전파는 지구 대기를 통과하여 한지점에서 다른 한지점까지 각기 다른 방법으로 전송되는 주파수 범위를 포함하는 여러 대역으로 방출된다. 각각의 방송국은 한 대역의 주파수로 고정되어 있다. 라디오의 다이얼을 이 주파수에 맞추어 조정한다. 전파가 이온층을 통과하는 경로가 다르기 때문에 각각의 대역은 우주환경 폭풍에 의해 영향받는 정도가 다르다.

이 영상은 지난 1997년 4월 10∼11일의 전리층 폭풍에 의해 발생한 고도 100∼400 km 상공에서의 총전자 함유량 변화를 24시간 모의실험한 결과이다. 이 폭풍은 태양코로나 물질방출 (CME)이 지구근접 우주공간에 도달함으로써 세계시 (UT) 21시에 시작한 자기폭풍과 연관되어 발생하였다. 이 전리층 폭풍은 4월 11일 UT 9시에 멈추었지만 전리층 상태의 변화는 훨씬 오래 지속되었다.

지구 주위를 도는 위성은 중력만이 작용한다면 그 궤도를 영원히 유지할 것이다. 그러나 2000 km 이하의 위성들은 실제로 지구의 대기를 통과하여 이동한다. 이러한 높은 고도라 하더라도 대기입자와의 충돌은 천천히 궤도를 원형으로 변화시키고 느려지게 해서 우주선이 낮은 고도로 떨어지게 한다.

"우주환경 교란이 일어나는 동안 높은 고도에서는 대기가 극적으로 팽창한다. 영상의 붉은 지역 안에서는 대기의 밀도가 상대적으로 조용한 자기폭풍의 경우보다 20% 초과하여 증가한다. 규모가 큰 폭풍인 경우 쉽게 100% 초과하기도 한다. 더욱 중요한 것은 이러한 현상은 저지구궤도 위성이 지나는 대기의 밀도가 예측할 수 없고 불규칙적으로 변한다는 것이다. 우주환경 교란에 의해 사실상 우주공간의 수천개의 물체가 그 궤도를 벗어나게 되고 지상에서 이를 다시 수정해 주어야 한다.“

NORAD는 특정 크기 이상의 지구주위를 도는 물체의 위치를 추적하는 책임기관이다. 큰 규모의 자기폭풍 활동이 일어나면 대기는 가열되고 팽창되어 지구주위 궤도를 도는 위성을 더 많이 끌어 당기게 된다. 이 위성들은 속도가 줄어서 그 궤도를 바꾸게 된다. NORAD는 대규모의 자기폭풍 현상이 일어난 후에는 수백 개의 물체를 다시 식별해서 새로운 궤도를 보고해야 한다. 태양극대기와 같은 이러한 폭풍현상동안 우주선이 대기의 끌림 현상 증가로 인한 "벽돌에 부딪친 듯이 떨어지는" 현상이 보고되었다.

태양전지는 우주선의 시스템의 전력으로 사용하기 위해 태양빛을 에너지로 바꾼다. 이것은 고속의 태양입자에 의한 피해에 매우 민감한 물체인 반도체로 이루어져 있다.

보통의 경우 태양으로부터 오는 빛은 태양전지에 있는 물질에 의해 흡수되어서 반도체의 결정 배열안에 있던 전자를 차낸다. 이러한 전자의 흐름이 우주선의 장비들의 전력으로 사용될 전류를 만든다.

그러나 대규모의 태양입자 방출현상이 있을 경우, 고속의 이온들이 반도체 물질에 부딪쳐 결정 배열로부터 전자를 유리시킨다. 이것은 반도체 물질의 성능을 저하시키며 우주선을 위한 에너지 생성이 가능한 태양전지의 수명을 감소시킨다. 한예로 1989년 10월, GOES 위성의 태양전지판은 몇일간 지속된 단 한 번의 태양 프로톤 현상으로 인하여 6년의 작동 수명을 잃게 되었다. 1990년 3월 비슷한 현상으로 인하여 우주선의 태양전지판의 수명이 3년 줄게 되었다.

고속의 이온들은 반도체 기기를 통과하여 지날 때 기기내에 전류를 흐르게 하는 수많은 전자와 구멍을 만든다. 실제로 충돌시에 반도체에 축적된 매 3.6 eV의 에너지마다 하나의 전자와 구멍 쌍이 생긴다. 반도체 기기의 올바른 기능은 이용 가능한 전자와 구멍의 적절한 통제에 의해 기기내에 흐르는 전류를 조절함으로써 가능하다. 만약 기억장치와 같은 민감한 부분에 많은 수의 전자-구멍 쌍이 들어가게 되면 컴퓨터에 저장된 정보가 바뀌고 허위 명령을 내릴 수 있다. 치명적인 피해를 입지 않은 다른 회로가 이 허위정보를 가지고 계속 임무를 수행할 수 있다. 제어부나 판단 회로가 이러한 피해를 입게 되면 인공위성은 쓸모없게 될 수도 있다. 제어부는 재시작 선택이 없는 곳에 부적절한 방식으로 변경하면 회로는 다 타버리게 된다. 추진부나 위성 위치제어부가 이러한 피해를 입으면 최악의 문제가 생긴다. 이러한 상황이 반도체의 성능을 저하시키고 궤도유지 기간을 제한한다.

세포들이 스스로 재생할 수 있는가는 DNA의 피해정도에 달려있다.

태양은 매우 강력한 자연 입자가속기이다. 태양은 이온을 수천 억 전자볼트의 에너지까지 가속시켜 지구로 보낼 수 있다. 이러한 현상은 플레어나 코로나 물질방출(CME)과 같은 태양의 폭발적인 현상의 자연적인 결과로 발생하는데 이런 높은 에너지를 가진 이온은 살아있는 세포에게는 극히 위험하다.

관측된 가장 큰 태양 프로톤 현상 중 하나가 유인 우주선 아폴로 16호와 17호 사이에 발생하여 지구에 도달했다. 운 좋게도 그 시간에 우주비행사들은 지구 대기의 보호막 안에 있었다. 컴퓨터 모의 실행 결과 이 현상이 일어나는 동안 우주선 안에 있는 우주비행사가 받았을 복사선의 양이 그림으로 보여진다. 놀랍게도 우주선 안에서 일지라도 우주비행사들은 이 현상이 일어난 후 10 시간 이내에 치사량의 복사선을 받게 된다. 4000 mSv는 아무런 조치없이 1회에 받을 경우 평균 치사량이며 또한 눈에 받는 복사량의 일생 동안의 한계이다.

태양주기 극대기에 우주정거장을 건설하면 대규모의 태양입자 현상에 우주비행사가 노출될 위험이 증가하게 된다. 우주비행사들은 특히 우주복사선에 직접적으로 노출되는 비행선 외부작업시에 매우 취약하게 된다. 위험한 태양입자 현상의 도달을 빨리 경고한다면 우주비행사들은 우주선 안으로 들어가 보호될 수 있을 것이다.

변압기는 전력원이 아니다. 큰 전류를 흐르게 하는 작은 전압을 작은 전류의 큰 전압으로 바꿔주거나 또는 그 반대로 하는 지레와 같은 기능을 한다. 전자회로의 동력은 전압과 전류의 곱과 같다. 완벽한 변압기의 경우 들어오는 동력과 나가는 동력은 같다. 만약 변압기가 불완전하다면 들어오는 동력의 일부가 열로 변한다.

변압기는 교류에서만 사용되는 것인데 우주환경 교란에 의해 전력선에 유도되는 전류는 직류이다. 변압기는 보통 99%의 효율로 작동되면 기능장애가 시작되는데 이 직류로 인해 효율이 떨어진다. 자기플럭스는 변압기의 철심안에 더이상 집중되지 않으며 이를 견디도록 설계되지 않은 부분에 충격을 준다. 동력은 열로 변환되기 시작한다. 변압기는 시끄럽게 소리를 내며 과열된다. 기름이 타고 변압기의 부품들이 녹아내린다. 이러한 일은 하나의 변압기에서만 일어나는 일이 아니라 배전망 내에 있는 모든 영향을 받은 변압기에서 동시에 일어난다. 어떤 변압기는 타버리기도 한다. 어떤 변압기는 자기폭풍 때 입은 피해로 단번에 고장나지 않지만 수명이 현저히 줄기도 한다.

퀘벡 수력발전소의 전력 배전망 전정은 태양폭풍에 의한 손실이 얼마나 큰지를 보여준다. 퀘벡 발전소의 손실은 100억원을 초과한다. 퀘벡 발전소의 전력 수요자들은 수백에서 수천억원의 손실을 감당해야 했다. 대규모 지역의 정전동안 60억 명의 전력 중단은 그 손실이 태풍이나 지진과 같은 정도였다.

