Ionosphere

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Ionosphere

Ionosphère

L‚Äôionosph√®re est une r√©gion de l'atmosph√®re terrestre situ√©e entre la m√©sosph√®re et la magn√©tosph√®re, c'est-√†-dire entre 60 et 800 km d'altitude. Elle est constitu√©e de gaz fortement ionis√© (=plasma) √† tr√®s faible pression (entre 2√ó10-2 hPa et 1√ó10-8 hPa) et √† haute temp√©rature (-20 √† +1 000 ¬įC).

Sommaire

Généralités

Historique

  • 1901 : Marconi √©tablit une liaison transatlantique par radio.
  • 1902 : Les ondes √©lectromagn√©tiques ne se propagent qu'en ligne droite, du moins dans un milieu homog√®ne. Pour expliquer comment les signaux radiot√©l√©graphiques √©mis par Marconi ont pu contourner la rotondit√© de la Terre, Heaviside en Angleterre et Kennelly en Am√©rique imaginent l'existence √† tr√®s haute altitude de couches r√©fl√©chissantes pour les ondes radio : les couches de Kennelly-Heaviside.
  • 1925 : Le physicien anglais Appleton met en √©vidence par l'exp√©rience la pr√©sence des couches imagin√©es par Heaviside et Kennelly. Ces couches prennent le nom de couche d'Appleton.
  • 1925 : Peu apr√®s Appleton, les physiciens am√©ricains Gregory Breit et Merle Antony Tuve mesurent la hauteur des couches de l'ionosph√®re √† l'aide d'un √©metteur d'impulsions radio√©lectriques.
  • 1929 : Le mot ionosph√®re, propos√© par Robert Watson-Watt, remplace celui de couche d'Appleton.
  • 1931 : Sydney Chapman √©labore sa th√©orie de formation des couches de l'ionosph√®re par l'action du rayonnement UV solaire.

Description

La densité de l'air qui constitue l'atmosphère diminue à mesure que l'on s'éloigne de la surface du sol. À 60 km d'altitude, la pression de l'air n'est plus que de Pa. Au-delà de 60 km, l'atmosphère n'agit plus guère comme filtre du rayonnement solaire et cosmique, les rayons ultraviolets et X sont de plus en plus agressifs et provoquent une ionisation des molécules de gaz (diazote, dioxygène...) de l'air en arrachant des électrons aux atomes les constituant. Parmi les molécules d'air se trouvent donc des ions positifs et des électrons libres.

Une ionisation très localisée et pendant une très courte durée peut être provoquée par les chutes de météorites.

Dans la partie basse de l'ionosph√®re, la densit√© de mol√©cules d'air est encore √©lev√©e, les collisions entre √©lectrons et ions sont fr√©quentes ; un √©lectron peut retrouver rapidement un ion positif : la recombinaison est rapide. Dans les couches les plus hautes, la recombinaison est plus lente et l'ionisation ne diminue que lentement apr√®s que le rayonnement solaire s'interrompt avec le coucher du Soleil.

√Čtude de l'ionosph√®re

Le sondeur vertical est une sorte de radar dont la fréquence est variable entre 1 et 30 MHz. L'émetteur envoie des impulsions très brèves qui sont réfléchies à une altitude dépendant de la fréquence et de la densité électronique dans l'ionosphère. La mesure du temps séparant l'impulsion émise et la réception de l'écho permet de calculer l'altitude à laquelle s'est effectuée la réflexion. Le tracé de cette altitude en fonction de la fréquence est un ionogramme.

Ionogramme.png

Depuis les années 1960, les satellites artificiels et sondes spatiales ont permis une meilleure compréhension in situ des phénomènes ionosphériques et les interactions avec la magnétosphère.

De plus, durant ces m√™mes ann√©es s'est d√©velopp√©e une nouvelle technique d'√©tude de l'ionosph√®re depuis le sol : la diffusion incoh√©rente. Dans cette technique, une onde UHF (400 MHz √† 1 GHz suivant les installations) de tr√®s forte puissance (plusieurs centaines de kW) est √©mise vers l'ionosph√®re o√Ļ elle est diffus√©e dans toutes les directions par les √©lectrons ionosph√©riques. La puissance re√ßue au sol en retour est tr√®s faible et n√©cessite de grandes antennes et un traitement du signal pour extraire les informations. Cette technique permet d'avoir acc√®s √† la composition de l'ionosph√®re, la temp√©rature des ions, ainsi qu'aux vitesses de d√©placement de ces ions ("vents ionosph√©riques"). Des sondeurs furent install√©s en France √† Saint-Santin-de-Maurs avec trois r√©cepteurs dont le radiot√©lescope de Nan√ßay, en Grande-Bretagne √† Malvern, aux √Čtats-Unis √† Millstone Hill et Arecibo (Porto-Rico), au P√©rou √† Jicamarca, ainsi qu'en Russie. Les trois derniers ainsi qu'Eiscat, le sondeur europ√©en implant√© dans le Grand nord scandinave, sont toujours en activit√©.

Un instrument [1] emporté par une fusée de la NASA a déterminé la frontière entre l'atmosphère et l'ionosphère à 118km d'altitude [2]. (sur le trajet de cette fusée). Cette information pourrait être importante pour la compréhension du climat. Trois autres mesures sont prévues pour 2010 dans le cadre de la mission Swarm de l'Agence Spatiale Européenne

Couches

On distingue généralement trois couches aux propriétés propres vis-à-vis de la propagation des ondes.

