Ionosphère
Source: Wikipédia sous licence CC-BY-SA 3.0.
La liste des auteurs de cet article est disponible ici.

L’ionosphère est une région de l'atmosphère située entre la mésosphère et la magnétosphère, c'est-à-dire entre 60 et 800 km d'altitude. Elle est constituée de gaz fortement ionisé à très faible pression (entre 2.10-2 mb et 1.10-8 mb) et à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant...) (-20 à +1000°C).

Généralités

Historique

  • 1901 : Marconi établit une liaison transatlantique par radio.
  • 1902 : Les ondes électromagnétiques ne se propagent qu'en ligne droite, du moins dans un milieu homogène. Pour expliquer comment les signaux radiotélégraphiques émis par Marconi ont pu contourner la rotondité de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...), Heaviside en Angleterre (L’Angleterre (England en anglais) est l'une des quatre nations constitutives du Royaume-Uni. Elle est de loin la plus peuplée, avec 50 763 000 habitants (en 2006), qui...) et Kennelly en Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de...) imaginent l'existence à très haute altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et...) de couches réfléchissantes pour les ondes radio : les couches de Kennelly-Heaviside
  • 1925 : Le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot...) anglais Appleton met en évidence par l'expérience la présence des couches imaginées par Heaviside et Kennelly. Ces couches prennent le nom de couche d'Appleton
  • 1925 : peu après Appleton, les physiciens américains Gregory Breit et Merle Antony Tuve mesurent la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) des couches de l'ionosphère (L’ionosphère est une région de l'atmosphère située entre la mésosphère et la magnétosphère, c'est-à-dire entre 60 et 800 km d'altitude. Elle est constituée de gaz fortement...) à l'aide d'un émetteur d'impulsions radioélectriques.
  • 1929 : Le mot ionosphere, proposé par Robert Watson-Watt, remplace celui de couche d'Appleton
  • 1931 : Sidney Chapman élabore sa théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative,...) de formation des couches de l'ionosphère par l'action du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) UV solaire.

Principe

La densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le...) de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les...) qui constitue l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) diminue à mesure que l'on s'éloigne de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) du sol. À 60 km d'altitude la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de l'air n'est plus que de 2 Pa. Au-delà de 60 km d'altitude, l'atmosphère n'agit plus guère comme filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) du rayonnement solaire (En plus des rayons cosmiques (particules animées d'une vitesse et d'une énergie extrêmement élevées), le Soleil rayonne des ondes électromagnétiques dont le spectre...) et cosmique, les rayons ultraviolets et X sont de plus en plus agressifs et provoquent une ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en...) des molécules de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni...) (diazote, dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions normales de pression et de température.)...) de l'air en arrachant des électrons aux atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec...) les constituant. Parmi les molécules d'air se trouvent donc des ions positifs (molécules ou atomes à qui il manque un ou plusieurs électrons) et des électrons orphelins. Une ionisation très localisée et pendant une très courte durée peut être provoquée par les chutes de météorites.

Dans la partie basse de l'ionosphère, la densité de molécules d'air est encore élevée, la promiscuité entre électrons et ions est grande et un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) peut retrouver rapidement un ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par...) positif : la recombinaison est rapide. Dans les couches les plus hautes, la recombinaison est plus lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) et l'ionisation ne diminue que lentement après que le rayonnement solaire s'interrompt avec le coucher du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...).

Étude de l'ionosphère

Le sondeur vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) est une sorte de radar (Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la distance et/ou la vitesse d'objets tels que les avions, bateaux, ou encore la pluie. Un émetteur envoie des ondes radio, qui sont...) dont la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence...) est variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. En statistiques, une variable peut aussi...) 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 (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) 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.

Image:Ionogramme.png

Depuis les années 1960, les satellites (Satellite peut faire référence à :) artificiels et sondes spatiales ont permis une meilleure compréhension in situ des phénomènes ionosphériques et les interactions avec la magnétosphère (La magnétosphère est la région entourant un objet céleste dans lequel les phénomènes physiques sont dominés ou organisés par son champ magnétique.).

De plus, durant ces mêmes années s'est développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) une nouvelle technique d'étude de l'ionosphère depuis le sol : la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition »...) incohérente. Dans cette technique une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de...) UHF (400 MHz à 1 GHz suivant les installations) de très forte puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) (plusieurs centaines de kW) est émise vers l'ionosphère où elle est diffusée dans toutes les directions par les électrons ionosphériques. La puissance reçue au sol en retour est très faible, et nécessite de grandes antennes et un traitement du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. ...) pour extraire les informations. Cette technique permet d'avoir accès à la composition de l'ionosphère, la température des ions, et les vitesses de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense...) de ces ions ("vents ionosphériques"). Des sondeurs furent installés en France à Saint-Santin-de-Maurs avec 3 récepteurs dont le radiotéléscope de Nançay; Malvern (Grande-Bretagne); Millstone Hill (États-Unis); Arecibo (Porto-Rico); Jicamarca (Pérou), ainsi qu'en Russie. Les trois derniers ainsi qu'EISCAT, le sondeur européen implanté dans le Grand Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) scandinave (Finlande, Suède, Norvège), sont toujours en activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.).

