İyonosfer

İyonosfer a gezegen onun bir tabakadır atmosfer ile karakterize edilen kısmi iyonizasyon arasında gazlar . Durumunda Dünya'ya yaklaşık 60 ile 1000 arasında yer almaktadır  km yükseklikte ve dolayısıyla bir kısmını kaplayan mezosferin , tüm Termosfer ve bir kısmını exosphere .

Genel

Güneş morötesi radyasyon parçası ile iyonosfer reaksiyona girdiği kökeni olan atmosferik moleküllerin bir onları amputating ile elektron . Bu , eşit sayıda elektron ve pozitif iyon içeren bir plazma oluşturur. Hafif olan elektron hatırı sayılır bir hız alır, böylece elektronik gaz iyonların ve nötrlerin çok üzerinde ( bin Kelvin düzeyinde) yüksek bir sıcaklık elde eder . Bu nedenle, nötr sıcaklıktan ayrı olarak, bu iki plazma sıcaklığını ayırt etmek gerekir. Birkaç iyon türü olduğundan, iyonik bileşim başka bir ilginç parametredir. Radyo dalgalarının yayılması için birincil öneme sahip olan elektron yoğunluğu ile iyonosferik plazmayı karakterize eden dört parametre vardır.

1968 yılında, COSPAR devreye Karl RAWer yeni sorumlu bir komite kurmaya - (1984 1968) Uluslararası Referans İyonosfer CIRA karşılaştırılabilir (IRI) projesi, ( COSPAR uluslararası referans atmosfer ) ve hangi ile birlikte devam edilecektir Uluslararası bookmarks Bilimsel Birlik (URSI). Bu proje süresince, öncelikle toprak ve uzay deneylerine dayalı bir model oluşturuldu . Bu model, dünyanın farklı bölgeleri için irtifa, zaman, mevsim ve güneş aktivitesinin bir fonksiyonu olarak yukarıda gösterilen dört parametrenin aylık medyan değerlerini gösterir . 1999'da URSI, IRI'yi iyonosfer için uluslararası bir standart olarak kabul etti. Komitede, tüm kıtalardan temsilciler, modeli iyileştirmek amacıyla yeni verileri değerlendirmeye devam ediyor.

Tarihi

Açıklama

Yer yüzeyinden uzaklaştıkça atmosferi oluşturan havanın yoğunluğu azalır. 60  km yükseklikte hava basıncı sadece 2  Pa'dır . 60 ötesinde bir atmosfer  km güneş radyasyonu emen bir filtre görevi görür ultraviyole ışınları ve X- ışınları , enerjisi tamamen emilir Troposferde . Böylece, dünyanın yüzeyi, enerjisi molekülleri parçalayan ( ayrışma ) veya onlardan bir elektron yırtarak ( iyonlaşma ) reaksiyonlarda kaybolan bu agresif ışınlardan korunur . Moleküllerin ayrışması, O atomlarını ortaya çıkarır ( oksijen O 2) Ve N (bir taraftan azot N 2 diğer taraftan). İkincisinin çoğu NO moleküllerinin oluşumu ile kaybolur . Tüm bu nötr bileşenlerin önemsiz olmayan bir kısmı, nötrlerin ortasında farklı iyonlardan oluşan bir popülasyon ve aynı toplam sayıya sahip başka bir serbest elektron popülasyonu olacak şekilde iyonize edilir .

Çok yerel iyonlaşma ve çok kısa bir süre için düşen göktaşları neden olabilir .

İyonosferin alt kısmında, hava moleküllerinin yoğunluğu hala yüksektir, elektronlar ve iyonlar arasındaki çarpışmalar sıktır; bir elektron hızlı bir şekilde pozitif bir iyon bulabilir: rekombinasyon hızlıdır. Daha yüksek katmanlardan olarak, yavaş rekombinasyon ve iyonizasyon sadece yavaşça güneş radyasyonu ayarına ile kesilir sonra azalır güneş .

Ders çalışma

Dikey siren bir tür radar , frekansı, 1 ile 30 arasında değişir  MHz . Verici, iyonosferdeki frekansa ve elektron yoğunluğuna bağlı bir yükseklikte yansıtılan çok kısa darbeler gönderir. İletilen nabız ile yankının alımını ayıran zamanın ölçülmesi, yansımanın meydana geldiği yüksekliğin hesaplanmasını mümkün kılar. Bu (sanal) yüksekliğin frekansın bir fonksiyonu olarak grafiği bir iyonogramdır . Uluslararası Radyo-Bilimsel Birliği (URSI) dünya çapında takip eder Çince, Fransızca, Japonca ve Rusça ve tercüme edilmemiş kayıtlar incelenmesine yönelik bir talimat üretti.

