Ionosphère

L'ionosphère est une zone de la moyenne atmosphère et de la haute atmosphère terrestre, qui va de 50 ou 60 km jusqu'à 500 à 600 km d'altitude environ et qui superpose diverses couches formées d'ions et d'électrons libres à la suite de l'action de rayonnements électromagnétiques émis par le Soleil dans des domaines de longueur d'onde particulièrement énergétiques ; la densité en ions et électrons, dans cette zone, est suffisamment importante pour qu'y puisse être modifié par absorption et surtout par réflexion la propagation des ondes radioélectriques.

Les sources d'ionisation primaires sont les photons solaires EUV et X (typiquement en-dessous de 120 nm) et les particules solaires (protons, électrons) provenant du vent solaire mais aussi d'événements éruptifs du soleil. Ces sources d'énergie peuvent aussi dissocier les molécules, ainsi qu'exciter et chauffer l'atmosphère. Du côté nuit de la planète, le flux EUV est absent mais les particulaires solaires, suivant un parcourt compliqué du fait de l'interaction des champs magnétiques interplanétaire et planétaire, peuvent y précipiter. Ainsi, il existe aussi une ionosphère nocture, résultant de l'ionosphère diurne et de ces précipations.

Les électrons arrachés par le flux EUV sont les photos-électrons; leur énergie est telle qu'ils forment une population suprathermique par rapport aux électrons thermalisés ayant déjà interagi avec le reste de l'atmosphère. Ces photo-électrons peuvent alors ioniser, dissocier, exciter et chauffer le reste du gaz à leur tour. L'ionosphère est donc un plasma constitué d'électrons (la population thermique et suprathermique), de particules neutres (essentiellement N2, O2, I) et d'ions (en majeure partie d'ions positifs bien qu'il existe à basse altitude une couche d'ions négatifs). Il existe un couplage important entre ces différents constituants par le biais de réactions chimiques, de collisions élastiques et non-élastiques.

Ce plasma est sensible aux forces électromagnétiques et notamment au champ magnétique terrestre; ce dernier varie en fonction de la latitude (puisque le champ terrestre peut être associé à un dipôle à peu près orienté nord-sud), tout comme l'angle d'incidence et donc l'impact du fluc EUV (fonction de Chapman) et l'intensité des précipitations particulaires (du fait de la configuration magnétique). On comprend alors que l'ionosphère varie aussi en fonction de la latitude. On distinge en général l'ionosphère à basse et moyenne latitude de l'ionosphère aurorale et polaire, moins bien connue. la description ici donnée s'adapte mieux à l'ionosphère des basses et moyennes latitudes.

Couches ionosphèriques

Réflexion des HF sur la ionosphère

L'existence d'une couche conductrice dans l'atmosphère terrestre a d'abord été invoquée pour expliquer les variations observées du champ magnétique terrestre, puis les communications radio translatlantiques. L'investigation de la structure de l'ionosphère par les ondes radios conduit à y distinguer différentes régions. Nous les décrivons ici succinctement.

Couche D

C'est la couche la plus basse de l'ionosphère située environ entre 60 et 80 km ; elle est le siège d'une chimie complexe et encore mal connue. Du fait de la forte concentration des constituants neutres (N2, O2 et O), la photo-ionisation y est compensée par les processus de recombinaison et d'ionisation négatives (attachement d'un électron à un neutre). Les processus importants d'ionisation positivies, qui créent des électrons libres, sont les suivants:

N2 + hv -> N2+ + e-
O2 + hv -> O2+ + e-

Comme mentionné précédemment, l'ionisation négative joue un rôle prédominant, notamment par le biais de la relation suivante:

O2 + e- + O2 -> O2- + O2

La durée de vie d'un électro, libre par rapport à cette réaction (le temps moyen entre la "création" de l'électron libre et sa destruction via cette réaction) est de l'ordre de 10-2 secondes à 50 km, ce qui est très peu.