항공과 우주환경 태양흑점폭발과 함께 방출된 태양물질들은 지구 자기장을 따라 지구로 유입됩니다. 이 태양방출물질은 주로 양성자, 전자로 구성되는데, 특히 이 양성자는 지구 대기권과 충돌하여 산란되어 대부분 소멸되지만, 높은 고도에서는 지구 대기의 원자나 분자와 충돌하여 우주방사선을 생성합니다.

우주방사선의 단위는 인체에 미치는 영향의 단위인 유효방사선량(EFFECTIVE RADIATION DOSE)인 시버트(Sv)로 나타냅니다.

이 우주방사선은 지자기 위도, 고도에 따라 증가하게 되며, 특히 태양흑점폭발과 같이 급격한 태양활동이 발생할 경우, 극항로를 운항하는 항공기에 방사선 피폭 피해를 유발하게 됩니다.

국내외 주요기관들은 항공기 승무원 및 일반인에 대한 우주방사선량을 각각 6mSv와 1mSv로 규정하고 우주방사선 피폭량을 관리하고 있습니다. 또한 국내외 항공사들은 3단계 이상의 태양흑점 폭발이 발생할 경우, 극항로 운항을 지양하고 그보다 낮은 항로를 채택하여 방사선 위험을 감소시키거나, 비행계획을 연기하는 등 비상절차에 따라 대응하고 있습니다.

지구상의 어떤 동물들은 (전령 비둘기와 같은) 지구의 자기장을 감지할 수 있으며 그것을 비행에 이용한다. 전령 비둘기들은 익숙하지 않은 지역을 통과하여 이틀만에 1600 km 이상을 날아서 고향으로 돌아온다고 알려져 있다.

비둘기의 경우 이러한 능력은 특별한 사육에 의해서 길러진다. 전령 비둘기들은 제 1차 세계대전과 제 2차 세계대전, 그리고 한국전쟁에서도 미군들에 의해 이용되었다.

제 1차 세계대전에서 한 놀라운 비둘기는 총에 맞아 한쪽 다리를 잃고 상처입은 채로 24분만에 40 km를 날아가 전갈을 전했다. 군대에서 비둘기들은 1956년에 전자장비들로 대체되었지만 전령 비둘기 경주는 전세계적에서 즐기는 스포츠가 되었다.

태양은 우리 은하에 속해있는 천억개의 항성, 즉 스스로 빛을 발산할 수 있는 별들중에 하나이다.

태양은 대부분 수소와 헬륨으로 이루어진 항성이며 이외에 소량의 산소, 탄소, 네온, 질소, 마그네슘, 철, 실리콘등이 존재한다. 이들 물질들은 대부분 고온에서 플라즈마 상태로 존재하게 된다. 겉으로 보이는 태양은 우주의 항성들 중에서 상대적을 작은 편에 속하며 황색을 나타낸다. 하지만 실제 크기는 지구를 백만개나 담을 수 있는 부피를 가진다. 태양의 반지름 약 700,000km로 지구보다 109배 더 크며 질량은 지구에 약 33만배 더 무겁다. 이러한 태양의 크기는 22cm의 축구공에 볼펜으로 작은 점(약 0.2cm)을 그리면 축구공은 태양의 크기이며 작은 점이 지구의 크기라고 생각하면 된다.

태양은 쌀알 모양의 대류세포들로 덮여있다. 각 대류세포의 밝은 중심은 물질이 상승하는 뜨거운 지역이며 어두운 가장자리는 밑으로 가라앉는 차가운 지역이다. 쌀알 조직은 끓고 있는 스프 그릇의 거품과 비슷하다. 매우 작아 보이지만 실제로는 매우 크며 이는 미국의 크기와 비교한 그림으로 알 수 있다. 우리 눈에 보이는 즉, 가시광으로 보이는 가스의 층은 그에 비하면 매우 얇다.

이 그림에 보이는 또 하나의 흥미로운 것은 어두운 흑점이다. 흑점은 주로 태양의 급격한 활동과 관련된다. 이는 우주환경 교란을 예보하는 중요한 수단이 된다.

태양 표면에 검은 반점으로 보이는 것이 흑점이다. 이것은 거의 언제나 쌍으로 혹은 쌍의 집단으로 보인다.

흑점은 태양 표면에서 가장 차가운 지역이기 때문에 어둡게 보인다. 말굽자석의 자기장과 비슷하여 지구 표면보다 약 1000 배나 강한 태양의 자기장이 표면까지 열이 이동하는 것을 막는다. 태양의 차등회전 (저위도가 고위도보다 빨리 회전) 때문에 흑점이 형성된다.

태양플레어 (태양으로부터의 막대한 에너지의 폭발적인 분출)는 대부분 마치 태풍과 같이 회전하며 빠르게 성장하는 흑점군 내에서 발생하는 경향이 있다. 태양 흑점의 수는 11년 주기에 따라 변하는데 이와 함께 우주환경 교란의 횟수와 정도도 함께 변한다. 흑점군의 계속적인 관찰은 우주환경 교란을 예보하기 위해 중요한 일이다.

태양면의 가장자리에 나타난 고리모양의 커다란 구조는 어두운 우주공간을 배경으로 밝게 보인다. 이 구조는 매우 밝고 뜨겁게 보이지만 실제로는 태양의 코로나나 가장 바깥의 대기보다 수백 배나 차갑고 밀도도 작다.

필라멘트는 태양면을 가로지르는 뱀과 같이 가느다란 어두운 선의 모양을 하고 있다. 이것은 실제로는 훨씬 밝은 태양표면에 비해 어두운 홍염의 윤곽이다.

필라멘트와 홍염은 태양면에서 수 주 혹은 수 개월동안 남아있기도 한다. 그러다 갑자기 분출되어 많은 양의 가스를 우주공간으로 날려 보내기도 한다. 그림은 태양의 Hα 영상이다. 분출하는 홍염은 코로나 물질 방출이라 부르는 중요한 우주환경 현상과 밀접한 관련이 있다.

태양플레어는 수십 분 내에 약 100여 개의 태풍과 같은 에너지를 내뿜는 가공할 만한 위력의 폭발이다. 활동적인 흑점군 주변의 강하고 비틀린 자기장이 플레어가 내뿜는 에너지를 제공하는 것으로 생각된다. 그러나 아직 정확한 플레어 발생경로는 알려져 있지 않다.

태양플레어 현상이 일어난 후에는 많은 양의 X선과 고에너지 입자들이 지구를 강타한다. X선은 8분만에 도달하며 고에너지 입자는 수 시간 후에 도달한다.

가장 강한 플레어는 태양 극대기에도 일 년에 몇 번밖에 발생하지 않는다. 그보다 약한 플레어는 비교적 흔하다. 활동기에는 하루에도 수십 번씩 약한 플레어가 발생하기도 한다.

태양과의 거리가 항상 우리에게 좋은 면만 주는 것은 아니다. 오히려 뜨거운 태양의 위협을 받을 수 있는 거리이기도 하다. 매년 수천번에 달하는 거대한 폭발이 태양을 뒤흔들고 있다. 전문가가 아니면 이러한 폭발이 핵융합반응 때문이라고 주장하겠지만 사실 이러한 폭발현상은 자기장때문에 일어난다.

지구는 어디 지점이든 정확하게 자전을 하고 있기 때문에 지구의 자기장은 질서정연하여 남쪽과 북쪽의 두 극을 가지고 있다. 따라서 우리는 나침반만 있으면 방향을 잃을 염려는 없다.

하지만 두개의 극이 아니라 천억개의 극이 존재한다면 어떨까? 태양이 바로 그런 환경속에 존재하고 있다. 태양의 자기장은 거미줄처럼 얽혀있다

이것은 태양을 구성하는 고온의 가스 즉, 플라즈마가 동일하게 자전을 하지 않기 때문이다. 태양의 적도에서 태양의 자전은 약 25일정도이지만 적도에서 극지방으로 멀어질수록 길어져 최대 35일정도 걸린다. 이처럼 태양에서는 서로 다른 자전주기 때문에 플라즈마가 무질서하게 흘러다녀 자기력선들도 서로 뒤엉키게 되는 것이다. 만일 좁은 지역에 자기력선들이 집중되면 태양 표면에서 일어나는 대류현상을 방해하게 되고 대류가 억제됨에 따라 그 지역은 주변에 비해 검게 보이는데 이를 흑점이라한다. 즉, 흑점은 태양 표면의 대류현상이 자기장의 방해로 원활히 이루어지지 못하여 생겨난 것이다. 흑점은 주변에 비해 온도가 약 1000도정도 떨어져 검게 보이게 된다.

