Jonosfera

Jonosfera – warstwa atmosfery (zob. atmosfera ziemska), dla której charakterystyczna jest obecność koncentrycznych kręgów częściowo zjonizowanych gazów. Gazy te tworzą plazmę – mieszaninę jonów i elektronów.


Jonosfera przynależy do górnej, silnie rozrzedzonej części atmosfery – wchodzi w skład termosfery, umiejscowiona jest ponad stratosferą, pomiędzy mezosferą a egzosferą. Cała termosfera jest warstwą zjonizowaną, jonosfera stanowi przy tym jej główną część składową. Jonosfera znajduje się na wysokości od około 30-80 do około 400-600 kilometrów nad powierzchnią Ziemi (najwyższe warstwy jonosfery rozciągają się przy tym nawet do 1000 kilometrów nad powierzchnią Ziemi). Graniczy z magnetosferą, w której znajdują się pasy Van Allena.

Jonizacja cząsteczek azotu i tlenu na skutek oddziaływania promieniowania ultrafioletowego i rentgenowskiego, które pochodzi ze Słońca stwarza warunki to wytworzenia się warstw cząsteczek zjonizowanych. Pozwalają one na propagację fal radiowych, a w rezultacie na odbiór sygnału radiowego na całym świecie. Istnienie jonosfery umożliwia więc długodystansową komunikację bezprzewodową.

Etymologia: od wyrazów “jon” (z języka greckiego ion – “idący”) i “sfera” (z języka łacińskiego, sphaera – “kula”).

Jonosfera – główne właściwości

Stopień i rozkład przestrzenny jonizacji w jonosferze określa się jako “stan jonosfery”. Poziom jonizacji i wysokość warstw zjonizowanych warstw gazów są przy tym zmienne – tak w ujęciu dziennym, jak i sezonowym (rocznym) i długookresowym. Wahania te związane są także z szerokością geograficzną. Do przyczyn zmienności we właściwościach jonosfery należą ilość promieniowania ultrafioletowego docierającego do niej ze Słońca oraz wpływ pola magnetycznego Ziemi. Szczególnie istotna jest przy tym zmienność dobowa jonosfery, która nad oświetloną półkulą jest mniej jednorodna i grubsza. Pozostałe wahania w stanie jonosfery wiążą się głównie z cyklicznymi zmianami w aktywności Słońca.

Przyczyną powstawania jonosfery są promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie korpuskularne Słońca, określane jako wiatr słoneczny. W mniejszym stopniu przyczyniają się do niego inne rodzaje promieniowania kosmicznego. W jonosferze powstają przede wszystkim jony azotu, jonu tlenu cząsteczkowego i jony tlenu wolnego – O+, NO+ i N+. Koncentracja elektronów i jonów jest zmienna nie tylko w czasie, związana jest również z odległością od powierzchni ziemi, wyróżnia się więc omówione niżej warstwy jonosfery. Zależy ona od przebiegów procesów jonizacji oraz od kombinacjo jonów. Procesy te mają określoną wydajność, na którą wpływa natężenie i rodzaj (długość fali) promieniowania, które wywołuje jonizację. Wpływa na nie także skład chemiczny powietrza i jego gęstość (która obniża się wraz ze wzrostem wysokości).

Zmiany w jonosferze powodują zakłócenia w łączności radiowej, w tym całkowity zanik fal o określonej długości. Ze zmianami w stanie jonosfery wiąże się zjawisko Dellingera (efekt Dellingera-Mögela). Polega ono na zaniku fal radiowych (przede wszystkim fal krótkich) na skutek zaburzeń jonosfery powodowanych przez rozbłysk słoneczny. Zanik fal radiowych związany z tym zjawiskiem jest powszechny i trwa około 15 sekund.

Fala radiowa, której propagacja wiąże się z odbiciem w jonosferze, to fala jonosferyczna. Fale jonosferyczne mają zasięg globalny, co możliwe jest dzięki ich wielokrotnemu odbijaniu się od jonosfery i powierzchni Ziemi. W jonosferze zachodzi przy tym nie tylko propagacja fal radiowych, ale także ich pochłanianie, załamanie, odbicie i polaryzacja. W niższych warstwach jonosfery odbiciu ulegają fale długie, są one natomiast przepuszczalne dla fal krótszych.

Temperatura w jonosferze waha się od ok. -80 stopni C w partiach dolnych do około 1000 stopni C w partiach górnych. Z jonosferą wiążą się również zachodzące w atmosferze zjawiska elektryczne – w jonosferze powietrze staje się dobrym przewodnikiem elektryczności. Z jonosferą wiąże się powstawanie burz, które przekazują ładunki dodatnie do jonosfery, zaś ładunki ujemne (w postaci piorunów) do powierzchni Ziemi. Jonosfera, jako warstwa atmosfery pochłaniająca promieniowanie ultrafioletowe, ma również duże znaczenie dla możliwości rozwoju życia na Ziemi.

