Ionosfera

La ionosfera de un planeta es una capa de su atmósfera caracterizada por la ionización parcial de gases . En el caso de la Tierra se ubica entre aproximadamente 60 y 1000  km de altitud y por lo tanto cubre parte de la mesosfera , toda la termosfera y parte de la exosfera .

General

La radiación ultravioleta solar que está en el origen de la ionosfera reacciona en parte de las moléculas atmosféricas amputando un electrón . Esto crea un plasma , que contiene el mismo número de electrones e iones positivos. El electrón, que es luz, recibe una velocidad considerable de modo que el gas electrónico obtiene una temperatura elevada (del orden de mil Kelvins ) muy por encima de la de los iones y neutros. Por tanto, es necesario distinguir, además de la temperatura neutra, estas dos temperaturas de plasma. Dado que existen varias especies de iones, la composición iónica es otro parámetro interesante. Con la densidad de electrones , que es de suma importancia para la propagación de ondas de radio , existen cuatro parámetros que caracterizan al plasma ionosférico.

En 1968, COSPAR encargó a Karl Rawer (1968 - 1984) la formación de un comité responsable de un nuevo proyecto de Ionosfera de Referencia Internacional (IRI), comparable al CIRA ( atmósfera de referencia internacional de COSPAR ), y que continuaría junto con la Radio Internacional. Unión Científica (URSI). En el transcurso de este proyecto, se creó un modelo basado principalmente en experimentos en el suelo y el espacio . Este modelo muestra valores medianos mensuales de los cuatro parámetros que se muestran arriba en función de la altitud, el tiempo, la estación y la actividad solar para diferentes regiones de la tierra. En 1999, URSI reconoció al IRI como estándar internacional para la ionosfera. En el comité, representantes de todos los continentes continúan evaluando nuevos datos con miras a mejorar el modelo.

Histórico

• 1901  : Marconi establece un enlace transatlántico por radio.
• 1902  : Las ondas electromagnéticas se propagan solo en línea recta, al menos en un medio homogéneo. Para explicar cómo las señales radiotelegráficas emitidas por Marconi pudieron eludir la redondez de la Tierra, Heaviside en Inglaterra y Kennelly en América imaginan la existencia a gran altitud de capas reflectantes para ondas de radio: las capas Kennelly-Heaviside .
• 1925  : El físico inglés Appleton demuestra a través de la experiencia la presencia de las capas imaginadas por Heaviside y Kennelly. Estas capas toman el nombre de capa Appleton .
• 1925: Poco después de Appleton, los físicos estadounidenses Gregory Breit y Merle Antony Tuve miden la altura de las capas en la ionosfera utilizando un transmisor de pulsos de radio.
• 1929  : La palabra ionosfera , propuesta por Robert Watson-Watt , reemplaza a la de la capa de Appleton .
• 1931  : Sydney Chapman desarrolla su teoría de la formación de capas de la ionosfera por acción de la radiación UV solar.
• 1999: La Ionosfera de Referencia Internacional , un modelo de la ionosfera de la Tierra, es introducida en 1969 por la Unión Radio-Científica Internacional (URSI) de acuerdo con el Comité de Investigaciones Espaciales (COSpAR), luego se vuelve a discutir y se corrige cada dos años por un comisión internacional especial. Este modelo ha sido un estándar internacional desde 1999.

Descripción

La densidad del aire que forma la atmósfera disminuye a medida que uno se aleja de la superficie del suelo. A una altitud de 60  km , la presión del aire es de solo 2  Pa . La atmósfera más allá de los 60  km actúa como un filtro que absorbe la radiación solar, los rayos ultravioleta y los rayos X cuya energía se absorbe completamente en la termosfera . Así, la superficie terrestre está protegida de estos rayos agresivos, cuya energía se pierde en reacciones que desgarran moléculas ( disociación ) o arrancan un electrón de ellas ( ionización ). La disociación de las moléculas revela átomos de O (provenientes del oxígeno O 2) por un lado, y N (de nitrógeno N 2 ) por otro. La mayoría de estos últimos desaparecen por formación de moléculas de NO . Una parte no insignificante de todos estos componentes neutros está ionizada de modo que en medio de los neutros hay una población de iones diferentes y otra población de electrones libres con el mismo número total.

