Ionosphère

L'ionosphère est la partie la plus élevée de l'atmosphère , distinguée parce que c'est ionisé par par rayonnement solaire. Elle joue une part importante dans l'électricité atmosphérique et forme le bord intérieur de la magnétosphère . Elle a l'importance pratique parce que, entre d'autres fonctions, elle influence la propagation radioélectrique aux endroits éloignés sur la terre. Elle est située dans le Thermosphere.

Géophysique

La partie la plus inférieure de l'atmosphère terrestre s'appelle la troposphère et elle s'étend de la surface jusqu'environ 10 au le kilomètre (6 milles). L'atmosphère au-dessus de 10 kilomètres s'appelle la stratosphère , suivie du Mesosphere . C'est dans la stratosphère que le rayonnement solaire entrant crée la couche d'ozone . Aux tailles des 80 kilomètres ci-dessus (50 milles), dans le Thermosphere , l'atmosphère est tellement légèrement que les électrons libres peuvent exister pendant des courtes périodes avant qu'ils soient capturés par un ion positif voisin . Le nombre de ces électrons libres est suffisant pour affecter la propagation radioélectrique . Cette partie de l'atmosphère est ionisé par et contient un plasma qui désigné sous le nom de l'ionosphère. Dans un plasma, les électrons libres négatifs et les ions positifs sont attirés entre eux par la force électromagnétique, mais ils sont trop énergiques pour rester fixes ensemble dans une molécule électriquement neutre.

Le rayonnement solaire au ultra-violet (UV) et aux longueurs d'onde plus courtes du rayon X est considéré ionisant puisque les photons à ces fréquences sont capables de déloger un électron d'un atome neutre de gaz ou de la molécule pendant une collision. En même temps, cependant, un processus de opposition appelé la recombinaison commence à avoir lieu dans ce qu'un électron libre est " ; captured" ; par un ion positif s'il se déplace assez étroitement à lui. À mesure que la densité de gaz augmente aux basses altitudes, le procédé de recombinaison accélère puisque les molécules et les ions de gaz sont plus étroits ensemble. Le point d'équilibre entre ces deux processus détermine le degré de présent d'ionisation à un moment donné.

L'ionisation dépend principalement du Sun et de son activité . La quantité d'ionisation dans l'ionosphère varie considérablement avec la quantité de rayonnement reçue du soleil. Ainsi il y a un effet journalier du (heure) et un effet saisonnier. L'hémisphère local d'hiver est incliné à partir du Sun, ainsi il y a moins de rayonnement solaire reçu. L'activité du soleil est associée au cycle de tache solaire de , avec plus de rayonnement se produisant avec plus de taches solaires. Le rayonnement reçu également varie avec des zones géographiques d'endroit (polaire, auroral, des latitudes moyennes, et des régions équatoriales). Il y a également des mécanismes qui touchent à l'ionosphère et diminuent l'ionisation. Il y a des perturbations telles que les éruptions chromosphériques et le dégagement associé des particules chargées dans le vent solaire qui atteint la terre et agit l'un sur l'autre avec son champ géomagnétique du .

Les couches ionosphériques

Le rayonnement solaire, agissant sur les différentes compositions de l'atmosphère avec la taille, produit des couches d'ionisation :

