Ionosfera

Întreaga atmosferă a Pământului, cu subdiviziunile sale, cele mai tipice fenomene și tehnologii umane (mărește).

Ionosfera, imagini NASA

Ionosfera este centura atmosferei terestre în care radiațiile Soarelui și, într-o măsură mult mai mică, razele cosmice care provin din spațiu, provoacă ionizarea gazelor componente. Extinzându-se între 60 și 1000 km de altitudine și, prin urmare, parțial aparținând atât mezosferei, cât și termosferei , acesta poate fi împărțit în mai multe straturi, evidențiind diferitele proprietăți electrice, datorită variațiilor de compoziție și intensitate a radiației solare primite.

Istorie

În 1924, a fost demonstrată existența ionosferei.

Straturile ionosferei. Noaptea sunt prezente straturile E și F. În timpul zilei se formează stratul D, iar straturile E și F devin mult mai puternice. Adesea în timpul zilei stratul F diferă în F1 și F2.

Descriere

Ionosfera este extrem de subțire: deși are o grosime de sute de kilometri, conține doar aproximativ 1% din masa totală a gazului atmosferic. Temperatura zilei variază de la 200 K din straturile cele mai interioare la 1500 K din straturile exterioare, care sunt mai expuse Soarelui. Prezența iluminării solare are o mare influență asupra proprietăților gazelor ionosferice, care, prin urmare, se schimbă semnificativ între zi și noaptea. Chiar și ciclul mult mai lung al activității solare are efecte sensibile asupra ionosferei.

Ionosfera joacă un rol important în unele aplicații radio datorită proprietăților electrice specifice menționate mai sus; în condiții adecvate, o undă de radiofrecvență incidentă pe un strat ionizat poate fi reflectată total datorită saturației electronice a materiei , spre deosebire de ceea ce se întâmplă în atmosfera neionizată al cărei indice de refracție prezintă în general variații prea mici pentru a produce reflexia totală a unei unde , care este parțial absorbit și dispersat. În consecință, este posibil să se utilizeze un model de propagare bazat pe reflexii multiple între suprafața pământului și ionosferă. Acest tip de propagare este destul de eficient pentru frecvențe sub 30 MHz, așa-numitele unde scurte , utilizate în mod obișnuit de transmisiile radio amatoare .

Stratul D

Este stratul cel mai interior și se întinde între 60 și 90 km de altitudine. Gazul ionizat este în principal oxid de azot (NO). Ionii și electronii se recombină rapid și, prin urmare, efectul net al ionizării este destul de redus, insuficient în timpul zilei pentru a susține propagarea peste 3 MHz și practic zero noaptea: într-o stare liniștită acest strat este prezent doar în timpul zilei din motive legate de fizica semiconductorilor ^{[ neclar ]} . Tocmai datorită intensității reduse a ionizării, stratul D nu are proprietăți de reflexie deosebite și, în comparație cu straturile superioare E și F, are un efect opus, deoarece tinde să absoarbă undele radio care trec prin el, limitând propagarea la distanțe mari. de MF și HF scăzut.

Doar ocazional, în caz de erupții solare , ionizarea stratului D, datorită efectului razelor X care pot ioniza moleculele de azot N ₂ și cele ale oxigenului O ₂ , poate deveni atât de intensă încât să dea acestui strat remarcabil proprietățile de reflexie, în special față de VLF , generând variații bruște ale proprietăților de propagare ale acestora din urmă și aceste fenomene sunt numite perturbare ionosferică bruscă , prescurtată SID .

Stratul E

Se întinde între 90 și 130 km de altitudine. Gazul ionizat este oxigen molecular (O ₂ ). Rata de recombinare este mai mică decât în stratul D și ionizarea slabă rămâne noaptea. Stratul E poate fi utilizat pentru transmisii de până la 10 MHz. În condiții de liniște este posibil să aveți o ionizare reziduală în timpul nopții.

Stratul E _s

Este un strat sporadic care apare uneori la o altitudine de 100 km pentru intervale scurte de timp (de la câteva minute la câteva ore). Se caracterizează prin nori de electroni de formă lamelară și grosime mică (aproximativ 2 km), puternic ionizați, capabili să susțină propagarea până la 20 MHz. În prezent, sunt studiate diferite cauze care ar putea contribui la formarea stratului E _s ; de exemplu, căldura produsă de dezintegrarea averse de meteori care intră în atmosferă poate crea trasee de ionizare intensă, care pot fi interpretate ca straturi de E _s .

Stratul F

Se întinde între 130 și 450 km de altitudine. Gazul ionizat este oxigen atomic (O). În timpul zilei, stratul F se împarte în alte două substraturi, F1 (intern) și F2 (extern), în care ionizarea capătă proprietăți diferite; sunt numite „straturi Appleton”, după Edward Victor Appleton care le-a studiat. Stratul F1 se extinde până la aproximativ 240 km și conține în principal ioni NO ⁺ , în stratul F2, care se extinde dincolo de altitudinea de aproximativ 240 km, există în principal ioni O ⁺ . Regiunea F este cea mai importantă din punctul de vedere al comunicațiilor HF, deoarece în aceasta sunt atinse concentrațiile maxime de densitate a electronilor , ceea ce o face cea mai groasă și cea mai reflectantă.