La ionización muy localizada durante un tiempo muy corto puede ser causada por la caída de meteoritos .

En la parte inferior de la ionosfera, la densidad de las moléculas de aire sigue siendo alta, las colisiones entre electrones e iones son frecuentes; un electrón puede encontrar rápidamente un ion positivo: la recombinación es rápida. En las capas más altas, la recombinación e ionización más lentas disminuye solo lentamente después de que la radiación solar se interrumpe con la puesta del sol .

Estudio

La sonda vertical es una especie de radar cuya frecuencia es variable entre 1 y 30  MHz . El transmisor envía pulsos muy cortos que se reflejan a una altitud que depende de la frecuencia y la densidad de electrones en la ionosfera. La medida del tiempo que separa el pulso transmitido y la recepción del eco permite calcular la altitud a la que tuvo lugar la reflexión. La gráfica de esta altitud (virtual) en función de la frecuencia es un ionograma . La Unión Radiocientífica Internacional (URSI) ha elaborado una instrucción para el examen de dichas grabaciones, traducida al chino, francés, japonés y ruso y que se sigue en todo el mundo.

Desde la década de 1960 , los satélites artificiales y las sondas espaciales (ionosondas) han proporcionado una mejor comprensión in situ de los fenómenos ionosféricos y sus interacciones con la magnetosfera .

Además, durante estos mismos años, se ha desarrollado una nueva técnica para estudiar la ionosfera desde el suelo: la dispersión incoherente . En esta técnica, se emite una onda UHF (400  MHz a 1  GHz según la instalación) de muy alta potencia (varios cientos de kW) hacia la ionosfera donde es difundida en todas direcciones por los electrones ionosféricos. La potencia recibida en tierra a cambio es muy baja y requiere grandes antenas y procesamiento de señales para extraer la información. Esta técnica proporciona acceso a la composición de la ionosfera, la temperatura de los iones, así como las velocidades de movimiento de estos iones (“vientos ionosféricos”). Se instalaron sirenas en Francia en Saint-Santin-de-Maurs con tres receptores, incluido el radiotelescopio en Nançay , en Gran Bretaña en Malvern, en Estados Unidos en Millstone Hill y Arecibo (Puerto Rico), en Perú en Jicamarca, también como en Rusia . Los tres últimos, así como Eiscat , la encuestadora europea con sede en el extremo norte de Escandinavia , siguen activos.

La 19 de octubre de 1954, durante el día, un receptor a bordo de un cohete francés Véronique registró emisiones de onda media de dos transmisores distantes (en tierra) y pudo determinar dos límites inferiores claramente marcados de la densidad de electrones a 72 y 81  km de altitud.

Un instrumento transportado por un cohete de la NASA determinó el límite entre la atmósfera y la ionosfera durante las condiciones de la aurora a 118  km de altitud (en la trayectoria de este cohete). Esta información podría ser importante para comprender el clima. Otras tres medidas están previstas para 2010 como parte de la misión Swarm de la Agencia Espacial Europea .

Estratificación

Generalmente hay tres capas con propiedades específicas en relación con la propagación de ondas .

• Capa D  : altura de 60 a 90  kilometro , presión 2  Pa , temperatura -76  ° C , la densidad de electrones 10 4  cm -3 . Compuesto por iones poliatómicos. Absorbiendo ondas de frecuencia de menos de unos pocos MHz, aparece con la salida del sol y desaparece inmediatamente después de la puesta del sol.
• Capa E , o Kennely - Heaviside capa  : altitud 90 a 120  kilometros , la presión de 0,01  Pa , temperatura -50  ° C , la densidad de electrones de 10 5  cm -3 . Compuesto por oxígeno molecular ionizado y monóxido de nitrógeno e iones meteoríticos. Diurno y presente durante todo el ciclo solar. Refleja ondas de unos pocos MHz hasta una frecuencia límite que depende del ángulo de incidencia de la onda sobre la capa y de la densidad de esta última. Durante el verano, en latitudes medias, a veces aparecen durante unas decenas de minutos, o incluso unas horas, "nubes" fuertemente ionizadas en la capa E (hablamos de E o Es esporádicas ).
• Capa F  : altitud de 120 a 800  km , presión 10 −4  Pa , temperatura 1000  ° C , densidad de electrones 10 6  cm −3 . Compuesto por átomos de oxígeno, nitrógeno e hidrógeno. Muy dependiente de la actividad solar, presenta un altísimo nivel de ionización durante los máximos del ciclo solar . Su altitud fluctúa según la radiación solar; la capa F se descompone durante el día en dos subcapas F1 y F2. Estas dos subcapas se recombinan por la noche varias horas después de la puesta del sol, pero a veces persisten durante la noche durante el pico de actividad solar. En cuanto a la capa E , el papel de la capa F es fundamental para la propagación de ondas cortas .

