Ionosphère

Définition

L'ionosphère, formée de 3 couches distinctes, constitue une barrière cruciale entre la basse atmosphère et l'espace extra-atmosphérique. Comportant des ions et des électrons en densité suffisante, elle permet de renvoyer les ondes électromagnétiques.

L'ionosphère et sa situation altitudinale :

L'ionosphère est distinguée par plusieurs couches (D, E et F), commençant dans la mésosphère, puis s'étendant dans la thermosphère jusqu'à l'exosphère. Les 3 couches de l'ionosphère s'étendent sur des altitudes allant approximativement de 50 à 1 000 km. Elle commence dans la partie supérieure de la mésosphère pour traverser intégralement la thermosphère et finir dans l'exosphère.

Explications

L'atmosphère terrestre contient une série de régions qui contiennent un nombre relativement important d'atomes et de molécules chargés électriquement. En tant que groupe, ces régions sont appelées collectivement l'ionosphère.

✅ L'ionosphère se forme principalement lorsque les composantes les plus énergétiques du spectre solaire – les rayons X et la lumière ultraviolette extrême – frappent la face éclairée de la Terre. Ces photons à haute énergie frappent la face diurne de la Terre, ionisant la haute atmosphère et perdant de l'énergie au passage. Lorsque le faisceau pénètre dans l'atmosphère, il devient de plus en plus faible, laissant derrière lui une couche d'ionisation. Une partie de l'énergie se transforme en chaleur et en ionisation de l'air, ce qui entraîne une augmentation de la température à des valeurs bien plus élevées que dans n'importe quelle partie de l'atmosphère dense située en dessous. La vie sur Terre est ainsi protégée par sa haute atmosphère de ces photons dangereux, tout comme la couche d'ozone (ozonosphère) absorbe la composante ultraviolette de moindre énergie, mais néanmoins nocive, du spectre solaire.

Les rayons X à haute énergie et la "lumière" ultraviolette (UV) du Soleil entrent constamment en collision avec les molécules de gaz et les atomes de la haute atmosphère terrestre. Certaines de ces collisions libèrent les électrons des atomes et des molécules, créant ainsi des ions chargés électriquement (atomes ou molécules avec des électrons manquants) et des électrons libres.

Ces ions et électrons chargés électriquement se déplacent et se comportent différemment des atomes et molécules normaux et électriquement neutres. Les régions avec des concentrations plus élevées d'ions et d'électrons libres se trouvent à plusieurs altitudes différentes et sont connues, en tant que groupe, sous le nom d'ionosphère.

✅ L'ionosphère tire son nom du rayonnement solaire qui ionise les molécules de gaz pour créer un ion chargé positivement et un ou plusieurs électrons chargés négativement. Ces électrons libérés se déplacent dans l'ionosphère sous forme de courants électriques. Grâce à ces ions libres, l'ionosphère possède de nombreuses caractéristiques intéressantes.

Couches ionosphériques

Il existe trois régions principales de l'ionosphère, appelées couche D, couche E et couche F. Ces régions n'ont pas de frontières nettes et les altitudes auxquelles elles se trouvent varient au cours d'une journée et d'une saison à l'autre. La région D est la plus basse, commençant à environ 60 ou 70 km au-dessus du sol et s'étendant vers le haut jusqu'à environ 90 km. Ensuite, plus haut se trouve la région E, commençant à environ 90 ou 100 km et s'étendant jusqu'à 120 ou 150 km. La partie la plus élevée de l'ionosphère, la région F, commence à environ 150 km et s'étend très haut, parfois jusqu'à 500 km (et même 1 000 km) au-dessus de la surface de notre planète.

Les régions de l'ionosphère ne sont pas considérées comme des couches distinctes, comme la troposphère et la stratosphère, plus familières. Au lieu de cela, ce sont des régions ionisées intégrées dans les couches atmosphériques standards. La région D se forme généralement dans la partie supérieure de la mésosphère, tandis que la région E apparaît généralement dans la thermosphère inférieure et la région F se trouve dans les parties supérieures de la thermosphère.

Interactions et perturbations ionosphériques

Au-delà des couches supérieures de l'atmosphère terrestre, des flux de particules chargées de haute énergie et de photons provenant du soleil voyagent librement dans l'espace. Ce vent solaire provoquerait d'immenses dégâts s'il parvenait à atteindre la surface de la Terre. Pourtant, lorsque les particules et les photons interagissent avec la haute atmosphère, leur énergie se dissipe lorsqu'ils dépouillent les atomes neutres de leurs électrons externes. Cela génère une couche de plasma contenant à la fois les restes ionisés d'atomes neutres et des électrons se déplaçant librement qui ne sont liés à aucun noyau atomique. Cette couche est appelée ionosphère.

