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Ionosphère, couche atmosphérique supérieure, de quoi s'agit-il?

Altitude de l'ionosphere 

L’ionosphère est la couche supérieure de l'atmosphère terrestre ionisée par les rayons UV solaires. Elle s’étend depuis environ 80 km d’altitude jusqu’au-delà de 1000 km.

À environ 50 km au-dessus de la surface de la Terre, les électrons et les ions commencent à jouer un rôle important dans le comportement de la haute atmosphère dans une région appelée l’ionosphère. Il est important de noter qu’à l’altitude où la densité électronique est la plus élevée (106 électrons / cm³ à 250 km), environ une particule d’air sur 1 000 est ionisée.

Malgré le faible rapport de densité entre les particules chargées et neutres, l’ionosphère dicte ses propres conditions en initiant un champ électrique qui lie ensemble des particules chargées de signes opposés. Le champ magnétique terrestre agit également sur les particules chargées de l'ionosphère et, par conséquent, leur comportement aéronomique diffère fortement de celui des particules neutres.

Au-delà d’une altitude variant entre 2000 et 3000 km, la fréquence des chocs entre les particules chargées de l’ionosphère est si faible que ces particules peuvent parcourir de grandes distances sans subir de nouvelles collisions. Les mouvements des particules sont alors déterminés uniquement par les champs gravifique et magnétique terrestres et par la présence de champs électriques.

Transport d'énergie de la magnétosphère dans l’ionosphère

L’ionosphère et la magnétosphère sont connectées par le biais des lignes de force magnétiques. Celles-ci sont des conducteurs d’électricité presque parfaits.

Par conséquent, l'énergie électromagnétique disponible dans la magnétosphère est transportée dans l’ionosphère via des courants électriques qui suivent les lignes de champ géomagnétique, appelés courants de Birkeland.

Les aurores polaires sont la manifestation la plus spectaculaire de ce transfert d'énergie, dont les mécanismes physiques restent relativement méconnus.

Sources de l'ionosphère

  • La lumière ultraviolette du Soleil est la source principale de cet environnement qui ionise les atomes et molécules dans la haute atmosphère terrestre (50-1000 km d'altitude). Ce processus appelé « photoionisation ».
     
  • Les rayons X et gamma sont produits lorsque des événements solaires tels que des éruptions solaires se produire. Arrivés à la Terre à peine huit minutes plus tard, ils augmentent la densité de l’ionosphère du côté terrestre.
     
  • Des protons et des électrons à grande vitesse, produits par les événements solaires, arrivant à la Terre quelques heures à quelques jours plus tard, se précipitent dans l’ionosphère dans les régions polaires produisant fortes augmentations de la densité de l'ionosphère à basse altitude.
     
  • Les particules du vent solaire et du rayonnement cosmique peuvent également ioniser la haute atmosphère de la Terre.

 

Trois régions de l'ionosphère (densité et altitude)

L’ionosphère est habituellement divisée horizontalement en différentes couches, baptisées D, E et F dans lesquelles l’ionisation croît avec l’altitude.

Ces couches proviennent des différences de pénétrations dans l’atmosphère des rayonnements solaires selon leur énergie.

Région D entre 50 et 90 km surtout des ions polyatomiques hydratés 102-104 ions/cm³
Région E de 90 à 150 km contient des ions NO+, O2+, et des ions métalliques 103-105 ions/cm³
Région F de 150 à quasi 1000 km où elle se confond peu à peu avec la magnétosphère 105 à 106 ions/cm³

 

Histoire, découverte de l'ionosphère

En 1901, Guglielmo Marconi établit une liaison transatlantique par radio. Mais 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 imaginèrent dès 1902 l'existence à très haute altitude de couches réfléchissantes pour les ondes radio: les couches de Kennelly-Heaviside.

En 1925, le physicien anglais Appleton mit en évidence par l'expérience la présence de ces couches imaginées par Heaviside et Kennelly. Peu après Appleton, les physiciens américains Breit et Tuve mesurèrent la hauteur des couches de l'ionosphère à l'aide d'un émetteur d'impulsions radioélectriques.

Ce n’est qu’en 1929 que le mot ionosphère finit par remplacer celui de couche d'Appleton.

Aurora, Lofoten, Norvège. Image credits Jeroen van Gent.
Les différentes couches de l’ionosphère en fonction de l’altitude. Crédit : Navy.
L’existence de l’ionosphère terrestre a été confirmée en 1901 par Guglielmo Marconi, qui a réalisé la première communication radio transatlantique.