La radiación solar y el mecanismo de creación de capas.

La atmósfera superior de un planeta está sujeta a una fuerte influencia externa, a saber, la radiación de la estrella central. Consecuencia de esto: la atmósfera no está en un estado de equilibrio. La radiación, desde ultravioleta a rayos X, altera seriamente las condiciones de equilibrio de la atmósfera al desgarrar las moléculas ( disociación ) o al arrebatarles un electrón ( ionización ). También existen procesos inversos, como la recombinación mediante el encuentro de partículas separadas ( colisión ). La probabilidad de estos procesos disminuye al aumentar la altitud. Sin embargo, sin radiación solar, la composición de la atmósfera de la Tierra es idéntica en todas partes a la de la troposfera . De hecho, por debajo de unos 150  km , el corte de radiación nocturno produce una rápida disminución de la ionización , mientras que por encima tiene consecuencias menos graves. Tenga en cuenta también que el porcentaje de iones en relación con los neutrales permanece bajo en todas partes.

De día, por la compleja interacción de disociación, ionización y recombinación, se forman dos grandes regiones más o menos fuertemente ionizadas; la más baja entre unos 60  km y 150  km (capas D y E), la otra en la termosfera . En el perfil de ionización, finalmente hay un único máximo por la noche. De día nos encontramos con dos o tres, a saber: a veces uno en la capa D (poco marcado), otro siempre en E, y el más importante en F2. (La llamada capa F1 es sólo una deformación del perfil, muy raramente un máximo separado). Para la propagación de ondas de radio, el valor del máximo F2 es de la mayor importancia.

Gas de ionosfera

Para explicar la formación de capas ionizadas, es importante conocer la composición de la atmósfera neutra, que varía con la altitud. En condiciones ideales, cada componente se distribuiría independientemente de los demás. Es decir, la parte de gas ligero aumentaría en función de la altitud. Esto es cierto para las grandes altitudes de la termosfera . Pero, por debajo de unos 100  km , los movimientos que se remontan a diferentes orígenes (por ejemplo, mareas) mezclan los componentes de modo que la composición sigue siendo la misma en todas partes, los componentes predominantes son el nitrógeno y el oxígeno . Otro fenómeno cambia drásticamente la composición de la termosfera, a saber, la disociación de moléculas . El dioxígeno en particular se transforma en oxígeno atómico , cuya ionización es causada por otra parte del espectro ultravioleta . Con estos átomos, la disociación del dinitrógeno conduce a la formación de la molécula de NO. Finalmente, en la termosfera muy alta, hay una preponderancia de gases ligeros, a saber, helio e hidrógeno .

Radiación solar

Partículas solares

Estratificación en equilibrio

Ionosfera y ondas de radio

La existencia de la ionosfera se demostró con los primeros experimentos de transmisión de radio intercontinentales. La propagación de ondas de radio a frecuencias entre algunos cientos de kilohercios y algunas decenas de megahercios está estrechamente relacionada con el estado de la ionosfera. Puede verse favorecido o perturbado en función de la frecuencia de la onda de radio, la posición geográfica del transmisor y del receptor, así como el momento en que se intenta la comunicación. La hora del día, la estación y el ciclo solar son parámetros muy importantes en algunos casos. A través de su proyecto permanente "Ionosfera de referencia internacional" (IRI), la Unión Radiocientífica Internacional (URSI) y el Comité de Investigaciones Espaciales (COSPAR) han abierto un modelo mundial bastante general que ha sido "Estándar Internacional" desde 1999.

