特模式忽略剖面（特別是F 部區域）的細節，著眼於精確地表達電離層電子含量。它適用於計算無線電波由於折射所造成的時延和方向的變化。賓夕法尼亞州1號電離層模式（120～1250公裡）是在一個經驗所得的高度范圍內，模擬電離層的物理化學過程，通過調節電離反應速度和垂直電子流計算電子密度。這一模式主要用於研究輸運過程和風的衰減等理論問題。
國際無線電科學聯合會和美國空間研究委員會根據電離層的實測資料編制成《國際參考電離層》，它是一套專門的計算機程序，輸入數據為地理經度和緯度、月份、本地時間、太陽黑子數。輸出數據為電離層諸參量的垂直分佈。圖3為輸出剖面示例。
由於來自外空，太陽和地球大氣本身的各種擾動源的激發，電離層還會產生相應的擾動變化和不規則結構，表現各種不同的形態（見電離層擾動、電離層不均勻體、電離層調變）。
參考書目
趙九章等：《高空大氣物理學》（上冊），科學出版社，北京，1965。
W.H. Rishbeth and O.K. Garriot，Introduction to Ionospheric Physics， Academic Press，New York，London，1969.