Den ionosfæren af en planet er et lag af dens atmosfære kendetegnet ved partiel ionisering af gasser . I tilfælde af Jorden ligger den mellem ca. 60 og 1000 km højde og dækker derfor en del af mesosfæren , hele termosfæren og en del af eksosfæren .
Den ultraviolette solstråling, der er ved ionosfærens oprindelse, reagerer på en del af de atmosfæriske molekyler ved at amputere dem af en elektron . Dette skaber et plasma , der indeholder lige mange elektroner og positive ioner . Elektronen, som er lys, modtager en betydelig hastighed, så den elektroniske gas opnår en høj temperatur (i størrelsesordenen tusind Kelvin ) langt over ionerne og neutralernes. Det er derfor nødvendigt at skelne, bortset fra den neutrale temperatur, disse to plasmatemperaturer. Da der er flere ionarter, er den ioniske sammensætning en anden interessant parameter. Med elektrondensiteten , som er af største betydning for udbredelsen af radiobølger , er der derfor fire parametre, der karakteriserer det ionosfæriske plasma.
I 1968 bestilte COSPAR Karl Rawer (1968 - 1984) til at danne et udvalg med ansvar for et nyt International Reference Ionosphere (IRI) -projekt, der kunne sammenlignes med CIRA ( COSPAR international referenceatmosfære ), og som ville blive videreført sammen med International Radio- Videnskabelig Union (URSI). I løbet af dette projekt blev der oprettet en model baseret primært på eksperimenter i jord og rum . Denne model viser månedlige medianværdier for de fire parametre vist ovenfor som en funktion af højde, tid, sæson og solaktivitet for forskellige regioner på jorden. I 1999 anerkendte URSI IRI som en international standard for ionosfæren. I udvalget fortsætter repræsentanter fra alle kontinenter med at evaluere nye data med henblik på at forbedre modellen.
Densiteten af den luft, der udgør atmosfæren, aftager, når man bevæger sig væk fra jordoverfladen. I 60 km højde er lufttrykket kun 2 Pa . Atmosfæren ud over de 60 km fungerer som et filter absorberer solstråling, ultraviolette stråler og X stråler , hvis energi absorberes fuldstændigt i Termosfære . Jordens overflade er således beskyttet mod disse aggressive stråler, hvis energi går tabt i reaktioner, der river molekyler fra hinanden ( dissociation ) eller river en elektron fra dem ( ionisering ). Dissociationen af molekylerne afslører O-atomer (kommer fra oxygen O 2) På den ene side, og N (af nitrogen N 2 ) på den anden side. De fleste af sidstnævnte forsvinder ved dannelse af NO-molekyler . En ikke ubetydelig del af alle disse neutrale komponenter er ioniseret, så der i midten af neutraler er en population af forskellige ioner og en anden population af frie elektroner med det samme samlede antal.
Meget lokaliseret ionisering og i meget kort tid kan være forårsaget af faldende meteoritter .
I den nedre del af ionosfæren er tætheden af luftmolekyler stadig høj, kollisioner mellem elektroner og ioner er hyppige; en elektron kan hurtigt finde en positiv ion: rekombination er hurtig. I de højere lag falder den langsommere rekombination og ionisering kun langsomt, efter at solstrålingen er afbrudt med solnedgangen .
Den lodrette ekkolod er en slags radar, hvis frekvens er variabel mellem 1 og 30 MHz . Senderen udsender meget korte impulser, der reflekteres i en højde afhængig af frekvensen og elektrondensiteten i ionosfæren. Målingen af tiden, der adskiller den transmitterede puls og modtagelsen af ekkoet, gør det muligt at beregne den højde, hvor refleksionen fandt sted. Plottet for denne (virtuelle) højde som funktion af frekvens er et ionogram . Den internationale radiovidenskabelige union (URSI) har produceret en instruktion til undersøgelse af sådanne optagelser, oversat til kinesisk, fransk, japansk og russisk, og som følges over hele verden.
Siden 1960'erne har kunstige satellitter og rumsonder (ionosondes) givet en bedre in situ forståelse af ionosfæriske fænomener og deres interaktion med magnetosfæren .
