自然的奧妙 電磁學 不需要先備知識 閱讀約 8 分鐘

為什麼到了晚上,就能聽到遠方的AM廣播電台?
― 太陽下山後,原本吸收電波的那層空氣就消失了

白天完全收不到的遠方電台,到了晚上突然聽得到了。把無線電當興趣或工作的人,憑經驗都知道「夜晚電波傳得比較遠」。不是電波變了,變的是我們頭頂上約80公里處的那片天空。

發布:2026.11.01 難度:★☆☆(不需要先備知識) 算式只出現在最後的摺疊區
先來想像這樣的場景

夜裡開車時一直開著AM廣播,有時正在聽的節目,會隱隱約約疊上聽不懂的外語廣播。

把頻率稍微轉一轉,連相隔幾百公里的外地電台,甚至海外的廣播都收得到。白天做同樣的事,卻只聽到雜音。

玩業餘無線電的人,或是長年在船上操作無線電的人,都用身體記住了一種分工:「夜晚用低頻率、白天用高頻率,去尋找遠方的訊號」。

原因只有兩個

1
天空中有一片會把電波反彈回來的「天花板」

高約100公里的高空,有一層被太陽光照得帶電的稀薄空氣。廣播的電波碰到這一層,會像鏡子一樣被反彈,降落到地平線的另一邊。

2
白天,在它前面還有一層會吸收電波的空氣

只有白天,在天花板稍微下方(高60〜90公里)會出現一層吸收電波的空氣。太陽下山後,這一層就消失,電波便能一路傳到天花板。

也就是說,晚上能聽到遠方電台,是因為「反彈電波的天花板」本來就在,而夜晚只是拿掉了「吸收電波的地板」。接下來依序來看。

電波在天空的「天花板」被反彈,傳到遠方

廣播電波和光是同類,基本上走直線。地球是圓的,直線前進的電波通常傳不到地平線的另一邊。

不過在高空,太陽的紫外線和X光會把空氣分子裡的電子打出來。這一層漂著許多能自由移動的電子,稱為電離層(電離層是被太陽光電離的高空大氣層)。

當頻率低於某個程度的電波斜著進入電子很多的這一層,就會一點一點被彎折,最後折返向下。AM廣播的電波(頻率約0.5〜1.6百萬赫茲)正是容易被折返的電波。

請看圖1的右側。夜晚,從發射台斜向上射出的電波,在約100公里高的那層被反彈,降落在幾百公里之外。這稱為「天波」。條件good的時候,電波還會在地面與天花板之間反彈很多次,傳得更遠。

白天 反彈層(高約100km) 吸收層(高60〜90km) 只在白天出現 發射台 × 在此被吸收 變弱,傳不到 地波 只能傳到附近 夜晚 反彈層(夜晚仍在) 吸收層 已消失(虛線) 發射台 被反彈後 降到遠方 數百km外
圖1:左邊是白天,右邊是夜晚。白天,斜向上射出的電波(實線箭頭)在紅色帶狀的「吸收層」變弱消失(×記號)。沿著地面的波(虛線)只能傳到附近。夜晚吸收層消失(右邊的虛線框),電波在上方的藍色帶狀層被反彈,降落在遠處的地面。高度比例經過誇大。

只在白天出現的「吸收層」,讓遠方的電台消失了

電離層不是一整塊板子,而是依高度分成好幾層。最低的一層(高60〜90公里),所在之處空氣還很濃。

空氣濃的地方,被電波搖動的電子會立刻撞上周圍的空氣分子。每撞一次,電波的能量就變成熱而流失。所以這一層還沒來得及反彈電波,就先把電波吸收掉了。

這個低層只有在太陽光持續把電子打出來的時候才能維持。太陽下山後,電子很快又和周圍的分子結合,這一層幾乎消失。上方的反彈層空氣稀薄,電子能留到夜晚。

於是只有在夜晚,AM電波才能穿過吸收層,在上一層被反彈。白天聽不到遠方電台,並不是電波沒到,而是在半路被吸收掉了。

頻率越低的電波,被吸收得越多。頻率較高的短波,白天也能穿過這一層,在更上方的層被反彈。無線電愛好者「白天用高頻率、夜晚用低頻率」的分工,和這個原理完全吻合。

💡 無線電愛好者鎖定的「黎明與黃昏地帶」

想與遠方通訊的無線電愛好者都知道,沿著地球上白天與黑夜交界(黎明或黃昏的那條線)的方向,通訊常常特別順暢。一般的解釋是:交界附近的吸收層快要消失了,但反彈層仍然很濃。

夜晚的電波,能傳多遠?

電波只反彈一次所能到達的距離,由反彈的高度和地球的弧度決定。貼著地平線射出的電波,如果在約100公里高處折返,算起來最遠可以降落在約2200公里外(計算過程在最後的摺疊區)。

請用圖2的滑桿改變反彈的高度。在越高的層反彈,傳得越遠。實際上貼著地平線的電波很弱,所以AM廣播在夜晚通常能傳到的範圍,據說是數百公里到1000多公里。即使如此,和白天相比也是天差地別。

單次反彈所達距離(以從東京發射為例) 反彈高度 100 km 所達距離 約2258 km (高度大幅誇張) 東京 大阪 札幌 首爾 上海 台北 馬尼拉 0 1000 2000 3000 4000 km
移動滑桿,電波降落的位置就會改變
圖2:從左端東京射出的電波(實線),在虛線的高度被反彈,降落到右側地面所經過的距離。下方刻度是與東京的大約距離。把滑桿的高度從100公里調高到300公里,所達距離會從約2300公里增加到約3900公里。一般認為,夜晚的AM廣播在100公里左右的層反彈,白天的短波則在200〜300公里左右的層反彈。