Así, las ondas HF (también llamadas “ondas cortas”) permiten establecer enlaces a distancias muy largas al reflejarse en determinadas capas de la ionosfera. Para otras frecuencias, como las ondas MF (también llamadas "ondas medias"), la propagación depende en gran medida de la absorción provocada por la capa D (ver arriba) que evita, durante el día, que estas ondas se reflejen en las capas E y F ubicado a mayor altitud. Las ondas de muy alta frecuencia (VHF, UHF y microondas) que se utilizan para las comunicaciones a través de satélites también pueden ser desviadas o absorbidas por la ionosfera, pero esto no suele ser una gran perturbación. Ver: Propagación de ondas de radio.

Relación entre tiempo y distancia, MUF y LUF

Debido a que en la incidencia oblicua el rango de frecuencias reflejado por la ionosfera se desplaza a frecuencias más altas, se aplican frecuencias cada vez más altas para distancias más largas. Esto es válido hasta un límite debido a la curvatura de la tierra, que es del orden de aproximadamente 3500  km . Las distancias más allá de este límite no se pueden alcanzar con un solo salto o una sola reflexión en la ionosfera. Para distancias más largas, existen las rutas de reflexión múltiple. Tiempo y viaje - número de reflexiones - dado, existe un rango de frecuencias mediante el cual se puede obtener un enlace adecuado. Está limitado hacia arriba por la "Frecuencia máxima utilizable" - MUF y hacia abajo por la "Frecuencia utilizable más baja" - LUF. Sin embargo, la MUF está determinada exclusivamente por la densidad electrónica de solo uno de los puntos de reflexión, a saber, el que tiene el valor más bajo. Por otro lado, la LUF depende de la atenuación total a lo largo del camino que aumenta con el número de pasos a través de las capas absorbentes E y especialmente D. La LUF por lo tanto depende de la potencia del transmisor y de la sensibilidad. Del receptor, la MUF es independiente de ella.

Ionosfera y GPS / GNSS

Los sistemas de satélites de posicionamiento que trabajan en microondas con frecuencias entre 1 y 2 GHz (banda L). Las ondas en estas frecuencias pasan a través de la ionosfera, pero su propagación aún se ve perturbada por varios efectos:

• En un medio cargado eléctricamente, las ondas se ralentizan (en comparación con la velocidad de la luz en el vacío). Este retardo de propagación puede provocar un error en la medida de las pseudodistancias entre los satélites y el receptor GPS , del orden de 10 a 20 metros en el caso general y hasta 100 metros para condiciones ionosféricas excepcionales.
• La ionosfera provoca una rotación de la polarización de las ondas lineales, el valor de esta rotación es variable según la carga eléctrica atravesada. En el caso de que la polarización de la onda que llega al suelo gire 90 ° con respecto a la polarización de la antena del receptor, la antena no recibiría ninguna señal GPS. Es por eso que los satélites emiten una onda con polarización circular derecha (rotación de Faraday).
• La refracción en la ionosfera desvía la trayectoria de las ondas, que se desvía de la línea recta geométrica entre el satélite y el suelo.

El efecto de la refracción es insignificante en la mayoría de las aplicaciones. Pero el retardo de propagación es un problema importante para la precisión del posicionamiento por satélite. Se han desarrollado varias técnicas de corrección:

Reacciones de la ionosfera a tormentas geomagnéticas

En 2014 , para evaluar los efectos (y su extensión geográfica tridimensional) de las tormentas geomagnéticas en las tres capas de la ionosfera ecuatorial, Olawepo & al. han utilizado datos de dos estaciones de ionosonda ecuatoriales africanas. Estos datos permitieron encontrar y estudiar los efectos y firmas de cuatro fuertes tormentas geomagnéticas .

Este tipo de tormenta geomagnética tiene efectos más o menos marcados, pero se encuentran en las tres capas de la ionosfera. En las capas inferiores de la ionosfera ecuatorial, los efectos solo son significativos cuando se comparan con el efecto al nivel de la capa F2. En la capa E, la altura de ionización varió de 0% a + 20,7% (frente a -12,5% a + 8,3% para la capa F2).