Couche de D

La couche du D est la couche les plus secrets, 50 kilomètres à 90 kilomètres au-dessus de la surface de la terre. L'ionisation ici est due à la série de Lyman - alpha rayonnement d'hydrogène à une longueur d'onde 121.5 de l'oxyde nitrique s'ionisant (NON) de de Nanometre (nanomètre) de . En outre, quand le soleil est en activité avec 50 taches solaires ou plus, le dur radiographie (longueur d'onde < 1 nanomètre) ionisent l'air (N₂, O₂). Pendant le produit des rayonnements de nuit par quantité résiduelle d'ionisation. La recombinaison est haute dans cette couche, ainsi l'effet d'ionisation net est très bas et en conséquence les ondes radio (HF) à haute fréquence ne sont pas reflétées par la couche de D. La fréquence de la collision entre les électrons et d'autres particules dans cette région pendant le jour est environ 10 millions de collisions par seconde. La couche de D est principalement responsable de l'absorption de des vagues de radio O.dam, En particulier à 10 mégahertz et ci-dessous, avec une absorption progressivement plus petite car la fréquence obtient plus haut. L'absorption est petite la nuit et la plus grande au sujet du midi. La couche réduit considérablement après coucher du soleil, mais demeure due aux rayonnements galactiques A de l'exemple que commun de la couche de D dans l'action est la disparition des stations éloignées de la bande d'émission de d'AM pendant la journée.

Couche d'E

La couche du E est la couche moyenne, 90 kilomètres à 120 kilomètres au-dessus de la surface de la terre. L'ionisation est due au rayon X mou (1-10 nanomètre) et à l'ionisation loin (UV) ultra-violette de rayonnement solaire de l'oxygène moléculaire (O₂) de . Cette couche peut seulement refléter les ondes radio ayant des fréquences moins qu'environ 10 mégahertz. Elle a un effet négatif sur des fréquences au-dessus de 10 mégahertz de dû à son absorption partielle de ces vagues. La structure verticale de la couche d'E est principalement déterminée par les effets de concurrence de l'ionisation et de la recombinaison. La nuit la couche d'E commence à disparaître parce que la source primaire d'ionisation n'est plus présente. Ceci a comme conséquence une augmentation de la taille où la couche maximise parce que la recombinaison est plus rapide dans les couches inférieures. Les changements journaliers des vents neutres d'haute altitude joue également un rôle. L'augmentation de la taille du maximum de couche d'E augmente la gamme à laquelle les ondes radio peuvent voyager par réflexion de la couche.

Cette région est également connue comme couche de la couche de Kennelly-Heaviside de ou simplement couche de Heaviside. Son existence a été prévue en 1902 indépendamment et presque simultanément par le américain Arthur Edwin Kennelly (1861-1939) d'ingénieur électrique et le britannique Oliver Heaviside (1850-1925) de physicien. Cependant, ce n'était pas jusqu'en 1924 que son existence a été détectée par le Edouard V.

E_S

La couche d'E_s ou l'E-couche sporadique. La propagation sporadique du E est caractérisée par les petits nuages de l'ionisation intense, qui peuvent soutenir des réflexions d'onde radio de 25 - 225 mégahertz. Les événements mai dernier Sporadique-e pendant juste quelques minutes à plusieurs heures et rendent les amateurs par radio très excited, comme chemins de propagation qui sont généralement inaccessibles, peuvent s'ouvrir. Il y a des causes multiples de sporadiques-e qui sont toujours en train d'être poursuivis par des chercheurs. Cette propagation se produit plus souvent pendant les mois d'été avec des occurrences importantes pendant l'été, et des occurrences mineures pendant l'hiver. Pendant l'été, ce mode est dû populaire à ses niveaux élevés de signal. Les distances de saut sont généralement environ 1000km (620 milles). L'émission DX'ers de VHF TV et de FM deviennent également excited pendant que leurs signaux peuvent être rebondis de nouveau à la terre par es. Les distances pour des événements courts d'houblon peuvent être aussi étroitement que 500 milles ou jusqu'à 1.400 (ou plus) pour un long, simple houblon. la réception de Douple-houblon plus de 2.000 milles est possible, aussi.

