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 (-20 à +1000°C).
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 2 Pa. Au-delà de 60 km d'altitude, 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 (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 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 après que le rayonnement solaire s'interrompt avec le coucher du Soleil.
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.
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 mêmes années s'est développée une nouvelle technique d'étude de l'ionosphère depuis le sol : la diffusion incohérente. Dans cette technique une onde UHF (400 MHz à 1 GHz suivant les installations) de très forte puissance (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 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 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 scandinave (Finlande, Suède, Norvège), sont toujours en activité.
On distingue généralement 3 couches aux propriétés particulières vis-à-vis de la propagation des ondes.
L'ionosphère n'est rien d'autre qu'un gaz ionisé, c'est-à-dire un plasma. Comme nous l'avons vu au collège 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. De plus, il n'y a pas un rayonnement solaire mais des rayonnements dont le spectre s'étend de l'infrarouge au rayon 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.
L'existence de l'ionosphère fut mise en évidence avec les premières expériences de transmission radio intercontinentales. La propagation des ondes radio 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, la position géographique de l'émetteur et du récepteur ainsi que le moment où la communication est tentée. Le moment de la journée, la saison 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
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.