대기의 상층부에 있는 이온화(電離)된 공기의 층. 지구의 고층대기 중에는 대기의 분자 · 원자가 태양의 X선이나 자외선 또는 고에너지 입자의 조사(照射)를 받아 이온화함으로써 생성된 이온 및 전자(자유전자)가 다량으로 존재한다.

특히 전파의 전송에 영향을 미치는 전자는 고도 약 60km 이상의 고층부에 비교적 높은 밀도로 존재한다.

이 영역을 전리권이라 한다.

전리권의 이온이나 전자는 지구를 둘러싸고 몇몇 층상(層狀)으로 농담분포(濃淡分布)를 보이는데, 이들 층을 전리층이라 한다.

전리층의 존재가 시사된 것은 1902년 A. E. 케넬리와 0. 헤비사이드에 의해서였다.

1925년 E. V. 애플턴과 M. A. F. 바닛, G. 브라이트와 M. A. 튜브 등 영국과 미국의 2팀에 의해 독립적으로 최초의 전파반사실험이 이루어져 전리층의 존재가 확인되었다.

이후 실용면에서는 전리층에 의한 전파반사의 이용으로 원거리 무선통신이 발달하고, 학술면에서는 전리층을 통해 지구의 초고층 대기 및 태양 · 지구 관련 현상의 연구가 발전했다.

로켓 · 인공위성의 기술개발로 지구의 전리층을 직접 관찰하거나, 행성(금성 · 화성 · 목성 · 토성 등) 전리층도 관찰할 수 있게 되었다.

〔구조〕 지구대기의 분자 · 원자의 이온화에 의해 양전하(陽電荷)의 이온(양이온)과 음전하의 전자가 생성되는데, 고도 약 60km 이하에서는 대기밀도가 높아 전자는 곧바로 대기분자에 부착해 음전하의 이온(음이온)으로 바뀐다.

이들 하전입자는 대기분자 · 원자와의 화학반응을 거쳐 최종적으로는 양이온과 음이온 또는 양이온과 전자가 재결합함으로써 중성의 대기분자 · 원자로 되돌아가고 하전입자는 소멸한다.

하전입자의 밀도분포는 이온화에 의한 생성의 강도, 재결합에 의한 소멸의 속도, 생성에서 소멸까지의 수명기간중에 입자가 이동해 집적(集積)이나 발산을 함으로써 이루어지는 재분포의 효과에 따라 결정된다.

고도 약 60km 이상에서는 전자의 존재가 중요해지고, 약 80km 이상에서는 음이온이 극도로 적고 양이온과 전자가 같은 밀도로 존재한다.

전리층은 고도에 따라 몇몇 영역으로 나눌 수 있다.

고도 약 60~90km는 D영역으로, 주된 전리원은 태양의 X선(파장 10이하)과 자외선(1,216)이다.

D영역은 플레어에 수반되는 이상전리(델린저 현상 · 전파소실 현상) 및 태양우주선이나 오로라 입자에 의한 이상전리(전리층 폭풍)의 영향을 강하게 받는다.

고도 약 90~130km는 E영역으로, 주된 전리원은 태양의 X선(100~10)과 자외선(1,027~800)이다.

전자 밀도의 피크를 이루는 고도 100km 부근의 E층은 일조반구(日照半球)에서 형성된다.

E영역에서는 스포라딕E층(E로 약기)이 돌발적으로 나타나는 수가 있다.

고도 약 130~1,000km는 F영역인데, 태양의 자외선(800~100A)이 주된 전리원이다.

주간의 F영역 안에는 고도 170km 부근과 300km 부근에 각각 전자밀도가 가장 큰 F1층과 F2층의 2개 충이 형성된다.

F1층은 야간에 소멸하지 만 F2층은 주야에 걸쳐 존재하며 전리층 중에서 전자밀도가 최대인 층이다.

