Do sự có mặt của các điện tử và ion nên thông số điện môi của môi trường khí ion hóa gồm cả hệ số điện môi và điện dẫn suất. Những tham số này quyết định các tính chất khúc xạ và hấp tụ đối với sóng vô tuyến.
Giả sử sóng phân cực thẳng truyền trong chất khí ion hóa đồng nhất có mật độ điện tử là N; trùng với hướng trục z và trường điều hòa.
Khi không tính đến va chạm: điện thẩm ’ được tính:
1 (4.48)
Trong đó:
N: mật độ electron [m-3]
q: điện tích electron = 1,6x10-19 [C]
0: hằng số điện môi trong không gian tự do = 8,854 x 10-12 [F/m] m: khối lượng electron = 9,11x 10-31 [kg]
: tần số góc của sóng [rad/s]
= 0: không xét đến ảnh hưởng của sự va chạm, tổn hao = 0. Thay các giá trị trên ta có:
1 81 (4.49)
Dễ dàng thấy rằng, ứng với mật độ điện tử N nhất định, ta có thể tìm được tần số N sao cho hệ số điện môi tương đối = 0.
→ 9√ (4.50) Tần số này được gọi là tần số plasma.
1 1 (4.51)
Khi < N thì ’ 0. Khi đó chiết suất môi trường: n = √ sẽ là một số ảo và hệ số truyền sóng (hệ số pha) cũng là một số ảo. Khi ấy biểu thức trường sẽ không có dạng truyền lan mà có dạng suy giảm theo hàm mũ âm; nghĩa là sóng với tần số
< N không thể lan truyền trong môi trường này được mà bị phản xạ về mặt đất. Khi
> N sóng truyền xuyên qua tầng điện ly.
Khi không có sự va chạm của điện tử với các hạt khác thì năng lượng mà các điện tử nhận được sẽ được bảo toàn và bức xạ hoàn toàn lại. Khi ấy môi trường có tính chất như một điện môi lý tưởng. Thực tế, trong tầng điện ly luôn xảy ra sự va chạm của điện tử với các phân tử và ion do sự chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử và ion gây ra. Khi va chạm, các điện tử sẽ trao cho các phân tử và ion phần năng lượng mà chúng nhận được từ sóng điện từ. Phần năng lượng này sẽ chuyển hóa thành năng lượng chuyển động nhiệt của các hạt. Điều đó sẽ dẫn đến sự hấp thu sóng trong chất khí ion hóa. Mức độ hấp thu được đánh giá bởi trị số điện dẫn suất của môi trường.
Để đơn giản, ta giả sử sau mỗi lần va chạm, điện tử sẽ trao lại cho phân tử toàn bộ năng lượng của nó. Gọi là tần số va chạm thì hệ số điện môi và điện dẫn suất của môi trường là:
2,82.10
1 3,19.10 (4.52)
Vì ’ và là một hàm của nên đặc tính của tầng điện ly thay đổi theo tần số của sóng. Giả sử một sóng phẳng truyền vào lớp ion có mật độ điện tử N tăng theo chiều cao. Khi sóng có tần số đạt tới độ cao mà ở đó N đủ lớn để làm cho ’ = 0 thì sóng không truyền được nữa mà phản xạ ngược về mặt đất.