Ionogram.png

1960'lardan beri yapay uydular ve uzay sondaları (iyonosondlar) , iyonosferik fenomenlerin ve bunların manyetosfer ile etkileşimlerinin daha iyi yerinde anlaşılmasını sağlamıştır .

Ek olarak, aynı yıllarda, iyonosferi zeminden incelemek için yeni bir teknik geliştirildi: tutarsız saçılma . Bu teknikte, çok yüksek güçlü (birkaç yüz kW) bir UHF dalgası ( kuruluma bağlı olarak 400  MHz ila 1  GHz ), iyonosferik elektronlar tarafından her yöne yayıldığı iyonosfere doğru yayılır. Karşılığında zeminden alınan güç çok düşüktür ve bilgiyi çıkarmak için büyük antenler ve sinyal işleme gerektirir. Bu teknik, iyonosferin bileşimine, iyonların sıcaklığına ve bu iyonların hareket hızlarına ("iyonosferik rüzgarlar") erişim sağlar. Sounders Fransa'da yüklenen Saint-Santin-de-Maurs dahil olmak üzere üç alıcıları ile radyo teleskobu de Nancay Malvern Büyük Britanya'da, ABD'de de Millstone Hill ve Arecibo (Porto Riko) de, Peru , hem de Jicamarca de Rusya'da olduğu gibi . Son üç üye ve İskandinavya'nın uzak kuzeyindeki Avrupalı ​​anketör Eiscat hala aktif durumda.

19 Ekim 1954, gün boyunca, bir Fransız Véronique roketindeki bir alıcı, iki uzak vericiden (yerdeki) orta dalga emisyonlarını kaydetti ve 72 ve 81  km yükseklikte elektron yoğunluğunun açıkça işaretlenmiş iki alt sınırını belirleyebildi .

Bir NASA roketi tarafından taşınan bir alet , 118  km yükseklikte (bu roketin yolunda) auroral koşullar sırasında atmosfer ile iyonosfer arasındaki sınırı belirledi . Bu bilgi iklimi anlamak için önemli olabilir. Avrupa Uzay Ajansı'nın Swarm misyonu kapsamında 2010 yılı için diğer üç önlem planlanıyor .

Tabakalaşma

Genel olarak dalga yayılımına karşı belirli özelliklere sahip üç katman vardır .

Güneş radyasyonu ve katman oluşturma mekanizması

Üst atmosfer a gezegen dışından güçlü etkisi, yani tabi radyasyon merkezi yıldız. Bunun sonucu: atmosfer bir denge durumunda değildir. Radyasyon, gelen mor ötesi için X - ışını ciddi yırtılarak değiştirir atmosferin dengeleri molekülleri ayrı ( ayrışma ) ya da bir kapma ile onlardan elektron ( iyonizasyon ). Ayrılmış parçacıkların buluşması ( çarpışma ) yoluyla rekombinasyon gibi ters süreçler de vardır . İrtifa arttıkça bu işlemlerin olasılığı azalır. Bununla birlikte, güneş radyasyonu olmadan, Dünya atmosferinin bileşimi her yerde troposferinkiyle aynıdır . Aslında, 150 hakkında aşağıda  km , radyasyon gece kesim çok hızlı bir azalma üretir iyonlaşma daha az ciddi sonuçları vardır yukarıda iken,. Ayrıca nötrlere göre iyon yüzdesinin her yerde düşük kaldığını unutmayın.

Gün geçtikçe, ayrışma, iyonlaşma ve rekombinasyonun karmaşık etkileşimi ile, az çok güçlü iyonize edilmiş iki büyük bölge oluşur; alt kısım yaklaşık 60  km ile 150  km arasındadır (D ve E katmanları), diğeri ise termosferdedir . İyonizasyon profilinde nihayet geceleri tek bir maksimum vardır. Gün geçtikçe, iki veya üç tane buluyoruz, yani: bazen D katmanında (az işaretli), diğeri her zaman E'de ve en önemlisi F2'de. (Sözde F1 katmanı, yalnızca profilin bir deformasyonudur, çok nadiren ayrı bir maksimumdur.) Radyo dalgalarının yayılması için F2-maksimum değeri en büyük öneme sahiptir.

