De ionosfeer van de aarde
Overzicht – Nacht – Dag – Zonsopgang en Zonsondergang –
Zonnevlam – Bliksem – Monster Data
Overzicht
De ionosfeer wordt gedefinieerd als de laag van de aardatmosfeer die door zonne- en kosmische straling wordt geïoniseerd. Zij bevindt zich 75-1000 km (46-621 mijl) boven de aarde. (De straal van de aarde is 6370 km, dus de dikte van de ionosfeer is vrij klein in vergelijking met de grootte van de aarde). Door de hoge energie van de Zon en van kosmische stralen zijn de atomen in dit gebied ontdaan van één of meer van hun elektronen, of “geïoniseerd”, en zijn zij daardoor positief geladen. De geïoniseerde elektronen gedragen zich als vrije deeltjes. De bovenste atmosfeer van de zon, de corona, is zeer heet en produceert een constante stroom van plasma en UV- en röntgenstralen die van de zon naar buiten stromen en de ionosfeer van de aarde beïnvloeden, of ioniseren. Slechts de helft van de ionosfeer van de aarde wordt op elk moment door de zon geïoniseerd.
S nachts, zonder tussenkomst van de zon, ioniseren kosmische stralen de ionosfeer, zij het lang niet zo sterk als de zon. Deze energierijke stralen zijn afkomstig van bronnen in ons eigen melkwegstelsel en het heelal – roterende neutronensterren, supernovae, radiosterrenstelsels, quasars en zwarte gaten. De ionosfeer is ’s nachts dus veel minder geladen, en daarom zijn veel ionosferische effecten ’s nachts gemakkelijker waar te nemen – er is een kleinere verandering nodig om ze op te merken.
De ionosfeer is voor ons van groot belang, onder andere omdat hij van invloed is op de radioverspreiding naar verafgelegen plaatsen op aarde, en tussen satellieten en de aarde. Voor de zeer laagfrequente (VLF) golven die de ruimteweermonitors volgen, vormen de ionosfeer en de aarde een “golfgeleider” waardoor radiosignalen kunnen weerkaatsen en hun weg rond de gebogen aarde kunnen vinden:
De ionosfeer van de aarde en de aarde vormen een “golfgeleider” waardoor
VLF-radiosignalen zich kunnen voortplanten of rond de aarde kunnen “weerkaatsen”.
Image met dank aan Morris Cohen, Stanford University
De ionosfeer bestaat uit drie hoofddelen, die om onduidelijke historische redenen zo worden genoemd: de D-, E- en F-regio’s. De elektronendichtheid is het hoogst in het bovenste, of F-gebied. Het F-gebied bestaat zowel overdag als ’s nachts. Overdag wordt het geïoniseerd door zonnestraling, ’s nachts door kosmische straling. Het D-gebied verdwijnt ’s nachts in vergelijking met overdag, en het E-gebied wordt zwakker.
De aardatmosfeer en ionosfeer
Terug naar boven
Nacht
Tijdens de nacht (afbeelding onder, rechts), bestaat de ionosfeer alleen uit de F- en E-lagen. Een VLF-golf van een zender weerkaatst tegen de ionen in de E-laag en kaatst terug.
Terug naar boven
Dag
Overdag (afbeelding boven, links) verhoogt het röntgen- en UV-licht van de zon de ionisatie van de ionosfeer, waardoor de D-laag ontstaat, de E-laag wordt versterkt en het F-gebied in twee lagen wordt gesplitst. De D-laag is normaal niet dicht genoeg om de radiogolven te weerkaatsen. De E-laag is dat echter wel, zodat de VLF-signalen door de D-laag gaan, op de E-laag weerkaatsen, en door de D-laag weer naar beneden naar de grond gaan. De signalen verliezen energie naarmate ze door de D-laag dringen, zodat radio’s overdag zwakkere signalen van de zender opvangen. Bij een zonnevlam wordt zelfs de D-laag geïoniseerd, waardoor signalen kunnen weerkaatsen.