Couche de F

La couche du F ou la région, également connue sous le nom de couche d'Appleton, est de 120 kilomètres à de 400 kilomètres au-dessus de la surface de la terre. C'est le dessus la plupart de couche de l'ionosphère. Ici (10-100 (UV) nanomètre) le rayonnement solaire ultra-violet extrême ionise l'oxygène atomique (o). La région de F est la plupart de part importante de l'ionosphère en termes de communications d'à haute fréquence. La couche de F combine dans une couche la nuit, et en présence de la lumière du soleil (pendant la journée), elle se divise en deux couches, F₁ et F₂. Les couches de F sont responsables de la plupart de propagation de l'onde ionosphérique des vagues de la radio , et sont le plus profondément et les plus r3fléchissantes de la radio du côté de la terre faisant face au soleil.

De la NASA 1972-1975 lancée AEROS et satellites d'AEROS B pour étudier la F-région.

Modèle ionosphérique

La communauté de physique de l'atmosphère contribue à la définition et à l'entretien d'un modèle ionosphérique : l'ionosphère internationale de référence, par une série de comités et de conférences scolaires. Pendant que les découvertes sont faites et courantes, le modèle est amélioré. (IRI85-6)

Anomalies au modèle idéal

Les rapports ci-dessus ont supposé que chaque couche était lisse et uniforme. En réalité l'ionosphère est une couche grumeleuse et nuageuse avec les pièces rapportées irrégulières de l'ionisation.

Anomalie d'hiver

Aux latitudes moyennes, la production de jour d'ion de couche de F₂ est plus haute en été, comme prévu, puisque le soleil brille plus directement sur la terre. Cependant, il y a des changements saisonniers du rapport moléculaire-à-atomique de l'atmosphère neutre qui rendent le taux de perte d'ion d'été encore plus haut. Le résultat est que l'augmentation de la perte d'été accable l'augmentation de la production d'été, et l'ionisation du total F₂ est réellement inférieure, non plus haute, en mois locaux d'été. Cet effet est connu comme anomalie d'hiver. L'anomalie est toujours présente dans l'hémisphère nord, mais est habituellement absente dans l'hémisphère sud au cours des périodes de basse activité solaire.

Anomalie équatoriale

Dans approximativement le ± 20 degrés de l'équateur magnétique de , est l'anomalie équatoriale du de . C'est l'occurrence d'une cuvette d'ionisation concentrée dans la couche de F₂. Les lignes du champ magnétique du de la terre sont horizontales à l'équateur magnétique. Le chauffage solaire et les oscillations de marée du dans l'ionosphère inférieure déplacent le plasma vers le haut et à travers des lignes de champ magnétique. Ceci a installé une feuille de courant électrique dans la région d'E qui, avec le champ magnétique horizontal du , force l'ionisation vers le haut dans la couche de F, concentrant au ± 20 degrés de l'équateur magnétique. Ce phénomène est connu comme fontaine équatoriale de .

Perturbations ionosphériques

Rayons X : perturbations ionosphériques soudaines (SID)

Quand le soleil est en activité, les éruptions chromosphériques fort peuvent se produire qui frapperont la terre avec les rayons X durs du côté sunlit de la terre. Elles pénétreront à la D-région, libèrent les électrons qui augmenteront rapidement l'absorption causant (3-30 mégahertz) une panne d'électricité par radio à haute fréquence. Pendant ce temps (3 - 30 kilohertz) les signaux très de basse fréquence deviendront reflétés par la couche de D au lieu de la couche d'E, où la densité atmosphérique accrue augmentera habituellement l'absorption de la vague, et l'amortissent ainsi. Dès que les rayons X finiront, la perturbation ionosphérique soudaine (Sid) de ou la panne d'électricité par radio finit pendant que les électrons dans la D-région recombinent rapidement et des forces de signal reviennent à la normale.

Protons : absorption dans la calotte polaire (PCA)

Associé aux éruptions chromosphériques est un dégagement des protons de grande énergie. Ces particules peuvent frapper la terre dans un délai de 15 minutes à 2 heures de l'éruption chromosphérique. Les protons se développent en spirales autour et avalent les lignes de champ magnétique de la terre et pénètrent dans l'atmosphère près des pôles magnétiques augmentant l'ionisation des couches de D et d'E. Les APC durent typiquement n'importe où environ d'une heure à plusieurs jours, avec une moyenne d'environ 24 à 36 heures.

