Ionosfera – Wikipedia

L ‘ jonosfera Z planety jest warstwa jej atmosfery charakteryzującej się częściową jonizacją gazów. W przypadku Ziemi wynosi ona około 60 do 1000 km Wysokość i zatem obejmuje część mezosfery, całej termosfery i części egzosfery.

Promieniowanie słoneczne ultrafioletowe, które jest początkowe jonosfery, reaguje na części cząsteczek atmosferycznych poprzez amputowanie ich elektronem. W ten sposób powstaje plazma, która zawiera równą liczbę dodatnich elektronów i jonów. Elektron, który jest światłem, otrzymuje znaczną prędkość, tak że gaz elektroniczny uzyskuje wysoką temperaturę (rzędu tysiąca kelvinów) znacznie powyżej jonów i neutralnych. Dlatego konieczne jest odróżnienie, oprócz temperatury neutralnej, te dwie temperatury w osoczu. Ponieważ istnieje kilka gatunków jonowych, skład jonowy jest kolejnym interesującym parametrem. Dzięki gęstości elektronicznej, która ma podstawowe znaczenie dla propagacji fal radiowych, istnieją zatem cztery parametry charakteryzujące osocze jonosferyczne.

W 1968 r. COSPAR poinstruował Karl Rawer (1968–1984), aby utworzyć komitet odpowiedzialny za nowy projekt Międzynarodowa jonosfera (IRI), porównywalne z Cira ( Międzynarodowa atmosfera referencyjna COSPAR ) i które byłyby ścigane wraz z Międzynarodowym Związkiem Radio-naukowym (URSI). Podczas tego projektu stworzyliśmy model oparty na linii frontu na doświadczeniach przeprowadzonych z gleby i przestrzeni ^{[[[ Pierwszy ]} . Ten model pokazuje miesięczne wartości mediany czterech parametrów wskazanych powyżej zgodnie z wysokością, czasem, sezonem i aktywnością słoneczną dla różnych regionów globu naziemnego ^{[[[ 2 ]} . W 1999 r. URSI uznało IRI za międzynarodowy standard jonosfery. W komitecie przedstawiciele wszystkich kontynentów nadal oceniają nowe dane pod kątem poprawy modelu.

Historyczny [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

• 1901: Marconi ustanawia link transatlantycki według radia.
• 1902: Fale elektromagnetyczne rozprzestrzeniają się tylko w linii prostej, przynajmniej w jednorodnym środowisku. Aby wyjaśnić, w jaki sposób sygnały radiotelegraficzne emitowane przez Marconi były w stanie ominąć rotundowość Ziemi, Heavisidal w Anglii i hodowli w Ameryce Wyobraź sobie istnienie na bardzo dużej wysokości warstw odblaskowych dla fal radiowych: The Radio Fals: The Radio Warstwy hodowlane .
• 1925: Angielski fizyk Appleton podkreśla obecność warstw wyobrażonych przez Heavisides i Kennelly. Te warstwy przyjmują nazwę Warstwa appleton .
• 1925: Wkrótce po Appleton amerykańscy fizycy Gregory Breit i Merle Antony Tuve zmierzają wysokość warstw jonosfery za pomocą nadajnika interesariuszy radiowego.
• 1929: Słowo jonosfera , zaproponowane przez Roberta Watsona-Watta, zastępuje to Warstwa appleton .
• 1931: Sydney Chapman rozwija swoją teorię tworzenia warstw jonosfery poprzez działanie promieniowania słonecznego UV.
• 1999: L ‘ Międzynarodowa jonosfera , model jonosfery Ziemi, został wprowadzony w 1969 r Komitet ds. Badań nad kosmosem (Niższy) ^{[[[ 3 ]} Następnie zostaje na nowo odkrywane i korygowane co drugi rok przez Międzynarodową Komisję Specjalną. Ten model jest międzynarodowym standardem od 1999 roku.