İyonosfer gazı

İyonize tabakaların oluşumunu açıklamak için, irtifa ile değişen nötr atmosferin bileşimini bilmek önemlidir. İdeal koşullar altında, her bileşen kendisini diğerlerinden bağımsız olarak dağıtır. Yani irtifaya bağlı olarak hafif gazın bir kısmı artacaktır. Bu, termosferin yüksek rakımları için geçerlidir . Ama, aşağıda yaklaşık 100  km , hareketler kompozisyon her yerde aynı kalır böylece bileşenleri karıştırmak (gelgit örneğin) farklı kökenlere geri gidiş, baskın bileşenleri olan azot ve oksijen . Başka bir olgu önemli ölçüde Troposferde bileşim, yani değişen ayrışma ait moleküller . Özellikle dioksit atomik oksijene dönüştürülür ve bunun iyonlaşmasına ultraviyole spektrumunun başka bir kısmı neden olur . Bu atomlarla dinitrojenin ayrışması NO molekülünün oluşumuna yol açar. Son olarak, çok yüksek termosferde, Helyum ve Hidrojen gibi hafif gazların baskınlığı vardır .

Güneş radyasyonu

Güneş parçacıkları

Dengede tabakalaşma

İyonosfer ve radyo dalgaları

İyonosferin varlığı ilk kıtalararası radyo iletim deneyleri ile kanıtlanmıştır. Birkaç yüz kilohertz ile birkaç on megahertz arasındaki frekanslarda radyo dalgalarının yayılması , iyonosferin durumu ile yakından bağlantılıdır. Radyo dalgasının frekansına, vericinin ve alıcının coğrafi konumuna ve ayrıca iletişimin yapılmaya çalışıldığı ana bağlı olarak tercih edilebilir veya bozulabilir. Günün saati, mevsim ve güneş döngüsü bazı durumlarda çok önemli parametrelerdir. Kalıcı projeleri "Uluslararası Referans İyonosfer" (IRI) aracılığıyla, Uluslararası Radyo-Bilimsel Birliği (URSI) ve Uzay Araştırmaları Komitesi (COSPAR), 1999'dan beri "Uluslararası Standart" olan oldukça genel bir dünya modeli açtı.

Böylece, HF dalgaları (“kısa dalgalar” olarak da adlandırılır), iyonosferin belirli katmanlarına yansıyarak çok uzun mesafelerde bağlantılar kurmayı mümkün kılar. MF dalgaları ("orta dalgalar" olarak da adlandırılır) gibi diğer frekanslar için yayılma , gün boyunca bu dalgaların E ve F katmanlarına yansımasını önleyen D katmanının (yukarıya bakın) neden olduğu absorpsiyona büyük ölçüde bağlıdır. rakımda daha yüksekte bulunur. Uydular aracılığıyla iletişim için kullanılan çok yüksek frekanslı dalgalar (VHF, UHF ve mikrodalga) da iyonosfer tarafından saptırılabilir veya soğurulabilir, ancak bu genellikle büyük bir rahatsızlık değildir. Bakınız: Radyo dalgalarının yayılması

Zaman ve mesafe, MUF ve LUF arasındaki ilişki

Eğik olayda iyonosfer tarafından yansıtılan frekans aralığı daha yüksek frekanslara kaydırıldığı için, daha uzun mesafeler için daha yüksek ve daha yüksek frekanslar uygulanır. Bu, yaklaşık 3.500 km mertebesinde olan dünyanın eğriliği nedeniyle bir sınıra kadar geçerlidir  . Bu sınırın ötesindeki mesafeler, iyonosfer üzerinde tek bir sıçrama veya tek bir yansıma ile elde edilemez. Daha uzun mesafeler için çoklu yansıma yolları vardır. Zaman ve yolculuk - yansıma sayısı - verildiğinde, uygun bir bağın elde edilebileceği bir dizi frekans vardır. Yukarı doğru "Maksimum Kullanılabilir Frekans" - MUF ve aşağı doğru "Kullanılabilir En Düşük Frekans" - LUF ile sınırlandırılmıştır. Bununla birlikte, MUF, yalnızca yansıma noktalarından yalnızca birinin, yani en düşük değere sahip olanın elektron yoğunluğu ile belirlenir. Öte yandan, LUF, emici tabakalar E ve özellikle D'den geçişlerin sayısı ile artan yol boyunca toplam zayıflamaya bağlıdır. Bu nedenle LUF, vericinin gücüne ve alıcının hassasiyetine bağlıdır. MUF bundan bağımsızdır.

İyonosfer ve GPS / GNSS

Konumlandırma uydu sistemleri çalışan mikrodalga 1 ve 2 GHz (L-bandı) arasındaki frekanslarda. Bu frekanslardaki dalgalar iyonosferden geçer, ancak yayılmaları yine de çeşitli etkilerle bozulur:

Kırılma etkisi çoğu uygulamada ihmal edilebilir düzeydedir. Ancak yayılma gecikmesi, uydu konumlandırmasının doğruluğu için önemli bir sorundur. Birkaç düzeltme tekniği geliştirilmiştir:

İyonosferin jeomanyetik fırtınalara tepkileri

2014 yılında , jeomanyetik fırtınaların ekvator iyonosferinin üç tabakası üzerindeki etkilerini (ve üç boyutlu coğrafi kapsamını) değerlendirmek için , Olawepo ve diğerleri. iki Afrika ekvator iyonoprob istasyonundan gelen verileri kullandı. Bu veriler, dört güçlü jeomanyetik fırtınanın etkilerini ve imzalarını bulmayı ve incelemeyi mümkün kıldı .