Parmi les processus détruisant les ions positifs, on peut mentionner la recombinaison dissociative et l'échange de charge entre un ion positif et un ion négatif. Enfin pour la destruction des ions négatifs, citons à nouveau l'échange de charge entre deux ions de charge opposée ainsi que le photodétachement

O2- + hv -> O2 + e-

et le détachement collisionnel:

O2- + O2 -> O2 + e- + O2

La comparaison des taux de réaction montre qu'il se constitue une couche d'ions négatifs dont la concentration est supérieure à celle des électrons, appelée pseudo couche de Chapman.

Couche E

En s'élevant dans l'atmosphère, la concentration des ions positifs (et donc celle des électrons) devient supérieure à celle des ions négatifs et on arrive alors dans la région E, située entre environ 85 et 120 km. L'effet de photo-ionisation devient prédominant sur les processus collisionels aboutissant à la création d'ions négatifs. La chimie mettant en jeu les ions positifs et les neutres provoque la prédominance de la concentration des ions NO+ et O2+ vers 100 km.

Cette région est aussi appelée région dynamo, car elle est le siège de courant engendrant des variations du champ magnétique terrestre au sol. En effet, les ions et les neutres vont être soumis à des effets de marée, alors que les électrons se déplacent le long des lignes de champ magnétiques, c'est à dire horizontalement puique nous nous situons à basse et moyenne latitude. Ces courants horizonatux peuvent alors perturber le champ magnétique terrestre.

Couche F

Cette région est couramment divisée en trois partie, la région F1, la couche F2 et la haute ionosphère.

Région F1

On la situe entre 120 et 200km et la chimie de la région E continue de s'appliquer; la concentration en ions positifs augmente, et la chimie (notamment par la réaction d'échange de charge

O2+ + NO -> O2 + NO+

et les collisions entre ions et neutres) aboutit à un pic de concentration de l'ion NO+ vers 160km.

A partir d'environ 220 km, la diffusion ambipolaire devient au moins aussi importante que les réactions chimiques. Cette diffusion comporte deux composantes, une résultant de la diffusion des ions sur les neutres, l'autre résulant du champ électrique de polarisation maintenant la neutralité du plasma. On définit en-dessous de cette altitude la zone de chimie. Au-dessus, celle-ci devient négligeable et la diffusion domine. De même, cette altitude caractérise aussi la transition de la prédominance des ions moléculaires vers les ions atomiques.

Région F2

La région F2 s'étend environ de 200 à 400 km. C'est dans cette région que le régime diffusif va prendre le dessus. Suite à la chimie ayant lieu en région F1, la concentration de l'ion O+ augmente tant que la diffusion devient prépondréante, sa concentration diminue quand on s'élève dans l'atmosphère.

La réaction d'échange de charge suivante:

O+ + H <-> O + H+

commence dans la région F2. L'hydrogène étant plus léger que l'oxygène sa concentration diminue moins vite avec l'altitude; et puisque l'ion O+ est majoritaire, c'est la réaction:

0+ + H -> O + H+

qui domine, et tant que la diffusion reste faible, la densité de protons augmente avec l'altitude. Quand on passe au régime diffusif, l'ion H+ minoritaire va diffuser dans les ions O+. Son comportement a alors deux composantes: l'une correspond au comportement de l'ion majoritaire du plasma (O+) et tend à procoquer son échappement de l'ionosphère; l'autre qui correspond à sa diffusiondans les ions O+, contribue à augmenter sa concentration.

Ainsi, deux situations sont possibles. Si l'ion H+ peut s'échapper, sa concentration diminue avec l'altitude; par contre, s'il ne peut pas s'échapper, sa concentration relative croît, et l'ion H+ devient alors majoritaire. L'échappement a principalement lieu en région polaire (d'où le nom de vent polaire), et H+ reste alors minoritaire jusqu'à très haute altitude (~6000 km); à basse latitude, il peut devenir majoritaire vers 700 km.

Courants ionosphèriques (électrojet)

note: les courants de HALL, intenses (~100 millions d'ampères), sont utilisés par des expériences comme celle de HAARP comme "milieu" à exciter.