L'ionosphère
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Voir aussi : le Soleil - Le magnétisme - Le cycle solaire - La magnétosphère - Les aurores polaires - Sondage ionosphérique -

Définition

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 ionisés à très faible pression (entre 2.10-2 mb et 1.10-8 mb) et à haute température (-20 à +1000°C)

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 s'affranchir de la rotondité de la Terre, Oliver HEAVISIDE en Angleterre et Arthur 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 Edward APPLETON met en évidence par l'expérience la présence des couches imaginées par Heaviside et Kennelly.
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 ionosphere, proposé par Robert WATSON-WATT, remplace celui de couches de Kennelly-Heaviside
1931 Sidney Chapman élabore sa théorie de formation des couches de l'ionosphère par l'action du rayonnement UV solaire.

Principe

La pression de l'air qui constitue l'atmosphère diminue à mesure que l'on s'éloigne de la surface du sol. A 60 km d'altitude elle n'est plus que de 2 pascals. Au-delà de 60 km d'altitude, l'atmosphère n'agit plus guère comme filtre du rayonnement solaire et cosmique, les rayons UV et rayon X sont de plus en plus agressifs et provoquent une ionisation des molécules de gaz (azote, oxygène...) 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 (ou célibataires !).
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 disparaît que lentement après que le rayonnement solaire se soit interrompu avec le coucher du Soleil.

Etude 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. Sur la figure ci-contre on peut voir que pour la fréquence de 5 MHz, la couche F2 renvoie l'onde émise verticalement à une hauteur virtuelle de 290 et de 330 km environ.
Depuis 1960, les satellites artificiels et sondes spatiales ont permis une meilleure compréhension des phénomènes ionosphériques.

Les couches

On distingue généralement 3 couches aux propriétés particulières vis-à-vis de la propagation des ondes.
Couche D : altitude de 60 à 90 km, pression 2 Pa, température -76°C densité électronique 10
10 e/m3.
Constituée d'ions polyatomiques. Absorbante pour les ondes de fréquence inférieure à quelques MHz, elle disparaît immédiatement après le coucher du Soleil.
Couche E : altitude de 90 à 120 km, pression 0,01 Pa, température -50°C densité électronique 10
11 e/m3.
Constituée d'oxygène et monoxyde d'azote moléculaires ionisées 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 moment du solstice d'été (mai à août) 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 1000°C densité électronique 1010 e/m3.
Constituée d'atomes d'oxygène, d'azote ainsi que d'hydrogène. Très dépendante de l'activité solaire, elle est particulièrement présente pendant les maxima du cycle solaire. Son altitude fluctue en fonction du rayonnement solaire et se décompose pendant la journée en deux sous-couches F1 et F2. Elle s'atténue disparaît la nuit plusieurs heures après le coucher du Soleil mais il arrive qu'elle persiste toute la nuit lors des maxima d'activité solaire. Comme pour la couche E, son rôle est essentiel pour la propagation des ondes courtes.

Evolution des différentes couches en fonction de l'heure

L'ionisation variant énormément en fonction du cycles solaire, de la saison, de l'heure du jour... les couches qui nous intéressent évoluent dans les mêmes proportions. Le diagramme ci-contre, très grossier, pourrait correspondre à une journée d'été sous une latitude moyenne de l'hémisphère nord, en période de maximum du cycle solaire. On peut y voir le dédoublement de la couche F en F1 et F2 en même temps que l'apparition de la couche E et de la couche D pendant la journée.

Profil d'ionisation

Le nombre d'électrons par m3 N varie non seulement en fonction de l'altitude mais aussi en fonction de l'époque et de l'heure. Sur le diagramme ci-contre sont représentées en fonction de l'altitude :
- en bleu, la variation de N la nuit
- en rouge, la variation de N le jour
Ces valeurs sont un exemple-type correspondant à une latitude moyenne. Elles peuvent être assez différentes en fonction de l'activité solaire.
A droite des courbes sont indiquées la position approximative des différentes régions D, E et F.
Le profil d'ionisation permet de déterminer la fréquence critique ainsi que la hauteur virtuelle à laquelle s'effectuent les réflexions des ondes.