總結

高空中有一層由太陽光形成、能反彈電波的空氣層。白天在它前面會出現一層吸收電波的空氣層,所以AM廣播的電波傳不遠。太陽下山後吸收層消失,電波就在上方的層被反彈,降落在幾百公里之外。

夜晚的廣播能傳得遠,不是因為電波變強了。
而是白天吸收電波的那層空氣,隨著日落消失了。

這片「高空的帶電層」,也會被太陽的大爆發擾亂。歡迎一併閱讀太陽的大爆發,會讓地球停電嗎?。至於夜晚能聽到遠方聲音的原因,則和電波是完全不同的原理。和為什麼夜晚能把遠方的聲音聽得更清楚?對照著讀,差別就很清楚了。

🧪 用一台收音機,聽聽高空層的更替
  1. 用AM收音機(不是手機App,而是真正接收電波的收音機),在白天找出幾個什麼都聽不到的頻率,並記下來。
  2. 太陽下山1〜2小時後,調到同樣的頻率。確認看看是否聽得到遠方的地方電台或外國廣播。
  3. 如果還有餘力,黎明前後再聽一次。隨著天空變亮,可以聽到遠方電台一下子消失的情形。

鋼筋建築物裡電波會變弱,建議在窗邊嘗試。收聽效果也會隨季節和太陽活動而改變。

想知道更多的人 ― 名詞・算式・與課本的連結明確標示從國中理化到大學專業科目,每一段屬於哪個程度
接下來出現的標籤怎麼看
  • 國中國中理化會學到的範圍
  • 高中高中「物理」「地球科學」會學到的範圍
  • 高中+高中的進階內容,或課本專欄裡的內容
  • 大學高中不會學到、大學專業科目(無線電工程、高層大氣物理學)的內容
  • 研究連大學也不當作「定論」來教、目前研究者還在探究的問題

國中名詞:這個現象是有名字的

國中高中用算式確認:單次反彈,最遠能傳多遠?

貼著地平線射出的電波,在高度 h 的層折返時,求它在地面上前進的最大距離。設地球半徑為 R。

⓪ 基本算式
用符號寫d = 2 × √( 2 × R × h )
用文字寫所達距離 = 2 ×(2 × 地球半徑 × 反彈高度)的平方根
這個式子從哪來從高度 h 看出去到地平線的距離(用畢氏定理,當 h 遠小於 R 時為 √(2Rh)),把上去和下來兩段加起來
符號意義與單位
d單次反彈所達的地面最大距離(km)
R地球半徑(km)
h電波反彈的高度(km)
① 基本數值
地球半徑 R約6370 km
夜晚AM廣播的反彈高度(E層)約100 km
白天短波的反彈高度(F層)的例子約300 km
② 實際計算
2 × R2 × 6370 = 12740
再乘以 h(100km)12740 × 100 = 1274000
1274000 的平方根(到地平線的距離)約 1129 km
上去和下來兩段1129 × 2 = 2258
比較:h 為 300km 時12740 × 300 = 3822000
3822000 的平方根約 1955 km
上去和下來兩段1955 × 2 = 3910

夜晚的AM廣播,單次反彈最遠約可傳2300公里,算起來可以越過從東京到台北(約2100公里)的距離。這是貼著地平線射出時的上限,實際上能穩定收聽的距離要近得多。

高中高中+為什麼電子層會讓電波彎折

高中電波是電場與磁場振動傳遞出去的電磁波。折射是因為波在不同介質中前進的速度(準確來說是相位前進的速度)不同而產生的。在電子很多的層裡,電波的折射率會小於1,斜著進入的電波就會逐漸向下彎。

高中+朝正上方射出的電波能被反彈的頻率上限稱為臨界頻率,它與電子數密度的平方根成正比(電子密度變成4倍,臨界頻率變成2倍)。斜著進入的電波,即使頻率比這個值高也能被反彈。把這個上限整理成實用數值,就是無線電領域所用的最高可用頻率。

大學D層的吸收,與電漿中的電波

電波在電離層中的傳播方式,可以用電漿中電磁波的阿普爾頓-哈特里公式(磁離子理論)來描述。若把電子與中性分子碰撞的頻率(碰撞頻率)算進去,折射率就會出現虛部,這就是D層的吸收。吸收的大小大致與頻率的平方成反比,這也是中波在白天被強烈吸收的原因。一般認為,形成D層的主要因素,是太陽的氫萊曼α線使一氧化氮電離,以及X光造成的電離。

📖 公式推導與更進一步的內容:維基百科「電離層」(日文) / 情報通信研究機構 太空天氣預報「電離圈」(日文)

研究還沒有完全弄清楚的事

也就是說,這篇文章的內容,也只是「就目前所知範圍內的說明」。電離層是一個同時被太陽和地面擾動著的、活生生的層。

與課本的連結(依程度分類)

程度科目・單元本文的哪裡
國中理化「大氣的構成」「光的反射・折射」在高空層被反彈的電波
高中物理「電磁波」、地球科學「大氣的構造」電離層的分層、因折射而折返
高中+物理(進階)「折射率與波速」臨界頻率、最高可用頻率
大學無線電工程、高層大氣物理學阿普爾頓-哈特里公式、D層的吸收
研究太空天氣、大氣與電離圈的連結偶發E層、來自下方的擾動
―與生活的連結夜晚廣播的互相干擾、無線電頻率的分工、災害時的資訊收集

※本文是寫給一般讀者的科學解說。所列數值是為了理解原理的參考值與概算。電波能傳多遠,會因季節、時間、太陽活動與接收環境而有很大的不同。