Orages géomagnétiques

Un orage géomagnétique est une perturbation intense provisoire de la magnétosphère du de la terre.
Pendant un orage géomagnétique la couche de F₂ deviendra instable, fragment, et peut même disparaître complètement.
Dans les régions nordiques et méridionales de poteau de l'aurore de de la terre sera observable dans le ciel.

Foudre

La foudre peut causer des perturbations ionosphériques dans la D-région une de deux manières. Le premier est par les ondes radio de fréquence de très basse fréquence lancées dans la magnétosphère . Ces soi-disant " ; whistler" ; les vagues de mode peuvent agir l'un sur l'autre avec des particules de ceinture de radiations et les faire précipiter sur l'ionosphère, ajoutant l'ionisation à la D-région. Ces perturbations s'appellent les événements Foudre-induits de la précipitation d'électron (LEP).

L'ionisation additionnelle peut également se produire du chauffage/d'ionisation directs en raison des mouvements énormes de charge dans des grèves surprise. Ces événements s'appellent tôt/rapide.

Application par radio < ! -- Cette section est liée du triple J -->

La communication du DX, populaire parmi les fervents d'amateur de la radio , est une limite donnée à la communication au-dessus de grandes distances. En employant les bandes à haute fréquence, l'ionosphère est utilisée pour refléter le faisceau radioélectrique transmis. Le faisceau revient à la surface terrestre, et peut alors être reflété de nouveau dans l'ionosphère pour un deuxième rebond.

Le par radio ondule le " ; " de l'houblon ; de la terre à l'ionosphère et de nouveau à la terre. Quand une onde radio atteint l'ionosphère, le champ électrique dans la vague force les électrons dans l'ionosphère dans l'oscillation à la même fréquence que l'onde radio. Une partie de l'énergie d'onde radio est indiquée jusqu'à cette oscillation mécanique. L'électron de oscillation sera alors perdu à la recombinaison ou rerayonnera le dos original d'énergie en bas encore. La réflexion totale peut se produire quand la fréquence de collision de l'ionosphère est moins que la radiofréquence, et si la densité d'électrons dans l'ionosphère est assez grande.

La fréquence critique est la fréquence limiteuse à ou au-dessous de ce qu'une onde radio est reflétée par une couche ionosphérique à l'incidence verticale . Si la fréquence transmise est plus haute que la fréquence de plasma de de l'ionosphère, alors les électrons ne peuvent pas répondre assez rapidement, et ils ne peuvent pas rerayonner le signal. On le calcule comme montré ci-dessous :

$f_ {critique} = 9 \ période 10^ {- 3} \ racine carrée {N}$

là où N = densité d'électrons par cm³ et f_critical est en mégahertz.

La fréquence utilisable maximum (MUF) est définie comme limite supérieure de fréquence qui peut être employée pour la transmission entre deux points à une fois spécifique. = de $f_ de {muf} \ frac {f_ {critique}} {\ péché \ alpha}$

là où le $\ alpha$ = angle d'attaque , l'angle de la vague relativement à l'horizon , et péché est la fonction du sinus .

La fréquence de coupure est la fréquence au-dessous dont une onde radio ne pénètre pas une couche de l'ionosphère à l'angle d'incidence exigé pour la transmission entre deux points spécifiques par réflexion de la couche.

D'autres applications

La longe de l'espace de du système ouvert , qui emploie l'ionosphère, est recherchée. La longe de l'espace emploie les conjoncteurs de plasma et l'ionosphère comme pièces d'un circuit pour extraire l'énergie à partir du champ magnétique de la terre par l'induction électromagnétique .