하지만 흑점의 색은 주변에 비해 상대적으로 어두울뿐 만일 흑점하나가 우주공간에 떠 있다면 보름달보다 10배정도는 밝게 빛날 것이다. 그리고 지구에서 봤을 때 아주 작아 보이지만 실제 지구와 비슷하거나 휠씬 더 크다.

태양의 흑점은 태양의 광구면에서 생성되기 때문에 흑점도 자전을 하며 이대 흑점의 크기가 변하게 된다. 그리고 주변의 자기력선이 심하게 뒤틀려지는데 이는 에너지가 더 커진다는 것을 말하며 곧 거대한 폭발이 발생할 수 있는 조건이 만들어 진다. 그러면 왜 자기력선들이 뒤틀어지면 에너지가 높은걸까?

예를들어 고무줄이 달린 모형비행기(고무동력기)가 있다고 하자. 고무줄을 많이 감으면 감을 수록 모형비행기는 멀리 날아가는데 이것은 감긴 고무줄에 비행기를 멀리 보낼 수 있는 에너지가 많이 있다는 것이다. 반대로 고무줄을 감지 않으면 모형비행기는 제대로 날지 못하고 바로 땅으로 떨어진다.

이와 마찬가지로 태양에서도 자기력선들이 많이 꼬여있으면 그만큼 높은 에너지가 있다는 것이며 이것이 한꺼번에 방출될 때 플레어가 발생한다.

태양플레어는 한번의 폭발로 10억메가톤의 에너지가 방출되는데 이는 백만개의 화산이 동시에 폭발하는 규모와 같다. 따라서 태양플레어는 온도가 아주 높아 섬광처럼 밝게 보이며 X-ray나 감마선 같은 고에너지를 우주 공간으로 뿌리게 된다. 또한 플레어가 발생할 때 종종 태양 물질들이 우주공간으로 같이 뿜어져 나오는 현상이 발생하는데 이것을 코로나 물질 분출이라 한다.

코로나 물질 분출이 발생하면 다량의 고에너지 방사능 입자들을 우주공간으로 뿌리기 때문에 매우 위험한 현상이다. 또한 이 물질들의 속도는 보통 초속 1000km이 넘는 아주 빠른 속도로 이동한다. 한번의 코로나 물질 분출로 약 200억톤의 물질들이 태양에서 우주로 방출되는데 이것은 에베레스트 산 만한 덩어리가 떨어져 나와 초속 1000km넘는 속도로 우주로 날아가는 현상이다. 이러한 방사능 플라즈마는 보통 먼 우주로 날아가지만 지구 방향으로 날아가면 인류에 막대한 피해를 주기도 한다.

태양에서 뿜어져 나온 물질들이 지구까지 도달하는데 보통 수일의 시간이 걸리지만 어떤 입자들은 시속 960만km의 속도로 움직이기 때문에 16시간이면 지구에 접근한다. 이러한 입자들이 지구의 자기장과 충돌하면 지구의 자기장은 큰 요동을 일으켜 심하게 뒤틀리면서 지자기 폭풍을 일으킨다. 고위도 지방의 하늘에서 밝게 빛나는 오로라 현상이 바로 이러한 지자기 폭풍으로 발생하게 된다.

그러나 지구에 이러한 지자기 폭풍이 심하게 발생하면 지구 대기권 외부에 강한 전류를 전달시켜 인공위성이나 지상의 발전소를 무용지물로 만들 수 있다. 또한 극지방으로 운항하는 항공기들은 방사능에 노출될 수 있으므로 항로를 변경해야 하며 인공위성에 피해를 주어 지상의 방송 또는 통신에 지장을 가져오게 된다. 이외에도 송유관을 제어하는 시스템 및 시추시설에도 문제가 발생할 수 있다.

실제로 1859년에 발생한 태양활동으로 고위도 뿐만아니라 로마와 하와이에서도 오로라가 관측됐다는 보고가 있었다. 또한 1989년에는 캐나다의 퀘벡 주에서는 태양 활동으로 변전소 한 곳이 마비가 되어 퀘벡 주 전역이 정전이 되는 사태가 발생하였다. 그리고 2003년 11월에 발생한 태양 폭풍으로 미국과 캐나다, 유럽 그리고 일본에서 인공위성과 발전소등의 수많은 피해가 보고되었다.