Warstwy jonosfery

Jonosfera składa się z warstw – są to kolejno warstwa D, warstwa E oraz warstwa F (w tym warstwa F1 i warstwa F2). Warstwy te wyróżnia się ze względu na dominujący w każdej z nich mechanizm jonizacji oraz ze względu na właściwą dla niej gęstość elektronów. Dawniej wyróżniano również warstwę C (położoną poniżej warstwy D) oraz warstwę G (powyżej warstwy F). W niższych warstwach jonosfery występuje niższa koncentracja elektronów, w związku z czym warstwa D odbija jedynie fale długie. Warstwa D rozciąga się na pułapie 60-80 km, warstwa E na pułapie 80-180 km, warstwa F na pułapie 180-640 km (przy czym warstwa F1 występuje do wysokości 250 kilometrów, a warstwa F2 powyżej tej wysokości).

W warstwie D dominującym rodzajem jonizacji jest jonizacja tlenku azotu, na którą wpływa promieniowanie ultrafioletowe. Gęstość elektronów jest w mniej najmniejsza, wynosi 102 elektronów/cm3. Prócz dodatnich występują w niej jony ujemne, nieobecne w pozostałych warstwach jonosfery. Warstwa D wyróżnialna jest jedynie w czasie dnia.

W warstwie E jonizacji i dysocjacji podlega przede wszystkim tlen cząsteczkowy. Składa się ona z jonów dodatnich, a także z elektronów swobodnych i cząsteczek obojętnych. Warstwa E określana jest również jako warstwa Kenelly’ego lub jako warstwa Kenelly’ego-Heaviside’a. Nazwa ta pochodzi od nazwiska amerykańskiego uczonego Arthura E. Kenelly’ego i brytyjskiego uczonego Olivera Heaviside’a, który niezależnie od siebie odkryli jonosferę i jej główne właściwości. W języku polskim jest to określenie przestarzałe, utrzymuje się natomiast w terminologii angielskiej (Kenelly layer lub Kenelly-Heaviside layer),

W warstwie F jonizacji ulega głównie tlen atomowy oraz hel. Gęstość elektronów jest w niej największa, wynosi 106 elektronów/cm3. Najwyższa warstwa jonosfery charakteryzuje się najwyższą zawartością cząstek zjonizowanych na skutek niskiej gęstości występujących w niej gazów atmosferycznych. Warstwa F2 określana jest także jako warstwa Appletona (ang. Appleton layer), od nazwiska brytyjskiego fizyka Edwarda Victora Appletona. Wyróżniane w obrębie warstwy F warstwy F1 i F2 rozróżnialne są tylko w czasie dnia – w nocy nakładają się one na siebie. Warstwa F2, o największej gęstości elektronów, odgrywa przy tym największą rolę w propagacji fal radiowych.

Historia badań nad jonosferą

Nauka zajmująca się zjawiskami w jonosferze i innych najwyższych warstwach atmosfery to aeronomia (dział aerologii), stanowiąca część fizyki atmosfery. Traktuje o nich także heliofizyka, nauka o aktywności Słońca. Istnienie górnej warstwy atmosfery, która przewodzi elektryczność, a więc jonosfery, przewidział teoretycznie już w 1839 roku Carl Friedrich Gauss. Wiązało się to z wytłumaczeniem fluktuacji pola magnetycznego Ziemi.

Jonosferę odkryli niezależnie od siebie w 1902 roku dwaj uczeni – Amerykanin Arthur E. Kenelly i Brytyjczyk Oliver Heaviside. Odkrycie jonosfery stanowiło wyjaśnienie transatlantyckiej transmisji fal radiowych, którą w 1901 roku przeprowadził wynalazca radia, Guglielmo Marconi. Ostatecznie istnienie jonosfery potwierdziły badania brytyjskiego fizyka sir Edwarda Victora Appletona (1925), laureata nagrody Nobla za badania nad górnymi warstwami atmosfery i rozchodzeniem się fal radiowych.

Do badań jonosfery służą jonosondy oraz sztuczne satelity (np. seria radzieckich satelitów Kosmos i kanadyjskich satelitów ISIS). Przed powstaniem sztucznych satelitów stosowano także rakiety, w których umieszczona była aparatura pomiarowa. Systematyczne badania jonosfery za pomocą fal radiowych rozpoczęto w latach 20. XX wieku. Jonosonda, przyrząd do badania jonosfery za pomocą fal radiowych, zawiera nadajnik i odbiornik fal radiowych o zakresie 1–20 MHz – przybiera ona postać pionowej anteny. Otrzymywane dzięki jonosondom wykresy obrazujące aktywność jonosfery to jonogramy.


Tagi
Humanistyczna encyklopedia naukiWielka encyklopedia geograficzna świata

Dodaj komentarz