Mesures

Ionogrammes

Les ionogrammes montrent les tailles et le virtuels les fréquences critiques des couches ionosphériques et ce qui sont mesurés par un Ionosonde . Un ionosonde balaye une gamme des fréquences, habituellement de 0.1 à 30 mégahertz, transmettant à l'incidence verticale à l'ionosphère. À mesure que la fréquence augmente, chaque vague est réfractée moins par l'ionisation dans la couche, et ainsi chacune pénètre plus loin avant qu'on le reflète. Par la suite, on atteint une fréquence qui permet le saluer pénètrent la couche sans être reflété. Pour les vagues ordinaires de mode, ceci se produit quand la fréquence transmise juste dépasse le plasma maximal, ou critique, fréquence de la couche. Des tracés des impulsions par radio à haute fréquence reflétées sont connus comme ionogrammes.

Radars incohérents d'éparpillement

Flux solaire

Le flux solaire est une mesure de l'intensité des émissions par radio solaires à une fréquence de 2800 mégahertz faits using un radiotélescope situé dans le Ottawa , Canada. Connu également comme flux de 10.7 cm (la longueur d'onde des signaux par radio à 2800 mégahertz), cette émission par radio solaire s'est avérée proportionnelle à l'activité de tache solaire. Cependant, le niveau de l'ultraviolet du soleil et des émissions de rayon X est principalement responsable de causer l'ionisation dans l'atmosphère de la terre. Nous avons maintenant des données du VA le vaisseau spatial de qui mesure le flux de rayon X de de fond provenant du soleil, un paramètre plus étroitement lié aux niveaux d'ionisation dans l'ionosphère.
Le A de et les index du K de sont une mesure du comportement du composant horizontal du champ géomagnétique . L'index du K emploie une balance de 0 à 9 pour mesurer le changement du composant horizontal du champ géomagnétique. Un nouvel index du K est déterminé à l'observatoire de la montagne de Tableau de , nord de Boulder , le Colorado .
Les niveaux d'activité géomagnétiques de la terre sont mesurés par la fluctuation du champ magnétique de la terre dans des unités du SI appelées le Tesla (unité) s (ou en gauss non-SI, particulièrement en littérature plus ancienne). Le champ magnétique de la terre est mesuré autour de la planète par beaucoup d'observatoires. Les données recherchées sont transformées et tournées en index de mesure. Des mesures quotidiennes pour la planète entière sont rendues disponibles par une évaluation de l'index du AP , appelée le l'Un-index planétaire (PAI).

Recherche scientifique sur la propagation ionosphérique

Les scientifiques également explorent la structure de l'ionosphère par une large variété de méthodes, y compris des observations passives des émissions optiques et par radio produites dans l'ionosphère, rebondissant les ondes radio des fréquences différentes de elle, des radars incohérents d'éparpillement tels que les radars d'EISCAT, de Sondre Stromfjord, de colline de meule, d'Arecibo, et de Jicamarca, radars logiques d'éparpillement tels que les radars auroraux duels superbes de réseau de radar de (SuperDARN) , et employant les récepteurs spéciaux pour détecter comment les vagues reflétées ont changé des vagues transmises.

Une série d'expériences, telles que HAARP (programme auroral en cours d'utilisation à haute fréquence de recherche de ), impliquent les émetteurs radioélectriques de puissance élevée pour modifier les propriétés de l'ionosphère. Ces investigations se concentrent sur étudier les propriétés et le comportement du plasma ionosphérique, avec l'emphase particulière sur pouvoir le comprendre et employer pour augmenter des communications et des systèmes de surveillance pour des buts de civil et de défense. HAARP a été commencé dans 1993 comme expérience de vingt ans proposée, et est actuellement - Gakona proche actif, Alaska. Il y a de souci parmi beaucoup de membres de la communauté scientifique concernant les dangers impliqués en touchant à l'ionosphère.