Derudover blev der i de samme år udviklet en ny teknik til at studere ionosfæren fra jorden: usammenhængende spredning . I denne teknik udsendes en UHF-bølge (400 MHz til 1 GHz afhængigt af installationen) med meget høj effekt (flere hundrede kW) mod ionosfæren, hvor den diffunderes i alle retninger af de ionosfæriske elektroner. Den effekt, der modtages på jorden til gengæld, er meget lav og kræver store antenner og signalbehandling for at udtrække informationen. Denne teknik giver adgang til ionosfærens sammensætning, ionernes temperatur samt bevægelseshastighederne for disse ioner ("ionosfæriske vinde"). Der blev installeret lydgivere i Frankrig ved Saint-Santin-de-Maurs med tre modtagere inklusive radioteleskopet ved Nançay , i Storbritannien ved Malvern, i USA ved Millstone Hill og Arecibo (Puerto Rico), i Peru ved Jicamarca, samt som i Rusland . De sidste tre såvel som Eiscat , den europæiske pollster , der er baseret nord i Skandinavien , er stadig aktive.
Det 19. oktober 1954, I løbet af dagen, en modtager om bord på et fransk Véronique raket indspillet medium bølge emissioner fra to fjerntliggende sendere (på stedet) og var i stand til at bestemme to tydeligt markeret nedre grænse for elektron densitet ved 72 og 81 km højde.
Et instrument båret af en NASA- raket bestemte grænsen mellem atmosfæren og ionosfæren under aurorale forhold i 118 km højde (på stien til denne raket). Disse oplysninger kan være vigtige for at forstå klimaet. Tre andre tiltag er planlagt i 2010 som en del af Den Europæiske Rumorganisations sværmmission .
Der er generelt tre lag med specifikke egenskaber i forhold til bølgeforplantning .
Den øvre atmosfære på en planet er udsat for en stærk indflydelse udefra, nemlig den centrale stjernes stråling . Konsekvens af dette: atmosfæren er ikke i en ligevægtstilstand. Stråling fra ultraviolet til røntgenstråler ændrer ligevægtsforholdene i atmosfæren alvorligt ved at rive molekyler fra hinanden ( dissociation ) eller ved at rive en elektron fra dem ( ionisering ). Der er også omvendte processer, såsom rekombination gennem møde af adskilte partikler ( kollision ). Sandsynligheden for disse processer falder med stigende højde. Uden solstråling er sammensætningen af jordens atmosfære imidlertid overalt identisk med troposfærens . Faktisk under den omkring 150 km frembringer den natlige afbrydelse af stråling et hurtigt fald i ionisering , mens det over har mindre alvorlige konsekvenser. Bemærk også, at procentdelen af ioner i forhold til neutrale forbliver lav overalt.
Om dagen ved det komplekse samspil mellem dissociation, ionisering og rekombination dannes to store regioner mere eller mindre stærkt ioniserede; den nedre mellem ca. 60 km og 150 km (lag D og E), den anden i termosfæren . I ioniseringsprofilen er der endelig et enkelt maksimum om natten. Om dagen finder vi to eller tre, nemlig: nogle gange en i lag D (lidt markeret), en anden altid i E og den vigtigste i F2. (Det såkaldte F1-lag er kun en deformation af profilen, meget sjældent et særskilt maksimum.) For udbredelsen af radiobølger er værdien af F2-maksimumet af den største betydning.
For at forklare dannelsen af ioniserede lag er det vigtigt at kende sammensætningen af den neutrale atmosfære, der varierer med højden. Under ideelle forhold distribuerede hver komponent sig uafhængigt af de andre. Det vil sige, at den del af let gas vil stige afhængigt af højden. Dette gælder for store højder i termosfæren . Men under ca. 100 km blander bevægelser, der går tilbage til forskellige oprindelser (f.eks. Tidevand) komponenterne, så sammensætningen forbliver den samme overalt, de dominerende komponenter er nitrogen og ilt . Et andet fænomen ændrer sammensætningen i termosfæren dramatisk, nemlig dissociation af molekyler . Dioxygen især omdannes til atomart oxygen , den ionisering, som er forårsaget af en anden del af ultraviolette spektrum . Med disse atomer fører dissociationen af dinitrogen til dannelsen af NO-molekylet. Endelig er der i den meget høje termosfære en overvægt af lette gasser, nemlig Helium og Hydrogen .
Eksistensen af ionosfæren blev demonstreret med de første interkontinentale radiotransmissionseksperimenter. Udbredelsen af radiobølger ved frekvenser mellem et par hundrede kilohertz og et par snesevis af megahertz er tæt forbundet med ionosfærens tilstand. Det kan foretrækkes eller forstyrres afhængigt af frekvensen af radiobølgen, senderens og modtagerens geografiske position samt det øjeblik, hvor kommunikationen forsøges. Tid på dagen, sæsonen og solcyklussen er i nogle tilfælde meget vigtige parametre. Gennem deres permanente projekt "International Reference Ionosphere" (IRI) har Den Internationale Radiovidenskabelige Union (URSI) og Udvalget om Rumforskning (COSPAR) åbnet en temmelig generel verdensmodel, som har været "International Standard" siden 1999.