Bu tür jeomanyetik fırtına, az çok belirgin etkilere sahiptir, ancak iyonosferin üç katmanında bulunur. Ekvator iyonosferinin alt katmanlarında, etkiler yalnızca F2 katmanı seviyesindeki etkiyle karşılaştırıldığında ölçüldüğünde önemlidir. E katmanında, iyonizasyon yüksekliği% 0 ila +% 20,7 arasında değişmiştir (F2 katmanı için -% 12,5 ila +% 8,3).

Şablonlar

İyonosferin etkilerini kısmen düzeltmek için yer istasyonları tarafından iletilen verileri kullanmak mümkündür. Bu istasyonlar, bir GNSS ile elde edilen konum ile istasyonun tam olarak bilinen konumu arasındaki sapmayı hesaplayabilir . DGPS coğrafi konum arasında bir sapma yeterince yakın aynı bölgede en yakın yer istasyonu tarafından hesaplanan olarak konumlandırılması, aynı düzeltme uygulamak için olduğunu düşünmektedir. Bu düzeltmeler, birçok SBAS sisteminde olduğu gibi uydular tarafından iletilebilir .

Yukarıda bahsedilen çalışma sırasında, iyonosfer katmanlarının büyük jeomanyetik fırtınalara tepkileri üzerine, bu tip sıcaklık değişiminin modellenmesi için uluslararası referans olan fırtına hava modeli IRI-07'nin 2007 versiyonu. E katmanındaki gerçek fırtına tepkileri iyi, ancak F1 ve F2 katmanları için gerçek fırtına profillerini fazla tahmin etti.

İyonosfer üzerindeki antropojenik etkiler

Yaz aylarında 2017 , bir roket Falcon 9 adlı SpaceX 900 bir delik olan  Km iyonosferde. Bu, 1 m düzeyinde bir GPS hatasına neden oldu  .

İki frekans kullanma

Kaynaklar

Notlar ve referanslar

  1. (in) "  Uluslararası Referans İyonosfer  " üzerine ccmc.gsfc.nasa.gov (erişilen 30 Mayıs 2010 )
  2. D. Bilitza: 35 yıllık Uluslararası Referans iyonosfer - Karl Rawer'in mirası . Adv. Radio Sci. 2 s. 283-287, 2004
  3. [1]
  4. WRPiggott, K. Rawer (editörler): URSI Handbook of Ionogram Interpretation and Reduction . Elsevier Yay. Comp., Amsterdam 1961
  5. H. Mende, K. Rawer, E. Vassy, Bir roket üzerinde ölçülen iyonosfer tarafından radyoelektrik absorpsiyonu , raporlar, (Paris) 13, s. 231-233 1957
  6. SII (Suprathermal Ion Imager), Ocak 2007'de JOULE II roketi tarafından fırlatıldı
  7. L. Sangalli, DJ Knudsen, MF Larsen, T. Zhan, RF Pfaff ve D. Rowland, auroral iyonosferin çarpışma geçiş bölgesinde iyon hızı, nötr rüzgar ve elektrik alanının Rocket tabanlı ölçümleri , 2009, J. Geophys. Res., 114, A04306, doi: 10.1029 / 2008JA013757
  8. Karl Rawer: İyonosfer . Ungar, New York 1956
  9. ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/ionos/iri.html
  10. (inç) [2] GPS SPS Performans Standardı , sayfa A-16
  11. (en) JA Klobuchar, uydu navigasyonu ve hava trafik kontrol sistemi üzerindeki iyonosferik etkiler , AGARD ders serisi n ° 93, 1978
  12. (tr) AO Olawepo ve JO Adeniyi , “  ekvatoral enlem güçlü jeomanyetik fırtınaların İmzalar  ” , Uzay Araştırmaları Gelişmeler , vol.  53, n o  7,Nisan 2014, s.  1047–1057 ( DOI  10.1016 / j.asr.2014.01.012 , çevrimiçi okuma , 29 Ekim 2020'de erişildi )
  13. FORMOSAT - 5 Uydu DOI: 10.1002 / 2017SW001738'in Başlatılmasıyla Tetiklenen İyonosferdeki Devasa Dairesel Şok Akustik Dalgalar .