Le projet de radar de SuperDARN recherche le high- et les latitudes moyennes using la rétrodiffusion logique des ondes radio en 8 à 20 mégahertz de gamme. La rétrodiffusion logique est semblable à la dispersion de Bragg dans les cristaux et comporte l'interférence constructive de la dispersion des irrégularités ionosphériques de densité. Le projet comporte plus de 11 pays différents et radars multiples dans les deux hémisphères.

Les scientifiques examinent également l'ionosphère par les changements aux ondes radio des satellites et des étoiles passant par elle. Le radiotélescope d'Arecibo de situé dans le Porto Rico , a été à l'origine prévu pour étudier l'ionosphère de la terre.

Histoire

Le Guglielmo Marconi a reçu le premier signal par radio transatlantique le 12 décembre , le 1901 , dans la rue John de , Terre-Neuve (maintenant dans Canada ) using une antenne cerf--soutenue 400 par pieds pour la réception. La station de transmission dans le Poldhu , Cornouailles a employé un émetteur d'étinceler-espace pour produire un signal avec une fréquence approximativement 500 du kilohertz et une puissance 100 fois de davantage que n'importe quel signal par radio a précédemment produit. Le message reçu était trois points, le code Morse pour le S de lettre. Pour atteindre Terre-Neuve le signal devrait rebondir outre de l'ionosphère deux fois. Jack Belrose a récemment contesté ceci, cependant, basé sur le travail théorique et expérimental. Cependant, Marconi a réalisé des communications sans fil transatlantiques au delà d'une ombre de doute dans le compartiment Glace un an après.

En 1902, le Oliver Heaviside a proposé l'existence de la couche de Kennelly-Heaviside de de l'ionosphère qui porte son nom. La proposition de Heaviside a inclus les moyens par lesquels des signaux par radio sont transmis autour de la courbure de la terre. La proposition de Heaviside, ajoutée à la loi de Planck du rayonnement de corps noir, a pu avoir entravé la croissance de la radioastronomie pour la détection des ondes électromagnétiques électromagnétiques des corps célestes jusqu'en 1932 (et le développement des émetteurs récepteurs par radio à haute fréquence). Également dans le 1902 , le Arthur Edwin Kennelly a découvert certaines des propriétés radio-électriques de l'ionosphère.

En 1912, le congrès des États-Unis de a imposé l'acte de radio de de 1912 aux opérateurs par radio d'amateur, limitant leurs opérations aux fréquences au-dessus de 1.5 mégahertz (longueur d'onde 200 mètres ou plus petits). Le gouvernement a pensé que ces fréquences étaient inutiles. Ceci a mené à la découverte de la propagation de radio O.dam Par l'intermédiaire de l'ionosphère en 1923.

En 1926, le Watson-Watt écossais de Robert de de physicien a présenté l'ionosphère limite dans une lettre éditée seulement en 1969 en nature de :

Nous avons en années tout à fait récentes vues l'adoption universelle de la stratosphère de `de limite'. troposphère de `de limite de compagnon de .the'… Ionosphère principale de `de limite', pour la région dans laquelle la la caractéristique est ionisation de large échelle avec de libres parcours moyens considérables, semble appropriée comme addition à cette série. Appleton a été attribué en 1947 un prix Nobel pour sa confirmation de l'existence de l'ionosphère en 1927. Lloyd que Berkner a mesuré la première fois la taille et la densité de l'ionosphère. Ceci a permis la première théorie complète de propagation radioélectrique de vague courte. Ratcliffe ont recherché la matière de la propagation radioélectrique des ondes radio très longues dans l'ionosphère. Le Vitaly Ginzburg a développé une théorie de propagation d'onde électromagnétique électromagnétique dans les plasmas tels que l'ionosphère.

Dans 1962 le satellite canadien Alouette du 1 a été lancé pour étudier l'ionosphère. Après son succès étaient le Alouette 2 en 1965 et les deux satellites d'ISIS en 1969 et 1971, tous pour mesurer l'ionosphère.

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