Les couches

On distingue généralement 3 couches aux propriétés particulières vis-à-vis de la propagation des ondes (La propagation des ondes est un domaine de la physique s'intéressant aux déplacements des ondes électromagnétiques dans les milieux. On distingue généralement deux catégories de propagation :).

  • Couche D : altitude de 60 à 90 km, pression 2 Pa, température -76°C densité électronique 104. Constituée d'ions polyatomiques. Absorbante pour les ondes de fréquence inférieure à quelques MHz, elle apparaît avec le lever du Soleil et disparaît immédiatement après le coucher de celui-ci.
  • Couche E : altitude de 90 à 120 km, pression 0,01 Pa, température -50°C densité électronique 105. Constituée d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) et monoxyde d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz...) moléculaires ionisés et d'ions météoritiques. Diurne et présente tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) au long du cycle solaire (Un cycle solaire est une période pendant laquelle l'activité du Soleil varie en reproduisant les mêmes phénomènes que pendant la période de même durée précédente.). Elle réfléchit les ondes de quelques MHz jusqu'à une fréquence limite qui dépend de l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) d'incidence de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de...) sur la couche et de la densité de celle-ci. Au cours de l'été, en moyennes latitudes, apparaissent parfois pendant quelques dizaines de minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée...), voire quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :), des " nuages " fortement ionisés dans la couche E (on parle de sporadique E ou Es)
  • Couche F : altitude de 120 à 800 km, pression 1.10-4 Pa, température 1000°C densité électronique 106. Constituée d'atomes d'oxygène, d'azote et d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.). Très dépendante de l'activité solaire, elle présente un niveau d'ionisation très important pendant les maxima du cycle solaire. Son altitude fluctue en fonction du rayonnement solaire; la couche F se décompose pendant la journée en deux sous-couches F1 et F2. Ces deux sous-couches se recombinent la nuit plusieurs heures après le coucher du Soleil mais il arrive qu'elles persistent toute la nuit lors des maxima d'activité solaire. Comme pour la couche E, le rôle de la couche F est essentiel pour la propagation des ondes courtes.

Rayonnements solaires et mécanisme de création des couches

L'ionosphère n'est rien d'autre qu'un gaz ionisé, c'est-à-dire un plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant...). Comme nous l'avons vu au collège (Un collège peut désigner un groupe de personnes partageant une même caractéristique ou un établissement d'enseignement.) un gaz remplit uniformément tout l'espace dont il dispose, alors pourquoi il y a-t-il des couches dans l'ionosphère ?

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 (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.). De plus, il n'y a pas un rayonnement solaire mais des rayonnements dont le spectre s'étend de l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) au rayon X (Les rayons X sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence dont la longueur d'onde est comprise approximativement entre 5 picomètres et 10 nanomètres. L'énergie de ces photons va de...). 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 (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de...) de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) 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 ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le...) de paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) électron-ion

A l'équilibre : les couches de l'ionosphère

Ionosphère et ondes radio

L'existence de l'ionosphère fut mise en évidence avec les premières expériences de transmission radio intercontinentales. La propagation des ondes radio (Les ondes radio ou ondes hertziennes sont des ondes électromagnétiques qui se propagent de deux façons :) de fréquences comprises entre quelques centaines de kilohertz et quelques dizaines de mégahertz est intimement liée à l'état de l'ionosphère. Elle peut être favorisée ou perturbée selon la fréquence de l'onde radio (Les ondes radioélectriques (dites ondes radio) sont des ondes électromagnétiques dont la fréquence d'onde est par convention[1] comprise entre 9 kHz et 3000 GHz, ce qui correspond à des longueurs d'onde de 33 km à 0,1 mm.), la position géographique de l'émetteur et du récepteur ainsi que le moment où la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine...) est tentée. Le moment de la journée, la saison (La saison est une période de l'année qui observe une relative constance du climat et de la température. D'une durée d'environ trois mois (voir le tableau Solstice et Équinoxe...) et le cycle solaire sont des paramètres très 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 VHF il subit les modifications de l'ionosphère. Les variations de l'ionosphère entrainent une déviation du signal GPS ainsi qu'une modification du temps de parcours de l'onde. Tout cela a obligé les concepteurs de satellites GPS à mettre en œuvre des techniques de correction.

Relation entre le temps et la distance

La position

Utilisation de deux fréquences

GPS différentiel (Un différentiel est un système mécanique qui a pour fonction de distribuer une vitesse de rotation de façon adaptative aux besoins d'un ensemble...)

Page générée en 0.124 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique