L’ionosphère terrestre
Vue d’ensemble – nuit – jour – effets du lever et du coucher du soleil –
Éruption solaire – foudre – échantillon. Data
Overview
L’ionosphère est définie comme la couche de l’atmosphère terrestre qui est ionisée par le rayonnement solaire et cosmique. Elle se situe à 75-1000 km (46-621 miles) au-dessus de la Terre. (Le rayon de la Terre est de 6370 km, l’épaisseur de l’ionosphère est donc minuscule par rapport à la taille de la Terre). En raison de la forte énergie provenant du Soleil et des rayons cosmiques, les atomes de cette zone ont été dépouillés d’un ou plusieurs de leurs électrons, ou « ionisés », et sont donc chargés positivement. Les électrons ionisés se comportent comme des particules libres. La haute atmosphère du Soleil, la couronne, est très chaude et produit un flux constant de plasma et de rayons UV et X qui s’échappent du Soleil et affectent, ou ionisent, l’ionosphère de la Terre. Seule la moitié de l’ionosphère terrestre est ionisée par le Soleil à tout moment.
Pendant la nuit, sans interférence du Soleil, les rayons cosmiques ionisent l’ionosphère, mais pas aussi fortement que le Soleil. Ces rayons de haute énergie proviennent de sources réparties dans notre propre galaxie et dans l’univers — étoiles à neutrons en rotation, supernovae, radiogalaxies, quasars et trous noirs. Ainsi, l’ionosphère est beaucoup moins chargée la nuit, ce qui explique pourquoi beaucoup d’effets ionosphériques sont plus faciles à repérer la nuit – il faut un changement plus petit pour les remarquer.
L’ionosphère a une importance majeure pour nous car, entre autres fonctions, elle influence la propagation radio vers des endroits éloignés sur la Terre, et entre les satellites et la Terre. Pour les ondes de très basse fréquence (VLF) que les moniteurs de météo spatiale traquent, l’ionosphère et le sol produisent un « guide d’ondes » à travers lequel les signaux radio peuvent rebondir et se frayer un chemin autour de la Terre incurvée :
L’ionosphère et le sol de la Terre forment un « guide d’ondes » à travers lequel
les signaux radio VLF peuvent se propager ou « rebondir » autour de la Terre.
Image courtoisie de Morris Cohen, Université de Stanford
L’ionosphère est composée de trois parties principales, nommées pour d’obscures raisons historiques : les régions D, E et F. C’est dans la région supérieure, ou région F, que la densité d’électrons est la plus élevée. La région F existe aussi bien le jour que la nuit. Le jour, elle est ionisée par le rayonnement solaire, la nuit par les rayons cosmiques. La région D disparaît pendant la nuit par rapport au jour, et la région E s’affaiblit.
L’atmosphère et l’ionosphère de la Terre
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La nuit
Pendant la nuit (image ci-dessous, à droite), l’ionosphère ne comporte que les couches F et E. Une onde VLF provenant d’un émetteur se réfléchit sur les ions de la couche E et rebondit.
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Journée
Le jour (image ci-dessus, côté gauche), les rayons X et UV du Soleil augmentent l’ionisation de l’ionosphère, créant la couche D et renforçant la couche E, et divisant la région F en 2 couches. La couche D n’est normalement pas assez dense pour réfléchir les ondes radio. En revanche, la couche E l’est, de sorte que les signaux VLF traversent la couche D, rebondissent sur la couche E et redescendent à travers la couche D jusqu’au sol. Les signaux perdent de l’énergie lorsqu’ils traversent la couche D et les radios captent donc des signaux plus faibles de l’émetteur pendant la journée. Lorsqu’une éruption solaire se produit, même la couche D devient ionisée, d’où la possibilité pour les signaux de rebondir sur elle.
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Effets du lever et du coucher du soleil
La hauteur de réflexion des ondes VLF passe d’environ 70 km le jour à environ 85 km la nuit (44-53 miles). Au lever du soleil, la lumière du soleil frappe l’ionosphère avant le sol, et au coucher du soleil, la lumière continue de frapper l’ionosphère après que le soleil se soit couché au-dessus du sol. Le temps nécessaire au Soleil pour ioniser l’ionosphère une fois qu’il la frappe est pratiquement instantané.
Donc, au lever et au coucher du soleil, le signal que votre moniteur SID capte est essentiellement l’effet des ondes VLF qui rebondissent sur l’ionosphère tout au long du trajet entre l’émetteur et le récepteur, qui pourrait être de plusieurs milliers de miles. En d’autres termes, le moniteur capte ce processus de changement des conditions lorsque la lumière du soleil balaie le chemin entre l’émetteur et le récepteur. La durée de l’effet dépend de la séparation longitudinale entre les deux sites (car le terminateur du lever/coucher du soleil met plus de temps à balayer le chemin). Par conséquent, si vous observez principalement les trajets nord/sud entre l’émetteur et le récepteur, les données montreront un « jour » bien défini et une nuit bien définie, avec une transition assez rapide. En revanche, pour les trajets très éloignés en longitude, l’effet du lever/coucher du soleil dure beaucoup plus longtemps et ne présente pas de changements aussi rapides. La latitude y contribue aussi, puisque le jour équatorial a la même durée, mais que les jours à plus haute latitude ont une durée très saisonnière.
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Éruption solaire
Des éruptions solaires imagées par le satellite TRACE.
Photo courtoisie de la NASA.
Lorsqu’une éruption solaire se produit, l’énergie des rayons X de l’éruption augmente l’ionisation de toutes les couches, y compris la D. Ainsi, la D devient maintenant suffisamment forte pour réfléchir les ondes radio à une altitude plus basse. Ainsi, pendant une éruption solaire, les ondes parcourent moins de distance (elles rebondissent sur D au lieu de E ou F). L’intensité du signal augmente généralement car les ondes ne perdent pas d’énergie en pénétrant dans la couche D. Cependant, l’intensité des ondes VLF pendant une éruption peut soit augmenter, soit diminuer. L’intensité du signal peut diminuer parce que plus les ondes se réfléchissent bas, plus il y a de collisions, ou d’interférences entre les ondes, en raison de l’épaisseur de l’atmosphère. Ces collisions d’ondes peuvent entraîner des interférences destructives, comme le montre le schéma ci-dessous :
Image de New Worlds, http://newworlds.colorado.edu/starshade/
En fait, les collisions près de la hauteur de réflexion sont le principal mécanisme d’amortissement des ondes VLF. Cependant, il existe d’autres facteurs, de sorte que toutes les perturbations n’entraînent pas une diminution. Dès la fin des rayons X, la perturbation ionosphérique soudaine (SID) prend fin car les électrons de la région D se recombinent rapidement et l’intensité des signaux revient à la normale.
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Foudre
Pendant la journée, l’ionisation du Soleil éclipse généralement tout effet de la foudre. Cependant, pendant la nuit, les orages de foudre peuvent ioniser l’ionosphère et donc modifier l’endroit où les ondes radioélectriques rebondissent.
Photo de la photothèque de la NOAA.
Si vous constatez de nombreuses « ondulations » dans vos données pendant la nuit, les ondes radioélectriques répondent probablement à un orage de foudre quelque part entre votre site et l’émetteur. En consultant les bulletins météorologiques et en comparant vos données avec celles d’autres endroits, vous pouvez parfois retrouver l’endroit où se sont produits ces orages !
Nuit orageuse de données SID
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Données d’échantillon
Voir les données d’échantillon du moniteur SID du WSO à Palo Alto, en Californie, aux États-Unis. Surveillance de l’émetteur NAA à Cutler, Maine, États-Unis
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