Opis [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Gęstość powietrza, która stanowi atmosferę, zmniejsza się, gdy odchodzi się od powierzchni ziemi. Przy 60 km Wysokość, ciśnienie powietrza jest tylko 2 Następnie . Atmosfera powyżej 60 km Działa jako chłonny filtr promieniowania słonecznego, promieniowania ultrafioletowego i X, których energia jest całkowicie wchłonięta w termosferę. Zatem powierzchnia lądowa jest chroniona przed tymi agresywnymi promieniami, których energia jest tracona w reakcjach rozrywających cząsteczki (dysocjacja) lub rozrywającym elektron (jonizacja). Dysocjacja cząsteczek ujawnia atomy o (pochodzące z DiOXYGEN o ₂ ) z jednej strony i n (z Diazote n ₂ ) z drugiej strony. Większość tych ostatnich znika Nie. Cząsteczki . Znaczna część wszystkich tych neutralnych składników jest jonizowana, tak że w środku neutralnych populację różnych jonów i kolejnych wolnych elektronów o tej samej całkowitej liczbie.

Bardzo zlokalizowana jonizacja i bardzo krótki czas może być spowodowany upadkami meteorytów.

W dolnej części jonosfery gęstość cząsteczek powietrza jest nadal wysoka, kolizje między elektronami i jonami są częste; Elektron może szybko znaleźć dodatni jon: rekombinacja jest szybki. W najwyższych warstwach rekombinacja jest wolniejsza, a jonizacja maleje tylko powoli po zatrzymaniu promieniowania słonecznego za pomocą zachodu słońca.

Badanie [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Pionowy dźwięk (lub jonosonde) jest rodzajem radaru, którego częstotliwość jest zmienna między 1 a 30 MHZ . Nadajnik wysyła bardzo krótkie impulsy, które są odbijane z wysokością w zależności od częstotliwości i gęstości elektronicznej w jonosferze. Pomiar czasu oddzielający emitowany impuls i odbiór echa umożliwia obliczenie wysokości, na której przeprowadzono odbicie. Układ tej (wirtualnej) wysokości jako funkcji częstotliwości jest jonogram . Międzynarodowy Radio-Storentific Union (URSI) opracował instrukcję do zliczenia takich zapisów ^{[[[ 4 ]} , przetłumaczone na chiński, francuski, japoński i rosyjski i który jest następowany na całym świecie.

Od lat 60. XX wieku sztuczne satelity i sondy kosmiczne umożliwiły lepsze zrozumienie na miejscu Zjawiska jonosferyczne i ich interakcje z magnetosferą.

Ponadto w tych samych latach nowa technika badania jonosfery rozwinęła się z gleby: niespójne rozpowszechnianie. W tej technice fala UHF (400 MHZ o 1 GHZ W zależności od instalacji) jonosfera wydawana jest bardzo wysoka moc (kilkaset kW), gdzie jest rozpowszechniana we wszystkich kierunkach przez elektrony jonosferyczne. Moc odbierana na ziemi w zamian jest bardzo niska i wymaga dużych anten i przetwarzania sygnału w celu wyodrębnienia informacji. Ta technika umożliwia dostęp do składu jonosfery, temperatury jonów, a także z prędkością ruchu tych jonów („wiatry jonosferyczne”). Badawcy zostali zainstalowani we Francji w Saint-Santin-de-Mauurs z trzema odbiornikami, w tym Nançay RadiaTelescope, w Wielkiej Brytanii w Malvern, Stanach Zjednoczonych w Millstone Hill i Arecibo (Puerto Rico), Peru w Jicamarca, a także w Rosji . Ostatnie trzy, a także EISCAT, europejski dźwiękowiec położony w skandynawskiej dalekiej północy, są nadal aktywne.

. 19 października 1954 , W ciągu dnia odbiornik na pokładzie francuskiej rakiety Véronique zarejestrował emisję średnich fali od dwóch zdalnych emiterów (na ziemi) i był w stanie określić dwa wyraźnie oznaczone granice gęstości elektronicznej przy 72 i 81 km D’Altitude ^{[[[ 5 ]} .

Instrument ^{[[[ 6 ]} Prowadzony przez rakietę NASA determinowała granicę między atmosferą a jonosferą podczas warunków zorzy polarnej w 118 km d’Altitude ^{[[[ 7 ]} (Na trasie tej rakiety). Informacje te mogą być ważne dla zrozumienia klimatu. Trzy mikro-satelitarne zostały wydane 22 listopada 2013 r. W ramach misji Swarm Europejskiej Agencji Kosmicznej w celu wykonania innych środków.