HF-bølger (også kaldet “korte bølger”) gør det således muligt at etablere forbindelser i meget lange afstande ved at blive reflekteret på visse lag af ionosfæren. For andre frekvenser, såsom MF (også kaldet "mediumbølger"), afhænger udbredelsen sig stærkt af absorptionen forårsaget af D-laget (se ovenfor), hvilket forhindrer, om dagen, at disse bølger reflekteres over lag E og F placeret højere i højden. De meget højfrekvente bølger (VHF, UHF og mikrobølgeovn), der bruges til kommunikation via satellitter, kan også afbøjes eller absorberes af ionosfæren, men dette er normalt ikke en stor forstyrrelse. Se: Formering af radiobølger
Fordi frekvensen i skråt forekomst af ionosfæren reflekteres til højere frekvenser, anvendes højere og højere frekvenser over længere afstande. Dette er gyldigt op til en grænse på grund af jordens krumning, som er i størrelsesordenen ca. 3.500 km . Afstande ud over denne grænse kan ikke opnås med et enkelt humle eller en enkelt refleksion over ionosfæren. For længere afstande er der multirefleksionsveje. Tid og rejse - antal refleksioner - givet, der er en række frekvenser, hvormed en passende binding kan opnås. Det er begrænset opad af "Maksimal anvendelig frekvens" - MUF og nedad af "Lavest anvendelige frekvens" - LUF. Imidlertid bestemmes MUF udelukkende af elektrondensiteten af kun et af refleksionspunkterne, nemlig den med den laveste værdi. På den anden side afhænger LUF af den samlede dæmpning langs stien, der øges med antallet af passager gennem de absorberende lag E og især D. LUF afhænger derfor af senderens styrke og modtagerens følsomhed, modtageren, MUF er uafhængig af det.
De positionering satellitsystemer arbejder i mikrobølgeovn med frekvenser mellem 1 og 2 GHz (L-band). Bølger ved disse frekvenser passerer gennem ionosfæren, men deres forplantning forstyrres stadig af flere effekter:
Effekten af brydning er ubetydelig i de fleste applikationer. Men udbredelsesforsinkelsen er et vigtigt problem for nøjagtigheden af satellitpositionering. Flere korrektionsteknikker er blevet udviklet:
I 2014 for at vurdere virkningerne (og deres tredimensionelle geografiske omfang) af geomagnetiske storme på de tre lag af ækvatorialionosfæren, Olawepo & al. har brugt data fra to afrikanske ækvatoriale ionoprobe-stationer. Disse data gjorde det muligt at finde og undersøge virkningerne og underskrifterne af fire stærke geomagnetiske storme .
Denne type geomagnetisk storm har mere eller mindre markante effekter, men findes på de tre lag i ionosfæren. I de nederste lag af den ækvatoriale ionosfære er virkningerne kun signifikante, når de måles sammenlignet med effekten på niveauet for F2-laget. I lag E varierede ioniseringshøjden fra 0% til + 20,7% (mod -12,5% til + 8,3% for lag F2).
Det er muligt at bruge de data, der transmitteres af jordstationer til delvis at korrigere virkningerne af ionosfæren. Disse stationer kan beregne afvigelsen mellem positionen opnået af en GNSS og stationens nøjagtige kendte position. Den DGPS mener, at afvigelsen af geolocation er tilstrækkelig tæt i samme region for at anvende den samme korrektionen af sin placering som der beregnes af den nærmeste jordstation. Disse korrektioner kan overføres af satellitter, hvilket er tilfældet med mange SBAS- systemer .
Under ovennævnte undersøgelse om reaktionerne fra ionosfærens lag til store geomagnetiske storme, 2007-versionen af stormvejrsmodellen IRI-07, som er den internationale reference til modellering af denne type temperaturvariationer. Ionosfæren gengivet de faktiske stormreaktioner ved lag E godt, men overvurderede de faktiske stormprofiler for lag F1 og F2.
I sommeren 2017 har en raket Falcon 9 fra SpaceX et hul på 900 km i ionosfæren. Dette forårsagede en GPS-fejl i størrelsesordenen 1 m .