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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
- 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。
- 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
- 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
- 電離層（電離圈）：高度約60公里到1000公里以上，一部分空氣被太陽光分成電子與離子的區域。由低到高依序稱為D層、E層、F層。
- 天波（電離層反射波）：在電離層被反彈而回到地面的電波。夜晚AM廣播能傳到遠方，靠的就是這種波。
- 地波（地表波）：沿著地面傳播的電波。白天的AM廣播主要靠它傳送，會隨距離而變弱。
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。
| 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） |
| 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 × R | 2 × 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
- 突然出現的濃密層。夏天在日本附近，E層的高度有時會突然出現電子非常濃密的層（偶發E層），讓平常傳不到的高頻率電波飛到遠方。一般認為是風向的差異把電子聚集起來，但它何時、在哪裡出現，要預測仍然很困難。
- 來自下方的擾動。已經觀測到，地面上的颱風、大規模噴發、大地震所產生的空氣波動，會傳到電離層，使電子密度晃動。其影響有多大、如何擴散，還在研究當中。
- 日出與日落瞬間的變化。在黎明與黃昏的交界，D層以多快的速度生成、消失，會隨季節和太陽活動而變，細節仍在持續觀測。
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 |
- National Institute of Information and Communications Technology (情報通信研究機構, NICT) 太空天氣預報「電離圈」
- 維基百科「電離層」（日文版）
- The Nobel Prize in Physics 1947: Edward V. Appleton（因電離層觀測而獲獎）
- K. Davies, Ionospheric Radio, Peter Peregrinus（電離層電波傳播的教科書）
※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。