- Couches de Kennelly-Heaviside
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Ionosphère
L’ionosphère est une région de l'atmosphère terrestre 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 (=plasma) à très faible pression (entre 2×10-2 hPa et 1×10-8 hPa) et à haute température (-20 à +1 000 °C).
Sommaire
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, Heaviside en Angleterre et Kennelly en Amérique imaginent l'existence à très haute altitude de couches réfléchissantes pour les ondes radio : les couches de Kennelly-Heaviside.
- 1925 : Le physicien 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 des couches de l'ionosphère à l'aide d'un émetteur d'impulsions radioélectriques.
- 1929 : Le mot ionosphère, proposé par Robert Watson-Watt, remplace celui de couche d'Appleton.
- 1931 : Sydney Chapman élabore sa théorie de formation des couches de l'ionosphère 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 2 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'ionosphère, la densité de molécules d'air est encore élevée, les collisions entre électrons et ions sont fréquentes ; 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.
Étude de l'ionosphère
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, ainsi qu'aux vitesses de déplacement de ces ions ("vents ionosphériques"). Des sondeurs furent installés en France à Saint-Santin-de-Maurs avec trois récepteurs dont le radiotélescope de Nançay, en Grande-Bretagne à Malvern, aux États-Unis à Millstone Hill et Arecibo (Porto-Rico), au Pérou à Jicamarca, ainsi qu'en Russie. Les trois derniers ainsi qu'Eiscat, le sondeur européen implanté dans le Grand nord scandinave, sont toujours en activité.
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 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 et monoxyde d'azote moléculaires ionisés et d'ions météoritiques. Diurne et présente tout au long du cycle solaire. Elle réfléchit les ondes de quelques MHz jusqu'à une fréquence limite qui dépend de l'angle d'incidence de l'onde 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, voire quelques heures, 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 1 000 °C, densité électronique 106. Constituée d'atomes d'oxygène, d'azote et d'hydrogène. 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. Or la théorie nous apprend qu'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 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
À 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 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
Ionosphère et GPS
Bien que le GPS travaille dans la bande L, il subit les modifications de l'ionosphère. Les variations de l'ionosphère entraînent 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
Sources
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
- ↑ SII (Suprathermal Ion Imager) a été lancé en janvier 2007 par la fusée JOULE II
- ↑ Sangalli, L., D. J. Knudsen, M. F. Larsen, T. Zhan, R. F. Pfaff, and D. Rowland (2009), Rocket‐based measurements of ion velocity, neutral wind, and electric field in the collisional transition region of the auroral ionosphere, J. Geophys. Res., 114, A04306, doi:10.1029/2008JA013757
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