태양은 매 초당 백만 톤의 물질을 우주공간으로 내뿜는다. 하루 동안에 방출하는 양을 모두 합하면 미국 유타주의 그레이트솔트 호수 질량과 비슷하다. 이러한 현상이 매일, 그리고 매년, 항상 일어난다.

이러한 질량 손실을 태양풍이라 한다. 태양풍은 태양의 가장 위 부분이 여전히 태양과 연결된 자기장과 함께 우주공간으로 방출되어 형성된다. 태양의 폭발적인 현상과 연관된 태양풍에서는 돌풍과 교란이 생성된다.

우주공간에서 지구의 자기보호막에 불어오는 태양풍이 우주환경 폭풍을 일으킨다.

정원의 스프링클러가 물방울을 내뿜듯이 태양이 태양풍 입자를 내뿜는다.

아마도 지구의 인간들에게 가장 중요한 태양현상은 지구의 위치에서 극적인 우주환경 현상을 일으키는 코로나 물질 방출일 것이다.

주기적으로 태양은 가장 바깥 층 대기로부터 거대한 가스거품을 폭발적으로 우주공간으로 방출하는데 이를 코로나 질량 방출 (Coronal Mass Ejection ; CME)이라 한다. 이러한 현상이 일어나는 동안 평균적으로 수 십억 톤의 가스가 지구를 향해 불어 온다. 이것은 작은 호수가 포함하는 질량과 비슷하지만 증발되어 수천 km/s의 속도로 여행한다. 이러한 빠른 속도로 대전된 가스의 총 에너지는 대략 태양플레어의 에너지량(태풍 약 100여 개에 해당)과 비슷하지만 태양플레어보다 더 긴 시간동안 방출된다 (수 시간 대 수십 분).

빠른 속도의 가스거품은 우주공간으로 빠르게 팽창하여 단 몇 시간만에 태양의 크기와 비슷하게 된다. 거품은 태양으로부터 바깥으로 불어나가는 느린 속도의 태양풍과 만나 충격파를 형성한다. 이 충격파에서 입자의 일부가 지구에 도달하기 전에 매우 높은 에너지로 가속된다.

오로라는 태양에서 날아 온 대전 입자가 지구 자기장과 상호 작용하여 극지방의 상층대기에서 일어나는 대규모 방전 현상이다. 태양은 양성자와 전자로 이루어진 대전 입자를 방출하고 있다. 태양으로 나오는 이러한 플라즈마의 흐름을 태양풍이라 하고, 태양에서 지구로 도달하는 태양풍은 지구의 자기장에 끌려 반 알렌 대에 들어오게 된다. 반 알렌 대는 조개 모양으로 지구 주위에 구부려져 있고 극 쪽에서는 지표에 근접해서 구부러져 있다.

대기 속에서 공기 분자와 태양으로부터의 대전 입자가 서로 충돌하면 기체 분자 내부의 전자가 들뜨게 되고(excitation), 이 들뜬 전자가 원 위치로 떨어지면서 에너지를 방전하게 되는데 이것이 우리가 보는 오로라이다.

이러한 오로라의 발생은 태양의 활동과 밀접한 관계를 가지고 있으며, 태양의 활동이 활발한 극대기에 자주 나타나고 있다

전리층은 영어의 이온(ion)이란 단어와 영역(sphere) 이라는 단어가 결합되어 이루어진 것으로 고층 대기 구성 물질의 이온화 정도에 따라 구분되는 영역을 일컫는 말이다. 즉, 물리적으로 보면 구성 입자들의 이온화 정도가 매우 중요한 물리적 요인으로 작용하는 영역이다. 전리층의 영역의 범위는 전리층을 보는 시각에 따라 차이가 있다. 전리층을 이용한 통신을 연구하는 사람의 관점에서 보면 최고 높이가 600-800km 사이지만 전리층의 물리적 특징을 연구하는 관점에서 보면 최고 2,000km까지 확장할 수 있으므로 전리층 영역은 지표면 상공 65km부터 2,000km까지의 공간이라고 할 수 있다.