Stratyfikacja [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Zasadniczo istnieją trzy warstwy o własnych właściwościach w odniesieniu do propagacji fal.

• Warstwa : Wysokość od 60 do 90 km , ciśnienie 2 Następnie , temperatura −76 ° C. , gęstość elektroniczna 10 ⁴ cm ⁻³ . Złożone z jonów poliatomicznych. Chłonność fal częstotliwościowych mniejszych niż kilka MHz, pojawia się wraz z wschodem słońca i znika natychmiast po zachodzie słońca.
• Warstwa e lub warstwa hodowli – Heavisidal: Wysokość od 90 do 120 km , ciśnienie 0,01 Następnie , temperatura −50 ° C. , gęstość elektroniczna 10 ⁵ cm ⁻³ . Wykonane z tlenu i jonizowanego tlenku azotu cząsteczkowego i jonów meteorytowych. Dobowe i prezenty w całym cyklu słonecznym. Odzwierciedla fale kilku MHz do częstotliwości granicznej, która zależy od kąta padania fali na warstwie i jej gęstości. Latem, na średnich szerokościach geograficznych, czasami pojawiają się przez kilka dziesiątek minut, nawet kilku godzin, „chmur” silnie jonizowanych w Warstwa e (Rozmawiamy o Sporadic e Lub Jest )
• Warstwa f : Wysokość od 120 do 800 km , ciśnienie 10 ⁻⁴ Następnie , temperatura 1000 ° C. , gęstość elektroniczna 10 ⁶ cm ⁻³ . Wykonane z atomów tlenu, azotu i wodoru. Bardzo zależny od aktywności słonecznej, ma bardzo ważny poziom jonizacji podczas maksimów cyklu słonecznego. Jego wysokość zmienia się w zależności od promieniowania słonecznego; Tam Warstwa f jest rozkładany w ciągu dnia na dwa podkłady F1 i F2. Te dwa niedostateczne rekombinacie w nocy kilka godzin po zachodzie słońca, ale zdarza się, że utrzymują się przez całą noc podczas maksymalnej aktywności słonecznej. Co do Warstwa e , rola Warstwa f jest niezbędny do rozprzestrzeniania się krótkich fal.

Promieniowanie słoneczne i mechanizm tworzenia warstw [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Górna atmosfera planety podlega silnemu wpływowi pochodzącym z zewnątrz, a mianowicie promieniowania gwiazdy centralnej. W wyniku tego: atmosfera nie jest w stanie równowagi. Promieniowanie, od ultrafioletu do Promieniowanie rentgenowskie Poważnie modyfikuje warunki równowagi atmosfery poprzez rozrywanie cząsteczek (dysocjacji) lub rozrywaniem elektronu (jonizacji). Istnieją również procesy odwrotne, takie jak rekombinacja dzięki spotkaniu oddzielnych cząstek (zderzenie). Prawdopodobieństwo tych procesów zmniejsza się wraz ze wzrostem wysokości. Jednak bez promieniowania słonecznego skład atmosfery naziemnej jest wszędzie identyczne z Troposferem. W rzeczywistości poniżej około 150 km , Nocna przerwa w promieniowaniu powoduje szybki spadek jonizacji, podczas gdy powyżej ma mniej poważnych konsekwencji. Należy również zauważyć, że odsetek jonów w porównaniu z neutralami pozostaje niski wszędzie.

W ciągu dnia przez złożoną grę dysocjacji, jonizacji i rekombinacji powstają dwa duże regiony mniej lub bardziej silnie jonizowane; Niższe od około 60 km i 150 km (D i E), druga w termosferze. W profilu jonizacji jest tylko jeden maksimum w nocy. W ciągu dnia są dwa lub trzy, a mianowicie: czasami jeden w warstwa (Little zaznaczony), kolejny wciąż w E, i najważniejszy w F2. (Tak zwana warstwa F1 jest tylko odkształceniem profilu, bardzo rzadko maksymalnie oddzielnym.) Dla propagacji fal radiowych wartość Masymum F2 ma największe znaczenie ^{[[[ 8 ]} .

