Ионосферой называют область земной атмосферы, расположенную примерно на высоте от 60 до 20 000 км. Она представляет собой ионизированные слои атмосферы. Ионизация атомов и молекул воздуха происходит в основном под действием ультрафиолетового и корпускулярного излучений Солнца.
Существуют также и другие источники ионизации верхних слоев атмосферы, например метеоры, падающие на Землю в большом количестве; они пронизывают плотные слои атмосферы и сгорают в ней, вызывая ионизацию окружающей атмосферы.
Одновременно с процессом ионизации происходит противоположный процесс — деионизации или рекомбинации. В совокупности эти два процесса являются причиной непрерывных изменений в ионосфере.
Ионизация зависит от многих геофизических процессов. К ним в первую очередь необходимо отнести явления, связанные с солнечной деятельностью. Солнечное воздействие на Землю не остается постоянным. Оно изменяется по очень сложным законам. Например, с периодичностью в 11 лет изменяется число солнечных пятен, представляющих собой глубокие воронки на поверхности Солнца с вихревым движением материи, которые возникают в результате бурной деятельности Солнца. Кроме того, на Солнце время от времени возникают кратковременные вспышки, сопровождающиеся усилением всех видов радиаций, излучаемых Солнцем. С солнечной деятельностью тесно связаны изменения магнитного поля Земли, полярные сияния и космические лучи.
Таким образом, ионосфера находится в непрерывных изменениях, связанных с деятельностью Солнца. Эти изменения находятся во взаимосвязи также и с другими геофизическими явлениями. Поэтому процессы, происходящие в ионосфере, должны изучаться в связи с изучением солнечной деятельности и геофизических явлений.
Основное свойство ионосферы заключается в ее способности отражать и рассеивать радиоволны. Это свойство используется для распространения радиоволн на большие расстояния. Благодаря отражению радиоволн от ионосферы происходит распространение коротких радиоволн на несколько тысяч километров. В последние годы благодаря открытию советского ученого Н. И. Кабанова ионосфера используется для радиолокации на сверхдальние расстояния.
Свойство ионосферы рассеивать падающие на нее радиоволны используется для передачи метровых радиоволн на расстояния от 1 000 до 2 000 км без промежуточных ретрансляционных станций. На использовании этого свойства работают линии ионосферного рассеивания для передачи радиотелеграфных и радиотелефонных сообщений.
Распространение коротких радиоволн происходит благодаря отражению от области F2 ионосферы, расположенной примерно на высоте 300 км. Ниже ее находятся области Е и D. В процессе распространения радиоволны дважды пронизывают области Е и D. При этом волна испытывает некоторое поглощение.
При сильных солнечных вспышках происходит резкое увеличение ионизации нижних слоев ионосферы; оно сопровождается поглощением радиоволн, которое бывает настолько сильным, что радиосвязь на коротких волнах на больших расстояниях полностью прекращается. Эта особенность представляет собой значительный недостаток линии коротковолновой радиосвязи, особенно в полярных районах, где часто наблюдаются ионосферные поглощения.
Для борьбы с поглощением в ионосфере стремятся работать на более высоких частотах, так как они менее подвержены поглощению.
Однако беспредельно увеличивать частоту невозможно. Для каждого состояния ионосферы существует максимальная частота, выше которой радиоволны уже не могут отражаться ионосферой и будут ее пронизывать. Таким образом, для хорошей работы коротковолновой линии радиосвязи необходимо удовлетворять двум противоречивым требованиям: с одной стороны, стремиться работать на более высокой частоте, с другой стороны — нельзя превосходить максимальную частоту для данного состояния ионосферы.
Бесперебойную работу линий радиосвязи обеспечивает служба прогнозов состояния ионосферы. Прогнозирование состояния ионосферы, а в связи с этим и выбор рабочих частот на линиях радиосвязи осуществляются на основании непрерывных наблюдений за ионосферой и знаний основных законов о процессах, происходящих в ней.
За состоянием ионосферы непрерывно наблюдают при помощи автоматических ионосферных станций, которые обычно входят в комплекс магнитно-ионосферных обсерваторий. Около 20 ионосферных станций, расположенных в разных частях Советского Союза, ведут наблюдения за состоянием ионосферы. Ионосферная служба ведет оперативный контроль за состоянием ионосферы и позволяет прогнозировать условия распространения коротких волн.
На ионосферных станциях непрерывно наблюдают за высотой отражающих ионосферных слоев и так называемой критической частотой каждого слоя.
Ионосферные станции — не единственное средство исследования ионосферы. Ионосферу изучают также на станциях возвратно-наклонного зондирования, работа которых основана на использовании эффекта Кабанова. Разработаны и находятся в действии на многих ионосферных станциях установки для измерения поглощения в ионосфере. Для изучения тонкой структуры ионосферы используют станции для исследования ионосферных неоднородностей.
Перечисленная аппаратура представляет собой сложные радиотехнические устройства. С ее помощью исследуют разнообразные процессы, происходящие в ионосфере.
Особую роль в исследовании ионосферы сыграл Международный геофизический год, который проводился в течение 1957—1958 гг. Для этой цели многие магнитно-ионосферные обсерватории были оснащены современными ионосферными станциями, аппаратурой для изучения поглощения и неоднородностей в ионосфере. Наблюдения на станциях проводились по единой программе и в согласованное время.
В последние годы для изучения ионосферы стали применять мощные геофизические ракеты и искусственные спутники Земли, Это открыло новые перспективы в исследованиях ионосферы. Стало возможным проводить непосредственные измерения в ионосфере. Уже первые запуски геофизических ракет, искусственных спутников Земли и космических кораблей позволили сделать ряд важных открытий. Например, было обнаружено, что ионосфера простирается до высоты 20 000 км. Было экспериментально установлено, что в ионосфере отсутствуют большие провалы ионизации между слоями, как это представляли раньше. В действительности по мере увеличения высоты примерно до 300 км концентрация электронов плавно увеличивается от слоя к слою и имеет своеобразный ступенчатый вид. Нет сомнения, что дальнейшее развитие техники, и в том числе ракетной, позволит еще больше углубить исследования ионосферы, шире овладеть закономерностями процессов, происходящих в ней, и поставить их на службу человеку.