Terug naar boven
Zonsopgang en zonsondergang
De reflectiehoogte voor VLF-golven verandert van ongeveer 70 km overdag tot ongeveer 85 km ’s nachts (44-53 mijl). Tijdens zonsopgang treft het zonlicht de ionosfeer vóór de grond, en bij zonsondergang blijft het licht de ionosfeer treffen nadat de zon boven de grond is ondergegaan. De tijd die de zon nodig heeft om de ionosfeer te ioniseren is vrijwel onmiddellijk.
Dus bij zonsopgang en zonsondergang is het signaal dat uw SID-monitor opvangt in feite het effect van de VLF-golven die op de ionosfeer weerkaatsen over het gehele traject van zender naar ontvanger, dat enkele duizenden kilometers kan zijn. Met andere woorden, de monitor registreert dit proces van verandering in omstandigheden wanneer zonlicht over het pad tussen zender en ontvanger gaat. De lengte van het effect hangt af van de afstand in de lengterichting tussen de twee plaatsen (omdat de terminator voor zonsopgang en zonsondergang er langer over doet om over het pad te gaan). Als men dus hoofdzakelijk kijkt naar noord/zuid-paden tussen zender en ontvanger, zullen de gegevens een duidelijk afgebakende “dag” en een duidelijk afgebakende “nacht” laten zien, met een vrij snelle overgang. Voor paden die ver uit elkaar liggen in lengtegraad duurt het effect van zonsopgang en zonsondergang echter veel langer en zijn de veranderingen niet zo snel. Ook de breedtegraad speelt een rol, want de equatoriale dag is even lang, maar de dag op hogere breedtegraden is zeer seizoensgebonden.
Terug naar boven
Zonnevlammen
Zonnevlammen in beeld gebracht door de TRACE-satelliet.
Foto met dank aan NASA.
Wanneer een zonnevlam plaatsvindt, verhoogt de röntgenenergie van de vlam de ionisatie van alle lagen, inclusief de D. De D wordt nu dus sterk genoeg om de radiogolven op een lagere hoogte te weerkaatsen. Tijdens een zonnevlam leggen de golven dus minder afstand af (ze kaatsen af op D in plaats van op E of F). De signaalsterkte neemt gewoonlijk toe omdat de golven geen energie verliezen door de D-laag heen. De sterkte van de VLF-golven tijdens een zonnevlam kan echter zowel toe- als afnemen. De signaalsterkte kan afnemen omdat hoe lager de golven reflecteren, hoe meer botsingen, of interferenties van golven, er zullen zijn vanwege de dikkere atmosfeer. Deze botsingen van golven kunnen resulteren in destructieve interferentie, zoals te zien is in onderstaand diagram:
Image from New Worlds, http://newworlds.colorado.edu/starshade/
In feite zijn botsingen in de buurt van de reflectiehoogte het voornaamste dempingsmechanisme van de VLF-golven. Er zijn echter nog andere factoren, zodat niet alle verstoringen tot een afname leiden. Zodra de röntgenstraling ophoudt, houdt de plotselinge ionosferische storing (SID) op doordat de elektronen in de D-regio snel recombineren en de signaalsterkte weer normaal wordt.
Terug naar boven
Bliksem
Overdag overstemt de ionisatie van de zon over het algemeen de effecten van bliksem. Maar ’s nachts kunnen bliksemstormen de ionosfeer ioniseren en zo de plaats waar de radiogolven weerkaatsen veranderen.
Foto uit de NOAA-fotobibliotheek.
Als u ’s nachts veel “wiebels” in uw gegevens ziet, reageren de radiogolven waarschijnlijk op een bliksemstorm ergens tussen uw locatie en de zender. Door de weerberichten te controleren, en uw gegevens te vergelijken met gegevens van andere locaties, kunt u soms achterhalen waar deze onweersbuien waren!
Sterrennacht van SID-gegevens
Terug naar boven
Samplegegevens
Bekijk SID-monitor samplegegevens van WSO in Palo Alto, Californië, VS. Monitoring van de zender NAA in Cutler, Maine, VS
Terug naar boven
<Terug – Volgende >