Voir aussi : l'ionosphère - Phénomènes d'optique et propagation des ondes - La fréquence critique -

On parle communément de réflexion des ondes sur les couches ionisées de l'ionosphère mais il s'agit en réalité de multiples réfraction successives.
Une onde électromagnétique se propage en ligne droite, comme un rayon lumineux. En fait cette affirmation n'est vraie que dans un milieu homogène et isotrope, c'est à dire dans lequel la vitesse de propagation de cette onde est la même quelque soit la direction. La vitesse de propagation dépend de l'indice de réfraction correspondant à la fréquence de l'onde.
Pour une onde se propageant dans l'ionosphère, le phénomène est plus complexe que pour un rayon lumineux, ne serait-ce qu'à cause de l'influence du champ magnétique terrestre. On peut toutefois comprendre le phénomène de réflexion d'une onde radio en simplifiant.

Indice de réfraction

L'indice de réfraction d'un milieu ionisé dépend à la fois de la fréquence f considérée et de la densité électronique N du milieu. Ce sont les électrons qui jouent un rôle prépondérant : grâce à leur faible masse et à leur charge électrique, ils sont mis en mouvement sous l'influence du champ électrique E de l'onde électromagnétique. L'énergie qu'ils recoivent de l'onde leur permet d'osciller et de rayonner à nouveau une onde de fréquence identique mais de phase différente, provoquant ainsi un changement de direction de l'onde incidente.
La formule qui permet de calculer n, l'indice de réfraction du milieu ionisé est :

avec :
N : densité en électron/m3
f : fréquence en kHz
e et m : charge et masse de l'électron
Ce qui peut s'écrire un peu plus facilement :

où f est en MHz et N en électron/m3

Exemple :
Variation de l'indice de réfraction pour la fréquence de 9MHz en fonction de l'altitude. On voit que la réflexion s'effectue à l'altitude de 320 km, lorsque l'indice de réfraction s'annule.

altitude (km)	N (e/m3)	n
100	3.1010	0.99
120	6.1010	0.96
160	1.1011	0.94
200	3.1011	0.83
250	6.1011	0.63
300	9.1011	0.31
320	1.1012	0

Réflexion d'une onde dans une couche ionisée

La déviation d'un rayon lumineux par réfraction se produit lorsque le rayon traverse deux milieux transparents dont les indices de réfraction sont différents (voir optique géométrique). Un phénomène semblable se produit pour une onde radio qui traverse l'ionosphère mais, comme l'indice de réfraction varie en continu, l'onde est déviée progressivement et son trajet ressemble à une courbe. Pour mieux comprendre le phénomène on peut imaginer une tranche d'ionosphère comportant un nombre de niveaux limités et d'indices de réfraction variant de n6 à n0, comme dans le tableau de la page sur la fréquence critique.
En passant du milieu 7 au milieu 6 avec un angle d'incidence i67 le rayon est dévié d'un angle q67. Le même phénomène se produit en passant du milieu 6 au milieu 5 et ainsi de suite.
L'indice de réfraction diminue au fur et à mesure que l'ionisation augmente.