Ionosfære, den ioniserte atmosfære, den del av Jordens atmosfære som strekker seg fra ca. 60 til 500 km over jordoverflaten. Ionosfæren er karakterisert ved at den er elektrisk ledende; gassen er ionisert slik at den inneholder frie elektroner og ioner (plasma).

Relativt sett utgjør de elektrisk ladede partiklene bare en liten del av det totale antall gassmolekyler. Den maksimale tetthet av elektroner er i ca. 250 til 300 km høyde, men selv der er forholdet mellom elektroner og nøytrale gasspartikler nesten én til en million. Allikevel får atmosfæregassen helt forandrede egenskaper.

Øvre og nedre avgrensning av ionosfæren er ikke skarpt definert. Nedre grense er satt der hvor gassen er tilstrekkelig ionisert til å påvirke utbredelse av radiobølger. Overgangen til eksosfæren på oversiden skjer der tettheten av partikler er så lav at kollisjon mellom partikler får mindre betydning for bevegelsen av partiklene enn den påvirkning som Jordens magnetfelt utøver.

Tradisjonelt, og hovedsakelig av historiske grunner, deles ionosfæren opp i tre områder eller lag: D-, E- og F-laget. Den laveste delen av ionosfæren, D-laget, strekker seg fra 60 til 90 km. Elektrontettheten er forholdsvis lav, en typisk verdi er 109 elektroner per m3, og den øker jevnt med høyden uten noe markert maksimum. Karakteristisk for D-området er også at det inneholder store, tunge og komplekse ioner, både negativt og positivt ladede. Bare radiobølger med lav frekvens (lange bølgelengder) reflekteres i dette laget. Men bølger med høyere frekvens kan dempes betydelig når de passerer D-laget. D-laget forsvinner nesten helt om natten.

E-laget, som ligger mellom 90 og 150 km, er den del av ionosfæren som først ble oppdaget. Det ble tidligere ofte omtalt som Heaviside-laget. Under rolige forhold har man et maksimum i elektrontetthet omkring 120 km, typisk tetthet ca. 1011 elektroner per m3, men store variasjoner forekommer. Forstyrrelser kan også gi lokale tetthetsmaksima. I E-laget har man den høyeste konduktans (elektriske ledningsevne) i ionosfæren. Dette gir grunnlag for sterke elektriske strømmer, elektrojet-strømmer, spesielt i nordlysovalen, og om enn noe svakere, også over ekvator.

F-laget, over 150 km, består gjerne av to lagstrukturer, F1- og F2-laget. F1-laget forsvinner imidlertid om natten. F-laget er den delen av ionosfæren som har størst betydning for radiokommunikasjon. De fleste kortbølgeforbindelser over lange avstander baserer seg på refleksjon av radiobølgene i dette laget. Den høyeste elektrontetthet i ionosfæren finner man i ca. 250–300 km høyde. Tettheten er her ca. 1012 per m3.

Allerede på 1800-tallet hadde forskere hevdet at variasjoner i Jordens magnetfelt var et resultat av elektriske strømmer i atmosfæren (C. F. Gauss, 1839, B. Stewart, 1882). Dette fenomenet inngikk også i Kristian Birkelands teori for dannelse av nordlys og magnetiske stormer (1896). Oppdagelsen av radiobølger og utvikling av radioen gav imidlertid et verktøy til å studere atmosfærens elektriske egenskaper. I 1902 kunne O. Heaviside og A. E. Kennelly teoretisk forklare langdistanse-radiokommunikasjon ved at bølgene ble reflektert fra elektriske lag i atmosfæren. Den første eksperimentelle bekreftelse på at slike lag virkelig eksisterte, kom først i 1925, da engelskmannen E. V. Appelton viste at kortbølge-radiosignaler kan mottas etter at de er blitt reflektert fra elektriske lag i atmosfæren.

Radioteknikken har gitt grunnlag for å studere atmosfærens elektriske egenskaper i stor detalj. Bølgen som reflekteres, bærer med seg informasjon om elektrontettheten i refleksjonshøyden, og tidsforsinkelsen fra bølgen blir sendt ut til den blir mottatt, forteller hvor høyt refleksjonslaget ligger. Jo høyere frekvens bølgen har, desto høyere elektrontetthet kreves for at bølgen skal reflekteres. Dersom frekvensen er høy nok, vil bølgen ikke bli reflektert fordi elektrontettheten ikke er stor nok. Bølgen fortsetter i stedet videre ut i verdensrommet. Man kan derfor ha radiokommunikasjon med satellitter hvis man benytter meget høyfrekvente bølger.