Aplicații radio

O undă radio care ajunge la ionosferă forțează electronii liberi să oscileze la aceeași frecvență ca și câmpul său electric. Dacă energia de oscilație nu se pierde prin recombinare, adică dacă frecvența de recombinare este mai mică decât frecvența undei, electronii vor înceta să oscileze și să radieze unda pe pământ. Cu cât frecvența undei incidente este mai mare, cu atât este mai mare numărul de sarcini libere necesare pentru a radia unda. Dacă nu există suficiente sarcini gata să oscileze, nu poate avea loc reflexia totală și, prin urmare, propagarea ionosferică.

Tratamentul matematic

Pentru a reflecta o undă care se propagă spre ionosferă cu un unghi generic de elevație ψ, este necesar un strat cu un indice de refracție n astfel încât ( legea lui Snell ):

\cos {\psi }>n

{\ displaystyle \ cos {\ psi}> n}

\ cos {\ psi}> n

Indicele de refracție n văzut de o undă la frecvența f care se propagă într-un gaz ionizat depinde de numărul de sarcini pe unitate de volum N în funcție de relația:

n={\sqrt {1-{\frac {Ne^{2}}{4\pi ^{2}f^{2}m\epsilon _{0}}}}}

{\ displaystyle n = {\ sqrt {1 - {\ frac {Ne ^ {2}} {4 \ pi ^ {2} f ^ {2} m \ epsilon _ {0}}}}}}

n = {\ sqrt {1 - {\ frac {Ne ^ {2}} {4 \ pi ^ {{2}} f ^ {{2}} m \ epsilon _ {0}}}}}

unde m este masa electronului, e este sarcina electronului și ε ₀ este constanta dielectrică a vidului. Raportul anterior poate fi scris ca:

n={\sqrt {1-\left({\frac {f_{c}}{f}}\right)^{2}}}

{\ displaystyle n = {\ sqrt {1- \ left ({\ frac {f_ {c}} {f}} \ right) ^ {2}}}}

n = {\ sqrt {1- \ left ({\ frac {f_ {c}} {f}} \ right) ^ {2}}}

din care obținem unghiul maxim ψ pentru care apare reflexia totală:

\psi <\arccos {\sqrt {1-\left({\frac {f_{c}}{f}}\right)^{2}}}

{\ displaystyle \ psi <\ arccos {\ sqrt {1- \ left ({\ frac {f_ {c}} {f}} \ right) ^ {2}}}}

\ psi <\ arccos {{\ sqrt {1- \ left ({\ frac {f_ {c}} {f}} \ right) ^ {2}}}}

unde f _c se numește frecvență critică și este aproximativ:

f_{c}\simeq 9{\sqrt {N}}

{\ displaystyle f_ {c} \ simeq 9 {\ sqrt {N}}}

f_ {c} \ simeq 9 {\ sqrt {N}}

Frecvența critică este deci proporțională cu √ N ; în cele din urmă, împarte domeniul frecvenței în două părți:

pentru frecvențe mai mici decât frecvența critică există o reflecție necondiționată, indiferent de unghiul de incidență; de fapt, n este anulat.
pentru frecvențe peste frecvența critică, reflectarea are loc numai sub un anumit unghi de incidență, care depinde de frecvență.

Unghiul de incidență este limitat mai jos de curbura Pământului; chiar și folosind o antenă la un unghi de înălțime foarte mic, nu este posibil să se reducă unghiul de incidență sub o anumită valoare; prin urmare, propagarea ionosferică nu are loc niciodată la frecvențe mai mari de 3 - 3,5 ori frecvența critică. Pentru stratul F2, care este cel mai ionizat, această valoare limită (MUF, frecvență maximă utilizabilă ) este de aproximativ 30 MHz. Pentru a evita acest lucru, se folosesc repetori .

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikicitată conține citate din sau despre ionosferă
Wikționarul conține dicționarul lema « ionosferă »
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe ionosferă

linkuri externe

( EN ) Ionosphere / Ionosphere (altă versiune) , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
Ionosfera , în Enciclopedia științei și tehnologiei , Institutul Enciclopediei Italiene, 2007-2008.

Controlul autorității	Tezaur BNCF 24839 · LCCN (EN) sh85067833 · GND (DE) 4130409-3 · BNF (FR) cb11980201d (data) · NDL (EN, JA) 00.561.406

Portalul Științelor Pământului : Accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu Științele Pământului

V · D · M Atmosfera Pământului
Troposferă • Tropopausa • Stratosphere • stratopause • mezosfera • mesopause • Termosfera • thermopause • exosferei
Ozonosfera • Turbopauză • Ionosfera