Gaz jonosfery [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Aby wyjaśnić tworzenie się jonizowanych warstw, ważne jest, aby znać skład neutralnej atmosfery, która zmienia się w zależności od wysokości. W idealnych warunkach każdy element byłby rozdzielony niezależnie od innych. To znaczy, część gazów lekkich wzrośnie w zależności od wysokości. Dotyczy to wysokich wysokości termosfery. Ale poniżej około 100 km , Ruchy wracające do różnych początków (na przykład przypływy) mieszają komponenty, aby kompozycja pozostała taka sama wszędzie, przeważające elementy są diazot I DiOXYGEN . Kolejne zjawisko znacznie zmienia skład termosfery, a mianowicie dysocjację cząsteczek. W szczególności dwutoksygen jest przekształcony w Tlen atomowy , którego jonizacja jest spowodowana inną częścią spektrum ultrafioletowego. Z tymi atomami dysocjacja diazoty prowadzi do tworzenia NO. Wreszcie, w bardzo wysokiej termosferze, przeważnie gazy lekkie, a mianowicie helu i wodoru.

Promieniowania słonecznego [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Okulary słoneczne [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Rozwarstwienie równowagi [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Istnienie jonosfery zostało podkreślone pierwszymi doświadczeniami międzykontynentalnej transmisji radiowej. Rozprzestrzenianie się fal radiowych między kilkaset kilohertz i kilkadziesiąt megaherc jest ściśle powiązane ze stanem jonosfery. Można go faworyzować lub zakłócać w zależności od częstotliwości fali radiowej, położenia geograficznego nadajnika i odbiornika, a także momentu, w którym próba komunikacji. W niektórych przypadkach pora dnia, pory pory i cyklu słonecznego są bardzo ważnymi parametrami. W ich stałym projekcie „Międzynarodowa jonosfera referencyjna” (IRI), International Radio-Storentific (URSI) i Komitet ds. Badań Kosmicznych (COSPAR) otworzyły model światowy ^{[[[ 9 ]} Całkiem ogólne i który jest „standardowy” od 1999 roku.

Zatem fale usuwające (zwane także „krótkimi falami”) umożliwiają ustanowienie linków bardzo długich odległości poprzez odzwierciedlenie niektórych warstw jonosfery. W przypadku innych częstotliwości, takich jak fale hektometryczne (zwane również „fale średnimi”), propagacja zależy silnie od absorpcji spowodowanej przez warstwa (Patrz wyżej), które w ciągu dnia zapobiega odbijaniu się od warstw E i F znajdujących się powyżej na wysokości. Fale o bardzo wysokiej częstotliwości (VHF, UHF i hiperfakcjonacja) stosowane do komunikacji przez satelity mogą być również odchylone lub wchłonięte przez jonosferę, ale ogólnie nie stanowi to dużych zakłóceń.
Patrz: Rozmnażanie fal radiowych

Związek między czasem i odległością, MUF i LUF [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Maksymalna częstotliwość użyteczna i minimalna częstotliwość

Ponieważ podczas występowania ukośnego zakres częstotliwości odzwierciedlony przez jonosferę jest przesunięty w kierunku wyższych częstotliwości, rosnące częstotliwości stosuje się na wyższe odległości. Jest to ważne do limitu ze względu na krzywiznę Ziemi i która wynosi około 3500 km . Odległości wykraczające poza ten limit nie można dokonać pojedynczego skoku to pojedyncze odbicie na jonosferze. W największych odległościach istnieją trasy z wieloma odbiciami. Czas i kurs – liczba odbić – ponieważ istnieje zakres częstotliwości, których można uzyskać odpowiedni łącze. Jest ograniczony w górę przez „maksymalną użyteczną częstotliwość” – MUF i w dół przez „najniższą częstotliwość użyteczną” – LUF. Jednak MUF jest określany wyłącznie przez gęstość elektroniczną tylko jednego z punktów odbicia, a mianowicie o najniższej wartości. Z drugiej strony LUF zależy od całkowitego tłumienia wzdłuż trasy, która wierzy z liczbą fragmentów przez warstwy chłonne E, a zwłaszcza D. LUF zależy zatem od mocy nadajnika i czułości odbiornika, MUF jest niezależny.