La concentration d'électrons dans l'ionosphère est principalement contrôlée par les rayonnements ionisants provenant du Soleil. Mais de nombreuses perturbations pourraient être induites par les ondes atmosphériques, notamment les "infrasons" et les "ondes gravitationnelles", se propageant depuis le bas.

Les ondes gravitationnelles sont observées dans l'ionosphère beaucoup plus fréquemment que les infrasons. Elles déposent de l'élan (vitesse) et de l'énergie dans la région dans laquelle elles se dissipent, affectant les vents neutres et la température dans la haute atmosphère, et provoquant également des perturbations ionosphériques progressives. Les chercheurs ont noté que les ondes infrasoniques pouvaient atteindre l'ionosphère en raison des lois de conservation de l'énergie, ce qui les faisait augmenter considérablement en amplitude à mesure qu'elles se déplaçaient dans la haute atmosphère de plus en plus clairsemée.

Ainsi, la dynamique complexe de l'ionosphère est influencée par des processus bien plus proches de la surface de la Terre.

Changements saisonniers

Outre les fluctuations quotidiennes de l'ionosphère, il existe également des variations saisonnières et à plus long terme dans cet ensemble complexe de régions. Différentes latitudes se réchauffent et se refroidissent selon les saisons, car l'intensité de la lumière solaire varie d'un endroit à l'autre en raison de l'inclinaison de l'axe de la Terre. De même, l'ionosphère varie selon les saisons à mesure que l'emplacement de l'intensité maximale des rayons X et de la lumière UV solaires, qui déterminent le taux de formation des ions, se déplace sur le globe.

Les changements saisonniers dans la chimie de l'atmosphère jouent également un rôle, influençant le taux d'événements de recombinaison qui éliminent les ions de l'atmosphère. À plus long terme, le cycle des taches solaires de 11 ans a une forte influence sur les couches supérieures de l'atmosphère, y compris l'ionosphère. La luminosité du Soleil, dans les longueurs d'onde de la lumière visible que nous pouvons voir, varie de moins 0,1 % entre le point haut et le point bas du cycle des taches solaires.

Cependant, la production de rayons X et UV du Soleil varie beaucoup plus tout au long du cycle solaire, fluctuant d'un facteur 10 ou plus. Étant donné que ces rayons X et UV contrôlent le taux de formation d'ions qui produit l'ionosphère, de grandes variations de ces types de rayonnement entraînent de grands changements dans les densités d'ions dans les régions de l'ionosphère. En outre, de grandes tempêtes géomagnétiques déclenchées par des éruptions solaires et des éjections de masse coronale du Soleil peuvent créer de graves perturbations temporaires dans l'ionosphère.

Cas de Venus

L'ionosphère de Vénus est la plus explorée et la mieux comprise de notre système solaire, après celle de la Terre. L'atmosphère à la surface de Vénus est composée d'environ 96,5 % de CO₂ et de 3,5 % de N₂.

La photodissociation du CO₂ fait de l'oxygène atomique le constituant atmosphérique majoritaire au-dessus d'environ 150 km d'altitude. Le comportement de l'ionosphère de Vénus est contrôlé par des processus chimiques en dessous d'une altitude d'environ 180 km. Cette région de l'ionosphère est analogue à la région E terrestre du point de vue du fait que l'ion principal est moléculaire et est sous contrôle chimique.

Cependant, contrairement à la Terre, la densité maximale du plasma atteint un pic à une altitude proche de 140 km et résulte d'un pic du taux de photoionisation. Vénus est un excellent exemple de l'importance des processus chimiques dans l'établissement de la nature de certains des aspects importants d'une ionosphère. L'ion ayant la plus grande densité est O₂⁺, et pourtant il n'y a pratiquement pas d'O₂ neutre dans la haute atmosphère. Comme mentionné précédemment, les principaux constituants des gaz neutres dans la haute atmosphère sont le CO₂ et l'O.

La photoionisation de ces espèces de gaz neutres est suivie de réactions qui transforment très efficacement ces ions initiaux en O₂⁺.

En rapport avec "ionosphère"

• exosphère

  

  L'exosphère est une atmosphère si peu dense que ses quelques molécules gazeuses ont peu de chances d'entrer en collision les unes avec les autres.

• homosphère

  

  L'homosphère est la partie basse, la plus terrestre, de l'atmosphère. La hauteur de la couche homosphérique est d'environ 80 à 100–120 km.

• thermosphère

  

  La thermosphère est la quatrième couche de l'atmosphère, située entre la mésosphère (en dessous à 85 km d'altitude) et l'exosphère (au-dessus à 600 km).

• troposphère

  

  La troposphère est la zone la plus basse de l'atmosphère, qui s'étend de la surface du globe à la tropopause (stratosphère).