E층과 F1층은 태양복사선에 의한 이온화 생성과 재결합에 의한 소멸이 균형있게 형성되어 있지만, F2층의 형성에는 생성과 소멸 외에 하전입자의 확산에 의한 재분포가 중요한 역할을 한다.

F2층의 피크 고도를 경계로 위쪽을 톱사이드 전리층, 아래쪽을 보텀사이드 전리층이라 한다.

톱사이드 전리층에서 생성된 이온(주로 수소이온)과 전자로 이루어지는 기체(플라즈마)는 지구자기장의 자기력선을 쫓아 적도 상공 약 3만km의 고도에까지 퍼져 있다.

이 영역을 플라즈마권이라 한다.

〔전파와 전리층〕 전파는 전기장 및 자기장의 진동이 전파하는 파동이므로 전파가 침입해 오면 전리층의 이온이나 전자는 전파의 진동전기장으로부터 힘을 받아 진동한다.

하전입자의 진동에서 생기는 진동전류가 만드는 전자기장(電磁氣場)이 전파의 전자기장에 더해지기 때문에 굴절률이 변화해 전파의 굴절 · 반사가 일어난다.

전파에 의해 생기는 진동전류는 이온에 비해 극단적으로 질량이 작은 전자 쪽이 커서, 주로 전자가 전파의 전송에 영향을 미친다.

전자 의 진동에너지는 전파의 에너지에서 공급되는데, 전자의 진동중에 대기분자 · 원자와의 충돌로 전자의 진동에너지가 상설되는 경우에는 대기에 의한 전파의 흡수가 일어난다. 

전리층 D영역에서의 단파대(短波帶) 전파의 흡수가 가장 현저하다(델린저 현상).

전리층에서의 전자의 운동은 지구자기장의 영향을 받아 자기장 방향에 대해 반시계 방향으로 회전(왼쪽돌기)하는 성질을 가지므로 전리층에 침입한 전파는 진송의 성질이 서로 다른 정상파(定常波 ; 좌회전) 및 이상파(우회전)의 2가지 전파로 나누어진다.

〔전리층의 측정〕 전리층의 가장 표준적인 관측은 이오노존데(ionosonde)라는 전파탐사장치에 의해 이루어진다.

지상에서 상공의 전리층을 향해 펄스전파를 발사하면 송신전파의 주파수에 대응하는 전파밀도를 가진 고도에서 전파가 반사된다.

반사되어온 펄스전파를 지상에서 수신해 송 · 수신 두 펄스 사이의 시간차를 측정하면 반사점의 겉보기고도(전리층내를 전도하는 전파의 속도는 광속보다 느리지만, 편의상 광속으로 전해졌다는 가정하에 측정한 고도)를 알 수 있다.

F2층의 최대전자밀도의 고도에서 반사되는 전파의 주파수를 F2층 임계주파수라 한다.

이 보다 더 높은 주파수의 전파는 전리층을 뚫고 나가 버리므로 반사되지 않는다.

〔통신과 전리층〕 전리층에 의한 전파반사를 이용하는 무선통신이 이루어지고 있다.

D층 하부에서 반사되는 장파 · 초장파대의 전파는 중 · 장거리 통신에 알맞으므로 선박 · 항공기의 위치측정 등에 이용된다.

E층에서 반사되는 중파 · 단파대의 전파는 전송거리가 짧아 국내회선 정도의 중거리 통신에 이용된다.

F2층에서 반사되는 전파는 원거리 통신에 적합한데, 단파대가 높은 주파수의 전파는 국제통신 · 국재방송 등에 이용된다.

최근에는 인공위성과 지상을 잇는 우주통신이 발달, 전리층을 투과하는 높은 주파수대의 초단파 · 마이크로파가 사용되고 있다.

전리층은 우주통신에 대해 전파의 강도변동이나 전송시간 변동을 일으키는 장애물이 되는 수가 있고, 지상의 텔레비전 회선에 대해 Es층에 의한 이상전송은 혼신(混信)의 원인이 되기도 한다.