Systemy pozycjonowania satelitarnego działają w mikrofalach o częstotliwościach między 1 a 2 GHz (L pas). Fale przy tych częstotliwościach przecinają jonosferę, ale ich rozprzestrzenianie się wciąż jest zaburzone przez kilka efektów:

• W ośrodku obciążonym elektrycznie fale są spowolnione (w porównaniu z prędkością światła w pustce). To opóźnienie propagacji może powodować błąd w pomiarze pseudo-dishów między satelitami a odbiornikiem GPS, rzędu 10 do 20 metrów w przypadku ogólnego i do 100 metrów dla wyjątkowych warunków jonosferycznych ^{[[[ dziesięć ]} .
• Jonosfera powoduje obrót polaryzacji fal liniowych, wartość tego obrotu jest zmienna zgodnie ze skrzyżowanym obciążeniem elektrycznym. W przypadku, gdy polaryzacja fali dotarła na ziemię, obróci się o 90 ° w porównaniu z polaryzacją anteny odbiornika, antena nie odbiera sygnału GPS. Właśnie dlatego satelity emitują prawą kołową falę polaryzacyjną (rotacja Faradaya) ^{[[[ 11 ]} .
• Refrakcja w jonosferze odsuwa ścieżkę fal, która odchodzi od geometrycznej linii prostej między satelitą a ziemią ^{[[[ 11 ]} .

Wpływ załamania jest znikomy w większości zastosowań. Ale opóźnienie rozprzestrzeniania się jest ważnym problemem dla precyzji pozycjonowania satelitarnego ^{[[[ 11 ]} . Opracowano kilka technik korekcyjnych:

Reakcje jonosfery na burze geomagnetyczne [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

W 2014 r., Aby ocenić (i ich trzy -wymiarowe geograficzne) wpływ burz geomagnetycznych na trzy warstwy jonosfery równikowej, Olawepo i Al. Wykorzystali dane z dwóch afrykańskich stacji jonosondów równikowych. Dane te umożliwiły znalezienie i badanie efektów i podpisów czterech silnych burz geomagnetycznych ^{[[[ dwunasty ]} .

Ten rodzaj burz geomagnetycznych ma mniej lub bardziej wyraźne efekty, ale znaleziono na trzech warstwach jonosfery. W niższych warstwach jonosfery równikowej efekty są znaczące tylko w odniesieniu do efektu w warstwie F2. W warstwie E wysokość jonizacji wahała się od 0% do + 20,7% (w porównaniu z -12,5% do + 8,3% dla warstwy F2) ^{[[[ dwunasty ]} .

Modele [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Możliwe jest użycie danych przesyłanych przez stacje na podłoża, aby częściowo skorygować skutki jonosfery. Stacje te mogą obliczyć odchylenie między pozycją uzyskaną przez GNSS a dokładną znaną pozycją stacji. DGP uważa, że ​​odchylenie geo-lokalizacji jest wystarczająco blisko w tym samym regionie, aby zastosować tę samą korektę do jej pozycjonowania, co obliczone przez najbliższą stactwo gruntowe. Korekty te mogą być przesyłane przez satelity, tak jest w przypadku wielu systemów SBAS.

Podczas wspomnianych powyżej badań, o reakcjach warstw jonosfery na duże burze geomagnetyczne, wersja modelu czasowego burzy IRI-07, która jest międzynarodowym odniesieniem do modelowania tego rodzaju zmian jonosfery Odpowiedzi prawdziwych burz w warstwie E, ale przeceniały prawdziwe profile burzowe dla warstw F1 i F2 ^{[[[ dwunasty ]} .

Latem 2017 r. Rakieta Falcon 9 z SpaceX zrobiła dziurę 900 km w jonosfery. Spowodowało to błąd GPS rzędu 1 M ^{[[[ 13 ]} .

Użycie dwóch częstotliwości [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

• J. Lilensten i P.-L. Morko, Od słońca na ziemię, aeronomię i meteorologię kosmiczną , Collection Grenoble Sciences, Université Joseph Fourier Grenoble I, 2000 (ISBN 9782868834676 ) .
• P.-L. BLLELLY i D. Alcaydé, Jonosfera , w: Y. Kamide/a. Chian, Podręcznik środowiska słonecznego , Springer-Verlag Berlin Heidelberg, s. 189-220, 2007. doi: 10.1007/11367758_8.
• K. Rawer, Fale w jonosferze , Kluwer Acad.publ., Dordrecht, 1993 (ISBN 0-7923-0775-5 ) .