전리층은 태양으로부터 복사되는 극자외선(EUV : Extreme Ultra-Violet)과 X-선과 같은 전자기 방사(빛의 일종)와 먼 은하로부터 오는 우주선(cosmic ray)이 지구의 상층 대기의 구성 원자를 이온화시킴으로써 생성된다. 고층 대기 높이에 따른 이온화 정도는 빛의 파장 함수로써 간단히 나타낼 수 있으므로 태양 복사세기와 전리층을 이루고 있는 중성가스의 이온화 정도에 의존한다. 따라서 태양복사가 대기를 투과하는 복사 경로가 길어질수록 복사강도가 약해지므로 결과적으로 태양의 천정각에 의존하며 최대 이온화가 나타날 때는 천정각이 0。 일 경우이다. 즉, 태양이 머리 위에 있을 때가 전리층 구성원소들의 이온화 정도가 가장 크며 이 때가 전리층의 전자밀도가 가장 높게 나타나게 되는 것이다.

태양에서 복사되는 대부분의 에너지는 약 5 x 103 Jm2의 선속(flux)을 가지고 있는 수소 Ly-α(121.6nm)와 그보다 수 십배 약한 헬륨 Ly-α(30.4nm)선에 집중되어 있다. 지표면에서 보면 Ly-α는 지표면으로부터 60km까지 전자 생성에 크게 기여를 하며 80km정도에서 가장 큰 영향을 준다. 태양의 활동이 조용한 시기의 X-선은 약 90km에서 가장 큰 영향을 주며, 태양 플레어에서 나오는 X-선은 지표면에서도 원자를 이온화시킬 만큼 강한 에너지를 가지고 있다.

전리층은 다음과 같이 나누어 구분하고 있다. 전리층의 존재가 알려진 초창기에 당시 통신에 주로 쓰던 HF(High Frequency)파가 반사되는 층을 E층이라고 칭한 후에 그 성질이 E층과 구분되는 영역을 영문자 순서대로 D층과 F층으로 나누었으며 이를 다시 F1층과 F2층으로 나누었다. 또한, 태양의 활동이 약 11년을 주기(극성변화를 고려하면 22년)로 변화함에 따라서 전리층에서의 전자밀도가 변화한다.

D층은 고도의 상승에 따라서 전자 밀도가 급격하게 증가하며 전자의 최대밀도가 태양의 복사량이 최대가 되는 태양정오 이후에 일어나며 태양의 복사량이 최저가 되는 밤에는 밀도가 급격하게 낮아진다. D층의 전자밀도는 여름에 가장 크며 계절적 변화 또한 매우 심하다. 그리고 태양의 X-선이 지배적인 원천이 되는 70 - 90km의 범위에서 태양활동 극대기 때 전리정도가 최대가 된다. 태양활동의 극소기일 때에는 70km이하에서 우주선에 의한 전리가 지배적이다.

E층은 고도 90 ~ 160 km 에 걸쳐 있으며 1902년 마르코니의 최초 대서양 횡단 무선통신과 관련하여 전리층 반사를 설명할 수 있게 했다. 강하게 이온화된 간헐적인 입자들이 때때로 광범위한 고도에서 관측되기도 한다.

F층은 130km이상의 상공의 영역을 나타내며, 수직전자밀도의 윤곽으로 F1과 F2를 구분하고 있다. 그러나 야간에는 전리층에서의 전자 발생에 크게 기여하는 태양 복사의 소멸로 이러한 구분이 되지 않고 있다.

F2층의 전자밀도는 낮과 밤의 차이가 약 100배로서 주간에는 1012/m3이고 야간에는 5x1010/m3정도의 값을 가진다. 적도 이상변동은 지자기 적도를 중심으로 ±20 ∼ 30。범위 내의 F2층의 전자밀도가 태양의 천정각에 대한 존속성에서 크게 이탈되는 현상으로 적도부근의 태양 복사가 가장 크므로 적도부근의 전자밀도가 가장 크리라고 생각되지만 실제의 경우에는 지자기 적도로부터 남북으로 떨어진 지역에서 전자밀도가 최대값을 가지는데 이러한 현상을 분수 메커니즘으로 설명하고 있다. E층과 F층은 HF통신에서 무선파를 반사하는 역할을 하기 때문에 장거리 육상 및 해상 통신에 사용되고 있으며, D층에서는 VLF와 ELF파가 반사되지만 HF파는 신호 감쇠를 일으키는 흡수 역할을 하고 있다. 위치 측정에 많이 사용되는 GPS 위성 신호는 전리층을 통과하면서 시간적 지연으로 인하여 위치 정밀도를 낮추기 때문에 전리층에 대한 연구가 매우 중요하다.