Radiometoder har vært meget viktige i utforskningen av ionosfæren. Det klassiske instrumentet er ionosonden, som består av en sender og en mottager hvor det sendes ut pulser med stadig høyere frekvenser. Ved å studere det mottatte signalet kan man lage en høydeprofil for elektrontettheten, og man kan også hente ut informasjon om for eksempel vinder i ionosfæren. Helt frem til midten av 1950-årene var dette det viktigste verktøy man hadde for å utforske ionosfæren. Etter den tid er instrumenterte raketter og satellitter tatt i bruk, og man har fått mulighet til å gjøre direkte målinger i ionosfæren. Men fremdeles er fjernmåling med radiosystemer et viktig supplement.

Store radaranlegg med kraftige sendere og stor datakraft for signalbehandling, bl.a. EISCAT i nordlige Skandinavia og på Svalbard, gitt mye ny kunnskap om ionosfæren.

Den viktigste kilden til ionisering er ultrafiolett stråling (UV) og røntgenstråling. Når denne strålingen treffer atmosfæregassen, vil elektroner kunne frigjøres fra den nøytrale gassen og danne frie elektroner og ioner. Sammensetningen av gassen og bølgelengden av strålingen bestemmer hvilke ioner som blir dannet. En viktig produksjonsprosess i D-laget er ionisasjon av nitrogenoksid, NO, ved UV-stråling. Røntgenstråling og høyenergetisk kosmisk stråling er også viktig, spesielt under 70 km.

Ioneproduksjonen i E-laget skyldes røntgenstråling og ultrafiolett stråling som spalter oksygen, O2, og nitrogen, N2, til ioner og frie elektroner. I høyden over 150 km, i F-laget, blir ionepar hovedsakelig produsert ved ionisasjon av N2 og O ved EUV (ekstrem ultrafiolett) stråling. Produksjonen av ioner holdes i likevekt av forskjellige tapsprosesser, kjemiske reaksjoner mellom ulike ioner, elektroner og den nøytrale atmosfæregassen. Disse prosessene er spesielt kompliserte i D-laget på grunn av negative ioner, og i F-laget hvor atomære ioner kommer inn og gjør tapsprosessene mer uoversiktlige. Her er også transportprosesser viktige i refordeling av ionisasjonen.

Siden det er stråling fra Solen som gir ionisasjonen i den regulære ionosfære, vil tettheten variere med breddegrad, gjennom døgnet og året og med solaktiviteten, både irregulært og over den 11-årige solflekkperioden. Normalt er elektrontettheten størst midt på dagen, om sommeren og ved solflekkmaksimum, men det finnes unntak. For eksempel er F2-laget tettest om vinteren. I polare strøk, dvs. nærmere polene enn ca. 65°, trenger energirike elektroner og protoner fra magnetosfæren ned i atmosfæren, og gir ekstra ionisasjon. Det kan dannes irregulære ionosfærelag som kan være meget kraftige, særlig i forbindelse med nordlys. Under innstrømning av høyenergetiske protoner fra Solen, Solar Proton-begivenheter, kan man få meget kraftig ionisasjon i D-laget, som varer i flere dager. Dette kalles ofte Polar Cap Absorption-begivenheter, PCA, fordi man under slike forhold kan få fullstendig blokkering av radiokommunikasjon ved høye breddegrader.

Den største betydningen av ionosfæren har tradisjonelt vært at den reflekterer radiobølger, slik at det er mulig å ha langdistanse-radiokommunikasjon. I våre dager, med kommunikasjonssatellitter som det viktigste hjelpemiddel i telekommunikasjon, er ikke ionosfæren lenger et nødvendig refleksjonsmedium. Nå blir den i mange tilfeller heller oppfattet som et forstyrrende element som ligger mellom bakkestasjonen og satellitten.

Ionosfæren påvirker radionavigasjonssystemer, enten disse baserer seg på bølger som reflekteres fra ionosfæren eller signaler fra satellitter. Den største nytten av utforskning av ionosfæren ligger dermed i å kunne forbedre radiokommunikasjonen ved å gi varsler om frekvensbruk og forstyrrelser, og i å øke nøyaktigheten i navigasjonssystemer.

Strømmer i ionosfæren gir forstyrrelser i Jordens magnetfelt. De samme krefter som driver ionosfærestrømmene, vil også gi strømmer nede på bakken hvor de bl.a. kan gi alvorlige forstyrrelser i kraftforsyningssystemer og forårsake korrosjon i oljeledninger. Ionosfæren, sammen med den øvre atmosfæren, er også viktig idet den fanger inn og stopper stråling fra verdensrommet.

I Norge drives ionosfæreforskning ved universitetene i Bergen, Oslo og Tromsø, og ved Forsvarets forskningsinstitutt, Kjeller.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål til artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.