Plantillas

Es posible utilizar los datos transmitidos por las estaciones terrestres para corregir parcialmente los efectos de la ionosfera. Estas estaciones pueden calcular la desviación entre la posición obtenida por un GNSS y la posición exacta conocida de la estación. La DGPS considera que la desviación de la geolocalización es suficientemente cercana en la misma región para aplicar la misma corrección a su posicionamiento que la calculada por la estación terrestre más cercana. Estas correcciones pueden transmitirse por satélite, como ocurre con muchos sistemas SBAS .

Durante el estudio mencionado anteriormente, sobre las reacciones de las capas de la ionosfera a las grandes tormentas geomagnéticas, la versión 2007 del modelo meteorológico de tormentas IRI-07, que es la referencia internacional para la modelización de este tipo de variación de temperatura. las respuestas reales a las tormentas en el pozo de la capa E, pero sobrestimaron los perfiles de tormenta reales para las capas F1 y F2.

Impactos antropogénicos en la ionosfera

En el verano de 2017 , un cohete Falcon 9 de SpaceX tiene un agujero de 900  km en la ionosfera. Esto provocó un error de GPS del orden de 1  m .

Usando dos frecuencias

Fuentes

• J. Lilensten y P.-L. Blelly, Du Soleil à la Terre, Aeronomy and Space Meteorology , Collection Grenoble Sciences, Université Joseph Fourier Grenoble I, 2000 ( ISBN  9782868834676 ) .
• P.-L. Blelly y D. Alcaydé, Ionosphere , en: Y. Kamide / A. Chian, Manual del medio ambiente solar-terrestre , Springer-Verlag Berlin Heidelberg, págs. 189-220, 2007. DOI: 10.1007 / 11367758_8.
• K. Rawer, Waves in the Ionosphere , Kluwer Acad. Public., Dordrecht, 1993 ( ISBN  0-7923-0775-5 ) .

Notas y referencias

1. (en) "  International Reference Ionosphere  " en ccmc.gsfc.nasa.gov (consultado el 30 de mayo de 2010 )
2. D. Bilitza: 35 años de ionosfera de referencia internacional: el legado de Karl Rawer . Adv. Radio Sci. 2 págs. 283-287, 2004
3. [1]
4. WRPiggott, K. Rawer (eds.): Manual URSI de interpretación y reducción de iogramas . Elsevier Publ. Comp., Amsterdam 1961
5. H. Mende, K. Rawer, E. Vassy, Absorción radioeléctrica por la ionosfera medida a bordo de un cohete , informes, (París) 13, p.231-233 1957
6. SII (Suprathermal Ion Imager) fue lanzado en enero de 2007 por el cohete JOULE II
7. L. Sangalli, DJ Knudsen, MF Larsen, T. Zhan, RF Pfaff y D. Rowland, Medidas basadas en cohetes de velocidad iónica, viento neutro y campo eléctrico en la región de transición de colisión de la ionosfera auroral , 2009, J. Geophys. Res., 114, A04306, doi: 10.1029 / 2008JA013757
8. Karl Rawer: La ionosfera . Ungar, Nueva York 1956
9. ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/ionos/iri.html
10. ( .) [2] Estándar de rendimiento de GPS SPS en la página A-16
11. (en) JA Klobuchar, efectos ionosféricos en navegación por satélite y sistema de control de tráfico aéreo , serie AGARD conferencia n ° 93, 1978
12. (en) AO Olawepo y JO Adeniyi , “  Firmas de fuertes tormentas geomagnéticas en la latitud ecuatorial  ” , Avances en la Investigación Espacial , vol.  53, n o  7,abril de 2014, p.  1047-1057 ( DOI  10.1016 / j.asr.2014.01.012 , leído en línea , consultado el 29 de octubre de 2020 )
13. Gigantescas ondas acústicas de choque circular en la ionosfera desencadenadas por el lanzamiento del satélite FORMOSAT - 5 DOI: 10.1002 / 2017SW001738 .