自从奥利弗 · 洛奇（Oliver Lodge）第一次给出为什么马可尼（Marconi）能够在弯曲的地球表面发送电磁波的物理解释以来我们已经前进了100年。根据对电子和电离的新的认识，洛奇认识到太阳的紫外辐射会产生能够反射电磁波的导电层。我们称之为电离层。一个由罗伯特 · 沃森瓦特（Robert Watson-Watt）在1926年杜撰的词，用来取代它以前的名字——海维赛德层（Heaviside，以物理学家奥利弗 · 海维赛德命名）。在近代术语中，电离层是嵌在热成层中的弱电离的等离子体或是电子-离子气体，是一个位于地球80公里上方的热的、稀薄的区域，最多占大气质量的百万分之几。我们正在步入一个可以把热成层和电离层的模型与低大气层模型联系在一起的阶段。

利用电离层通讯已经有一个世纪了，但是它绝不是“天空中一块不动的镜子”。尽管受太阳影响的E层（距地表100~120公里）和F1层（170~200公里）通常表现出规律性，但F2层（250~350公里）却无规律可言。在F2层具有密度最高的自由电子，潜在地成为最有效的电磁波的反射镜。但是它在高度和密度上的变化和奇特的白天黑夜周期变动，以及它对地磁扰动的复杂响应长时间令科学家迷惑不解，使无线电通讯使用者怒不可遏。这个问题之所以重要是因为电离层仍旧广泛地应用于无线电通讯，此外电离层对通过它的卫星数据传送有严重的影响，例如会在全球定位系统中产生错误。电离层的扰动会在E层产生很强的电流，这将扰乱电缆通讯破坏陆地上的电力系统。

火箭、卫星和雷达能够帮助我们建立上层大气的整体图像。作为“示踪物”的电离层等离子体要比中性的原子、分子容易探测得多。电离层测量法起到了“识别”占绝对优势的中性大气的组成、温度和动态特性的作用。

类似于低大气层，热成层是全球范围被太阳辐射所驱动的热力发动机。热成层发动机是由短波的紫外辐射和x光辐射驱动，它们把空气加热、离解和电离；而低大气层发动机是由红外和可见辐射所驱动的。热成层发动机同时还被注入的粒子流也就是通常所说的太阳风的能量所驱动，太阳风能够控制改变地球的磁性外壳——磁性层，并且会把热沉积包围在地球磁极的极光带中。

我们利用计算“全球循环模型”建立了这个“发动机”工作方式的模型。为了建立这些模型，电子和多种类型的离子、中性粒子的质量、动量、能量守恒定律被表述为方程的形式，而且每分钟都要在经度、纬度以及高度所围成的网格中求解，得到的结果可以被多种测：量方式验证，简直棒极了。就像低大气层的气象学副本，这些模型对于描述、解释和最终预测这个复杂系统的行为是必不可少的。

在F2层中的离子大部分是原子氧（0+），在该层中原子氧和电子的结合物与中性分子发生反应。基于这个原因，离子和电子的浓度依赖于热成层中的原子与分子的比率。这个主要受太阳辐射控制的比率季节性地被全球环流的水平和竖直方向的风所改变。这幅图片显示了在热成层中夏天到冬天的气流，同时也显示了被极光热所驱动的气流（图中较低高度的和通过夜间的那部分返回气流没有画出）。当极光区变得更为活跃并且朝低纬度运动时会产生地磁扰动——地磁扰动过程中会导致环流扭曲形变。

这些概念能够帮助我们解除长期存在的困扰，例如，为什么F2层的电子密度在冬天的欧洲、南美洲和澳大利亚的上空达到峰值，而在春分或秋分在低纬度和南大西洋达到最大。另一个棘手的问题是为什么电子的密度在地磁暴过程中通常会急剧地下降（但有时会上升）。研究这些问题能够帮助我们验证模型的正确性，还会使我们理解无线电波传播的难以预测性。

并不是所有的电离层变化都归咎于太阳或地磁扰动。有些可能源于地表，由波浪和潮汐向_上传递给电离层。因此低大气层“气候”也会影响电离层，反之亦然。我们所建立的包括了热成层和低大气层的耦合循环模型还考虑到了辐射、风和波浪所携带的能量和动量的交换。

最终的奖励是一个完全彻底的、有预见性的地球大气模型，将我们对太阳-地球关系和磁气圈的迅速地、不断深入地认识紧密联系在一起。在以天、小时甚至分计量的时间尺度内运用该模型能够帮助我们更好地预报影响太空船和通讯的“空间气象”。在年和十年的时间尺度内，这个模型可以使我们更好地理解太阳和上层大气对气候和全球变化的影响。还有——些细节问题，例如为什么热带风暴、火山活动或地震会对电离层产生影响，这些影响又是如何产生的？所有这些听起来好像是幻想，但是洛奇——他那个时代的幻想家，一定会对这个模型感到满意的。

[Nature，2002年7月4日]