  • Couche D : altitude de 60 √† 90 km, pression 2 Pa, temp√©rature -76 ¬įC, densit√© √©lectronique 104. Constitu√©e d'ions polyatomiques. Absorbante pour les ondes de fr√©quence inf√©rieure √† quelques MHz, elle appara√ģt avec le lever du Soleil et dispara√ģt imm√©diatement apr√®s le coucher de celui-ci.
  • Couche E : altitude de 90 √† 120 km, pression 0,01 Pa, temp√©rature -50 ¬įC, densit√© √©lectronique 105. Constitu√©e d'oxyg√®ne et monoxyde d'azote mol√©culaires ionis√©s et d'ions m√©t√©oritiques. Diurne et pr√©sente tout au long du cycle solaire. Elle r√©fl√©chit les ondes de quelques MHz jusqu'√† une fr√©quence limite qui d√©pend de l'angle d'incidence de l'onde sur la couche et de la densit√© de celle-ci. Au cours de l'√©t√©, en moyennes latitudes, apparaissent parfois pendant quelques dizaines de minutes, voire quelques heures, des ¬ę nuages ¬Ľ fortement ionis√©s dans la couche E (on parle de sporadique E ou Es)
  • Couche F : altitude de 120 √† 800 km, pression 1√ó10-4 Pa, temp√©rature 1 000 ¬įC, densit√© √©lectronique 106. Constitu√©e d'atomes d'oxyg√®ne, d'azote et d'hydrog√®ne. Tr√®s d√©pendante de l'activit√© solaire, elle pr√©sente un niveau d'ionisation tr√®s important pendant les maxima du cycle solaire. Son altitude fluctue en fonction du rayonnement solaire ; la couche F se d√©compose pendant la journ√©e en deux sous-couches F1 et F2. Ces deux sous-couches se recombinent la nuit plusieurs heures apr√®s le coucher du Soleil mais il arrive qu'elles persistent toute la nuit lors des maxima d'activit√© solaire. Comme pour la couche E, le r√īle de la couche F est essentiel pour la propagation des ondes courtes.

Rayonnements solaires et mécanisme de création des couches

L'ionosph√®re n'est rien d'autre qu'un gaz ionis√©, c'est-√†-dire un plasma. Or la th√©orie nous apprend qu'un gaz remplit uniform√©ment tout l'espace dont il dispose, alors pourquoi il y a-t-il des couches dans l'ionosph√®re ?

Pour comprendre le mécanisme de formation des couches, on est obligé de compliquer un peu les choses, ainsi l'ionosphère n'est pas un gaz mais une succession de couches de gaz dont la composition dépend de la pression atmosphérique. De plus, il n'y a pas un rayonnement solaire mais des rayonnements dont le spectre s'étend de l'infrarouge aux rayons X. N'oublions pas les jets de particules par le soleil qui arrivent parfois à pénétrer dans la couche D...

Les couches sont donc le fruit de l'interaction entre des gaz, des rayonnements non ionisants, des rayonnements ionisants et des particules.

Les gaz de l'ionosphère

Les rayonnements solaires

Les particules solaires

Notion de création et d'absorption de paire électron-ion

√Ä l'√©quilibre : les couches de l'ionosph√®re

Ionosphère et ondes radio

L'existence de l'ionosph√®re fut mise en √©vidence avec les premi√®res exp√©riences de transmission radio intercontinentales. La propagation des ondes radio de fr√©quences comprises entre quelques centaines de kilohertz et quelques dizaines de m√©gahertz est intimement li√©e √† l'√©tat de l'ionosph√®re. Elle peut √™tre favoris√©e ou perturb√©e selon la fr√©quence de l'onde radio, la position g√©ographique de l'√©metteur et du r√©cepteur ainsi que le moment o√Ļ la communication est tent√©e. Le moment de la journ√©e, la saison et le cycle solaire sont des param√®tres tr√®s importants dans certains cas.

Ainsi les ondes décamétriques (aussi appelées "ondes courtes") permettent-elles d'établir des liaisons à très longues distances en se réfléchissant sur certaines couches de l'ionosphère. Pour d'autres fréquences, comme les ondes hectométriques (encore appelées "ondes moyennes"), la propagation dépend fortement de l'absorption provoquée par la couche D (voir plus haut) qui empêche dans la journée les ondes de se réfléchir sur les couches E et F situées plus haut en altitude. Les ondes de fréquences très élevées (VHF, UHF et hyperfréquences) utilisées pour les communications via satellites peuvent être également déviées ou absorbées par l'ionosphère mais cela ne constitue généralement pas une grande perturbation.

Voir : Propagation des ondes radio

Ionosphère et GPS

Bien que le GPS travaille dans la bande L, il subit les modifications de l'ionosph√®re. Les variations de l'ionosph√®re entra√ģnent une d√©viation du signal GPS ainsi qu'une modification du temps de parcours de l'onde. Tout cela a oblig√© les concepteurs de satellites GPS √† mettre en Ňďuvre des techniques de correction.

Relation entre le temps et la distance

La position

Utilisation de deux fréquences

GPS différentiel

Sources

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J. Lilensten et P.-L. Blelly: Du Soleil à la Terre, Aéronomie et météorologie de l'espace, Collection Grenoble Sciences, Université Joseph Fourier Grenoble I, 2000. ISBN 9782868834676

Notes

Ce document provient de ¬ę Ionosph%C3%A8re ¬Ľ.

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Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Ionosphere de Wikipédia en français (auteurs)

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